La phytoremédiation des sols contaminés par des métaux lourds: une alternative prometteuse
par Gervais Lessard
http://www.usherbrooke.ca/environnement/essais/GLessard.html
Les évènements malheureux entourant l'incident de Love Canal dans les années 70 dans l'État de New York, ont grandement contribué à la prise de conscience collective de la problématique liée aux sites contaminés. Depuis lors, l'assainissement des lieux contaminés est devenu une priorité gouvernementale dans la plupart des pays industrialisés et constitue un axe de recherche prioritaire pour les organismes qui offrent des subventions. Plusieurs travaux de recherche ont été consacrés au développement de méthodes de réhabilitation de terrains contaminés par des matières organiques et inorganiques au cours des dernières années. Les méthodes biologiques utilisant des micro-organismes ont connu un succès remarquable dans la réhabilitation des sols contaminés par des matières organiques. Toutefois, la conception d'une méthode de réhabilitation par voie biologique des sols contaminés par des métaux lourds, qui soit à la fois efficace et économique, est un défi de taille pour les entreprises qui oeuvrent dans le secteur de l'assainissement des écosystèmes dégradés. Actuellement, la méthodologie la plus courante pour la réhabilitation des sols contaminés par des métaux consiste à les excaver et les enfouir dans des sites autorisés à des coûts très élevés. À cause de cela, plusieurs sites demeurent pollués tout simplement parce qu'il est hors de prix de procéder à leur réhabilitation. Cependant, depuis environ 25 ans, on observe une véritable explosion dans l'intérêt accordé aux plantes qui ont la propriété d'accumuler de très grandes quantités de métaux dans leurs tissus. On dit alors de ces plantes qu'elles sont hyperaccumulatrices. L'importance de ce phénomène est reliée principalement à l'utilisation possible de ces plantes pour extraire les métaux toxiques du sol où on les fait croître. Cette nouvelle technologie, c'est la phytoremédiation (on dit aussi : phytoréhabilitation ou phytorestauration).
La prolifération des recherches sur la phytoremédiation des sols, particulièrement aux États‑Unis, a permis de découvrir que plusieurs espèces de plantes vasculaires, pas seulement les espèces hyperaccumulatrices de métaux, ont la capacité d'absorber ou de neutraliser ou de dégrader une grande variété de contaminants. Selon le type de contaminant, la nature du terrain, le milieu affecté et le moyen utilisé par la plante pour réduire ou contrôler la contamination, on a identifié six types de phytoremédiation: la phytoaccumulation, la phytodégradation, la phytostabilisation, la phytovolatilisation, la rhizodégradation et la rhizofiltration. Dans le cas des sols contaminés par des métaux lourds, il y a trois procédés possibles :
- la phytovolatilisation où le contaminant passe de la lithosphère à l'atmosphère par un processus d'absorption et de volatilisation;
- la phytostabilisation, procédé qui réduit la mobilité du contaminant par adsorption à la surface des racines ou par précipitation au niveau de la rhizosphère;
- la phytoaccumulation (ou phytoextraction) qui fait référence à l'absorption et au transport des contaminants métalliques du sol jusqu'aux parties aériennes de la plante.
La phytoaccumulation, qui est le procédé le plus courant, fait référence à l'absorption des contaminants métalliques du sol par les racines et le transport d'une certaine quantité de métaux vers les parties aériennes de la plante. Fondamentalement, l'intérêt de la phytoaccumulation dépend surtout des fortes concentrations des contaminants ciblés qui se retrouvent dans la biomasse qui doit être importante pour que le rendement soit avantageux. L'efficacité de la phytoremédiation est aussi intimement liée à la disponibilité des métaux pour la plante hyperaccumulatrice. Or, en sachant que la principale caractéristique des plantes hyperaccumulatrices est leur capacité de sécréter des substances pouvant solubiliser les métaux dans la rhizosphère, la possibilité de reproduire artificiellement ces conditions a été envisagée. Une étude portant sur la phytoextraction du plomb a clairement démontré que l'utilisation d'un agent chélateur artificiel comme le EDTA a permis d'accroître la concentration en plomb de moins de 500 mg/kg à plus de 10 000 mg/kg dans les tissus des plantes étudiées. Ces résultats ont permis à plusieurs projets de voir le jour aux États‑Unis. Le prix très élevé du EDTA, cependant, limite quelque peu la compétitivité de la technologie. Il y a énormément de recherches en cours actuellement dans le but de trouver un agent chélateur tout aussi efficace et qu'il serait possible de produire à moindre coût. Les autres chélates essayés n'ont pas donné d'aussi bons résultats. Le pH du sol est aussi un facteur très important à considérer parce qu'il contrôle la solubilité des métaux dans le sol. Il a été démontré que la diminution du pH entraîne une diminution de l'adsorption des métaux sur les particules de sol et augmente leur solubilité et leur disponibilité pour les plantes. Les agents acidifiants qui ont été testés jusqu'à maintenant ont donné des résultats mitigés. Il s'agit de l'acide citrique, l'acide ascorbique, l'acide acétique, le soufre élémentaire et l'urée. Il est à souhaiter qu'on puisse un jour produire du EDTA ou un autre chélate aussi efficace à des coûts beaucoup plus bas.
De nombreuses recherches sont menées actuellement, principalement aux États‑Unis et en Allemagne pour sélectionner une espèce qui soit à la fois rustique et hyperaccumulatrice de plusieurs métaux. Ces recherches portent principalement sur des enzymes responsables de la synthèse de protéines (métallothionéines et phytochélatines) qui augmentent la tolérance aux métaux. Globalement, l'ensemble de ces recherches vise à modifier une espèce qui possède au départ d'excellentes caractéristiques (croissance rapide, biomasse importante), comme la moutarde indienne (Brassica juncea), en lui transférant le gène nécessaire qui en fera une véritable plante hyperaccumulatrice (photo). Cette technologie comporte des risques environnementaux et le débat actuel sur les organismes génétiquement modifiés (OGM) est loin d'être réglé. Dans le cas de la phytoremédiation, il est possible de minimiser ces risques, le plus grave étant la dissémination involontaire de l'espèce modifiée, en procédant à la récolte avant la floraison.
Comme pour les autres technologies de réhabilitation de sites, la phytoremédiation d'un site contaminé par des métaux demande une étude approfondie avant de passer à l'étape de la réalisation. Le design du système de phytoremédiation variera en fonction des contaminants, des conditions rencontrées sur le site, des objectifs de décontamination, du choix des plantes utilisées et des intrants nécessaires à la réussite du projet. De façon générale, les étapes suivantes font partie intégrante de la méthodologie de réhabilitation:
- La caractérisation qui permet l'identification et la détermination du niveau de concentration des contaminants. Elle permet aussi de cerner l'étendue et la profondeur de la contamination.
- Le choix de l'espèce ou des espèces se fait en fonction du contaminant et des caractéristiques physiques du sol à traiter.
- Les essais de traitabilité qui ont généralement lieu en serre permettent de déterminer à l'avance la possibilité d'atteinte des objectifs. Ils vont aussi servir à évaluer la durée totale du traitement.
- La détermination des intrants (fertilisants, irrigation et chélates)
- Le captage de l'eau souterraine (cette opération devra être envisagée dans le cas où la migration des contaminants dans l'eau souterraine pourrait être provoquée par l'irrigation ou l'ajout des chélates pendant le traitementdans le système d'irrigation)
- La mesure du taux de décontamination effectuée lors des essais en serre et, aussi, lors de la première saison sur le terrain. Elle permet de déterminer la durée de la réhabilitation.
- La préparation du terrain et l'ensemencement : le terrain est préparé de la même façon que s'il s'agissait de production agricole. La même machinerie et les mêmes méthodes sont utilisées.
- Le suivi de la croissance des plantes afin de pouvoir réagir rapidement à toute carence nutritive ou à des attaques par des insectes ou des maladies.
- La récolte : les plants sont récoltés en entier (racines et parties aériennes lorsque cela est possible)
- La gestion des plantes récoltées : les plantes récoltées doivent être analysées afin de déterminer le mode de gestion. Si le procédé fonctionne bien, elles ont généralement des teneurs en métaux suffisamment élevées pour qu'elles soient considérées comme des matières dangereuses. Pour minimiser les coûts de disposition, il est important d'en réduire la masse et le volume par séchage ou incinération. Quand la valeur et la concentration du métal accumulé le justifient, il peut être possible, par des procédés chimiques, de récupérer ce métal.
La phytoremédiation est actuellement une technologie émergente qui nécessite d'être mise au point en vue de développer et de cibler des plantes tolérantes produisant une biomasse importante. L'avenir de la phytoremédiation repose surtout sur la poursuite de nombreux projets de recherches. On peut identifier les besoins futurs en recherche et développement comme suit:
- les mécanismes de captage, de transport et d'accumulation chez les plantes;
- l'étude approfondie des gènes des espèces hyperaccumulatrices;
- la découverte et le développement de plantes hautement spécialisées dans l'extraction des métaux, par croisements ou modifications génétiques;
- des évaluations à grande échelle afin d'établir des protocoles, des standards et des techniques d'application efficaces et économiques;
- l'optimisation du procédé par de nouveaux agents chélateurs et d'autres amendements;
- l'application de la technologie à d'autres substrats ou matières résiduelles comme les boues d'épuration et les effluents liquides des villes et des industries.
Le succès de la phytoremédiation dépendra probablement de la création de plantes transgéniques qui seraient parfaitement adaptées à l'environnement et au climat de la région où se trouve le site à réhabiliter. Ces plantes pourraient être issues d'espèces reconnues pour leur tolérance aux contaminants, leur rapidité de croissance et leur biomasse importante et de gènes spécifiques provenant d'espèces hyperaccumulatrices de ces mêmes contaminants.