Ecological engineering for the bioremediation of aquatic systems : effects of the combined bioturbation and phytoremediation on cadmium and atrazine removal

Ce sujet de recherche vise mieux comprendre les processus de bio remédiation qui participent à la réduction des charges en polluants dans les écosystèmes aquatiques du type zones humides, en tant que question d'actualité en ingénierie écologique. L'efficacité des processus de phytoremédiation a été largement démontrée par des applications individuelles sur le sol et les sédiments. Cette thèse a pour objectif de démontrer la participation d'une population d'invertébrés dans l'efficacité de la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Les hypotheses de recherche ont été testée expérimentalement en conditions de laboratoire à l'aide d'une série de microcosmes reproduisant chacun une portion d'interface eau/ sédiments similaire aux conditions en zones humides. Dans nos expériences, la bioturbation est réalisée par une population d'oligochètes Tubificidae bien connue comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à extraire les polluants organiques et inorganiques des sédiments par l'accumulation dans leur biomasse. L'influence de cette biodiversité sur les flux et bilan de masse de polluants modèles, a été démontré à l'aide de 2 expériences de laboratoire mettant en oeuvre des séries de microcosmes contaminées avec du Cadmium en tant que métal trace avec une concentration initiale de 20 µg.L-1, dans l'eau surnageante, et de l'atrazine marquée avec une concentration de 5 µg.g-1 de sédiment frais en tant que micropolluant organique persistant et herbicide. Les résultats de ces expériences démontrent que le bio-transport créé par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actifs en présence de contamination ce qui confirme le potentiel de dévelopement de ces organismes en ingénierie écologique. La bioadvection du sédiment et des contaminants par les tubificidae est quantifiée grâce à l'utilisation de luminophores (traceurs particulaires). [...]The development of efficient bioremediation techniques to reduce pollutant loads in aquatic ecosystems is a challenging research question for ecological engineering. The accuracy of phytoremediation processes has been primarily demonstrated by individual applications on soils or water sediments. The present Ph.D. aims to demonstrate the interest of additional bioturbation combined to phytoremediation processes for the improvement bioremediation efficiency of aquatic sediments. This strategy benefits are tested experimentally in controlled laboratory conditions with a serie of microcosms reproducing each a portion of water/sediment interface such as in wetland areas. In our experiments, bioturbation was carried out by a conveyor-belt invertebrate population, the tubificidae oligochaetes Tubifex tubifex, well known as an active ecological engineer. The phytoremediation was conducted by the riparian plant Typha latifolia known for its ability to remove organic and inorganic pollutants from sediments by accumulation into its biomass. The experiments were managed to demonstrate the effects of this biological influence (plant and inveterbrate) on the mass balances and fluxes of one metal and one pesticide as models of pollutants. Cadmium as a heavy, inorganic and conservative metal pollutant was introduced as a pulse input in the overlying water of the contaminated microcosms, with a cadmium concentration of 20 µg.L-1 in at the initial time of the experiment that lasted one month. In a second experiment, atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time in order to reach a concentration of 5 µg.g-1 of fresh sediment as a source of organic micropollutant and herbicide in the microcosms. The pesticide was radiolabeled with 14C. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments (+/- plants, +/- bioturbation, +/- pollutants) allowing to demonstrate the effects of the biological influence. Our results indicated that the tubificids and the related bioremediation influences are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. Biotransport due to tubificids changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the water to surface sediment and then to the anoxic underlying sediment surrounding the plant roots. [...