The revegetation (phytostabilization) of gold mine residues at Val d'Or, QC using Frankla-Inoculated alders

Canada has over 800 active mines that generate more than half a million tons of waste annually. Abandoned unreclaimed mines and waste typically remain unvegetated for tens to hundreds of years during which time they constitute a major eyesore to adjacent communities and pose further risks to their surroundings as contaminants are continuously spread via aeolian and water erosion. Phytoremediation has gained popularity as an efficient, cost-effective alternative to ex-situ techniques as it also restores aesthetic value, important for reclaiming large expanses of contaminated or degraded land. In this study, consisting of both greenhouse and field trials, the symbiotic associations of the pioneer actinorhizal tree and shrub species, alders, with N2-fixing actinomycetes of the genus Frankia and ectomycorrhizal (ECM) fungi were exploited to revegetate, i.e. phytostabilize, waste rock from an active gold mine in Val d'Or, Quebec. We assessed the performance of Frankia-inoculated alders in gold mine residues from Val d'Or, Quebec and investigated effects on microbial community dynamics using a metagenomic approach. Alders that are native to Canada were able to establish on nutrient-poor, moderately alkaline gold mine waste rock from Val d'Or, Quebec, and the use of amendments, including fertilizer, had little or negative impact on alder survival and growth. Soil quality improved as soil pH decreased to 7.5 and after 2 years, total extractable metal concentrations for aluminum, manganese, sodium, copper, etc., decreased up to 2-fold to within Canadian and Quebec regulatory requirements. Microbial enumeration and mineralization assays of C-14 labelled acetate demonstrated increases in soil bacterial density and activity and rhizosphere soils contained up to 2 orders of magnitude more bacterial cells per gram than bulk soils. Metagenomic and high-throughput sequencing of 16S rRNA genes (bacteria) and the ITS region (fungi) were performed using the Ion Torrent PGM, revealing bacterial-dominated (≥ 93.7% sequences) soil microbial communities. Treatment specific changes in microbial diversity and community composition were observed as plants established, including an increase in the abundance of the bacterial class Alphaproteobacteria complemented by a decrease in Betaproteobacteria, suggesting that Alphaproteobacteria may be a useful indicator species. Overall, alder revegetation positively impacted soil physico-chemical properties in addition to soil microbial community composition, diversity and activity demonstrating their successful establishment and potential to positively improve soil structure and quality. Genomics techniques can be applied to further investigate interactions of alders with other phytoremediating plants, fungi and bacteria and develop more efficient phytoremediation techniques.Le Canada compte plus de 800 mines en exploitation générant environ un demi million de tonnes de déchets par an. Les mines abandonnées ainsi que leurs déchets restent généralement sans végétation pendant des dizaines, voir des centaines d'années pendant lesquelles ils constituent une source de pollution visuelle pour les communautés environnantes et posent de nouveaux risques environnementaux : les contaminants sont continuellement dispersés par l'érosion éolienne et pluviale.La phytoremédiation a gagné en popularité comme alternative efficace et rentable par rapport aux techniques ex-situ car elle restaure également une valeur esthétique ; facteur important lorsqu'il s'agit de remédier de grandes étendues de terres contaminées ou dégradées. Dans la présente étude, basée sur des expériences effectuées en serre et sur le terrain, les associations symbiotiques entre l'aulne, (espèce pionnière d'arbres et d'arbustes actinorhyziens) les actinomycètes fixateur d'azote (du genre Frankia) et les champignons ectomycorhiziens (ECM) ont été mis à profit pour végétaliser, c'est-à-dire phytostabiliser, des échantillons de résidus miniers provenant d'une mine d'or toujours en exploitation à Val-d'Or, au Québec. Nous avons évalué la performance des aulnes, inoculés avec Frankia, sur ces résidus et étudié la dynamique des communautés microbiennes en utilisant une approche métagénomique. Les aulnes indigènes au Canada ont été en mesure de s'établir sur les résidus miniers pauvres en éléments nutritifs et modérément alcalins. L'utilisation d'amendements, y compris les engrais, a eu peu d'effet ou un impact négatif sur la survie de l'aulne ainsi que sur sa croissance. La qualité du sol a été améliorée : le pH a diminué à 7,5 ; et après 2 ans, la concentration des métaux extractibles totaux (ex. aluminium, manganèse, sodium, cuivre), a diminuée jusqu'à 2 fois. Rencontrant ainsi les exigences règlementaires canadiennes et québécoises. Le dénombrement microbien ainsi que les expériences de minéralisation de l'acétate marquée au C-14 ont révélé des augmentations de la densité ainsi que de l'activité bactériennes dans le sol. Les rhizosphères contenaient jusqu'à 2 ordres de grandeur de cellules bactériennes de plus par gramme que les sols du groupe témoin.L'analyse métagénomique et le séquençage à haut débit de gènes codant l'ARNr 16S (bactéries) et les régions ITS (champignons) ont été réalisées sur l'appareil Ion Torrent PGM, révélant que les communautés microbiennes du sol étaient dominé par les bactéries (≥ 93,7% des séquences). Des changements, spécifiques aux traitements testés, de la composition de la diversité et de la communauté microbienne ont été observées pendant l'établissement des plantes : une augmentation de l'abondance de la classe bactérienne Alphaproteobacteria et une diminution de la classe Betaproteobacteria, suggérant que la classe Alphaproteobacteria pourrait être utile comme classe indicatrice. En bref, la végétalisation des résidus miniers par l'aulne a eu un impact positif sur leurs propriétés physico-chimiques ainsi que sur leur communauté microbienne; que ce soit au niveau de la diversité ou de l'activité microbienne. Suggérant que l'aulne peut s'établir avec succès dans les résidus miniers et pourrait permettre d'améliorer leur structure ainsi que leur qualité. Des techniques de génomique pourraient être utilisées afin d'approfondir l'étude des interactions de l'aulne avec d'autres plantes utilisées en phytoremédiation, les champignons et les bactéries dans le but de développer des techniques de phytoremédiation plus efficaces