Quizz et exercices.

Intervenants:
C. Dumat (ENSAT): Gestion des sites et sols pollués; Biotechnologies.
C. Combes (A7): Techniques physico-chimiques.
+ colloque, films, visite…
Sommaire : SolRem-2015
2-Typologies.
4-Analyses,
Evaluations et
gestion des risques.
3-Politique.
5-Remédiation.
1-Contexte.
6-Etudes de cas.
7-Conclusions et
perspectives.
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
2014-2015 [email protected]
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Phytotechnologies appliquées
aux sites et sols pollués
2
Vos connaissances ? Vos expériences ?
3
Plan du cours
II) Applicabilité des phytotechnologies
III) Phytostabilisation
IV) Phytoextraction
V) Phyto et rhizodégradation
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I) Notions générales
VI) Conclusions et perspectives
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
4
Sources
• Morel (2012). Phytoremédiation des sols contaminés. EDP
Sciences, Chimie et Nature.
• Bert (2012). Les phytotechnologies appliquées aux sites et
sols pollués. EDP Sciences.
• Foucault (2013). Réhabilitation écologique et gestion durable
d’un site industriel urbain: cas d'une pollution historique en
éléments inorganiques toxiques. Doctorat INPT.
• Etc.
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• Dumat et Austruy (2014). Phytotechnologies pour la gestion
des sols pollués. Techniques de l’ingénieur.
5
I-1) Contexte des Phytotechnologies
•
Importance du compartiment sol



Couche supérieure de la croûte terrestre
Constitué de particules minérales, organiques, eau, air, organismes vivants
Compartiment complexe, abrite majeure partie de la biosphère
• Qualité des sols : « Capacité d'un type de sol donné à fonctionner, au sein d'écosystèmes naturels ou
aménagés, pour supporter une production végétale et animale, maintenir ou améliorer la qualité de l'eau et
de l'air et assurer l'habitat et la santé humaine » (société américaine de science du sol, 1992)
4 composantes principales
Fertilité
Etat
sanitaire
Externalité
Résilience
• Sol ressource essentielle et non renouvelable
Nécessité d'en assurer la protection afin de permettre
un développement durable des sociétés
6
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Techniques de dépollution
7
Techniques de dépollution
Traitement hors-site (1 772 440 tonnes)
 Installation de stockage de déchets inertes (867 800 t)
 Installation de traitement biologique (434 000 t)
 Installation de stockage de déchets non dangereux (241 200 t)
 Installation de stockage de déchets dangereux (63 800 t)
 Installation de désorption thermique (62 600 t)
 Cimenterie (44 300 t)
 Installation de stabilisation physico-chimiques ( 33 300 t)
 Installation d’incinération (17 600 t)
 Installation de lavage de terres (7 800 t)
Traitement sur site (653 900 tonnes)
Traitement in-situ (846 400 tonnes)
 Ventilation forcée des sols (430 100 t)
 Traitement biologique (215 000 t)
 Oxydation chimique (115 700 t)
 Confinement in-situ (77 600 t)
 Stabilisation physico-chim in-situ (8 000 t)
Lavage des terres in-situ (nd)
 Phytotechnologies (nd)
 Stabilisation physico-chimiques sur site (370 900 t)
 Traitement biologiques par biotertre sur site (197 600 t)
 Confinement sur site (69 000 t)
 Lavage des terres sur sites (12 000 t)
 Désorption thermique sur site (3 500 t)
ADEME, 2012
8
Différents procédés de phytoremédiation et rôle des plantes (Morel, 2010)
9
Les plantes utilisées
• La végétation présente sur les sites pollués est caractérisée par (Whiting et al., 2004) :
• une spécialisation écologique
• une fréquence de rareté
• un risque d'extinction élevé
• Conditions écologiques extrêmes
Formation de phytocénose originale
• Végétation composée :
• D’espèce endémiques apparues par l’isolement écologique et/ou géographique
• D’espèces locales provenant d’habitats voisins non pollués
• La flore caractéristique des habitats pollués :
•
•
•
•
•
Une rareté et un faible recouvrement des phanérophytes
Une surreprésentation des espèces à stratégie stress-tolérante
Une sous-représentation des arbres
Un recouvrement total souvent < 100 %
Une faible productivité
10
Les espèces tolérantes aux métaux : les (pseudo)métallophytes
Catégorie écologique
A: non métallophytes
B : pseudométallophytes (+NM ; –M)
C : pseudométallophytes (-NM ; +M)
D : métallophytes absolues
Population non métallicole (NM)
Population métallicole (M)
Pollard et al., 2002
Les espèces (pseudo)métallophytes doivent être compétitives et tolérantes
à la contamination et à des conditions agronomiques défavorables.
Catégories des plantes présentes sur des
contaminés par des ETM (Prasad et Hagemeyer, 1999)
sols
• Plante excluante
•
mécanisme d’exclusion racinaire
des ETM
• Plante indicatrice
• [ETM]pl=k[ETM]sol
• Plante accumulatrice
• forte biomasse
• enracinement important
Augmente surface de contact sol et
capacité de prélèvement
• Plante hyperaccumulatrice

La sélection d'espèces métallophytes est dépendante :



• FT > 1
• [ETM]pl > 0,1% MS
Type de polluant
Conditions de culture (climatiques et édaphiques)
Caractéristiques de l'espèce sélectionnée (vivaces ou pérenne, non invasive...)
Nombre réduit d'espèces potentiellement utilisables à l'échelle industrielle.
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 Solutions technico-financières adaptées aux
vastes sites ou alternatives douces lorsque la
durée de traitement n’est pas une contrainte.
Complément aux techniques conventionnelles
dans le cas de pollution à grande échelle.
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 Techniques émergentes in situ de gestion et
dépollution des sols. Large variété de sols
pollués: agricoles, friches industrielles,
sédiments excavés…
13
 Expériences soutenues en France par l’Ademe
→ retours d’expérience dans différents
contextes → vision concrète des avantages et
limites des différentes solutions testées.
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 Souvent évoquées lors des opérations de
réhabilitation de friches industrielles ou
urbaines, mais plus rarement utilisées par
manque de recul opérationnel.
14
 Deux phénomènes socio-économiques se combinent
pour rendre prioritaire la gestion des sites pollués :
(1) Les évolutions structurelles du secteur industriel
conduisent à l’arrêt de nombreuses exploitations et
donc augmentation des friches industrielles.
(2) Les pressions démographique et foncière en zones
urbanisées incitent à reconvertir ces friches.
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 Héritage de plusieurs décennies d’activités
industrielles et préoccupations sociétales / sols
pollués et impacts sanitaires.
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La gestion des sites pollués,
priorité du Grenelle de l’Environnement
 Depuis les années 90, politique de gestion qui s’est
attachée à recenser et hiérarchiser les sites pollués en
fonction de leur niveau de pollution.
 La gestion actuelle s ’appuie sur l’évaluation des risques
en fonction de l’usage des sites → compatibilité de
l’état des milieux avec les usages (constatés et futurs)
et la nécessité de rétablir cette compatibilité pour
maitriser les impacts sanitaires et environnementaux
(après réhabilitation).
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 La pollution des sols par les activités industrielles:
question environnementale.
16
 Achever l’inventaire des sites pollués «historiques »
afin d’établir les priorités d ’action (présence de
points d’eau, populations sensibles exposées…).
 Renforcer les moyens dévolus à l’état pour
réhabiliter les stations services fermées et les sites
pollués orphelins. Les techniques de dépollution
par les plantes seront de préférence utilisées, car
elles impactent positivement les fonctions et la
structure du sol.
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Loi Grenelle II :
17
18
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 Acquérir des connaissances sur les mécanismes de
tolérance et accumulation des plantes candidates en
phytotechnologies pour connaitre, améliorer leurs
capacités (à tolérer, immobiliser, extraire les polluants).
 Recherches:
(i) Mécanismes au niveau physiologique, biochimique,
moléculaires / adsorption et exclusion des polluants,
leur transfert des racines vers les parties aériennes,
stockage, détoxification…
(ii) Niveau d’application atteint par la phytostabilisation,
la phytoextraction et la phyto- et rhizodégradation via
la synthèse des travaux de recherche menés en
parcelles, pilotes et plein champ.
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I-2) Applications dans le monde
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 Des travaux de recherche appliquée de grande
envergure (certains intégrés dans des projets
d’aménagement) sont en cours de réalisation
au niveau français.
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 Mettre en œuvre et optimiser les itinéraires
techniques (du semis à la récolte) et les filières
de valorisation de la biomasse collectée dans
une approche intégrée de de gestion durable
des sols pollués.
20
 En Europe (2010), ≈ 40 essais de phytostabilisation et
≈ 40 essais de phytoextraction, sur des sols agricoles,
des friches industrielles, des sites miniers et des
sédiments excavés pollués (Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, As, Cr,
Sb…) avec des surfaces variées: qques m2 à dizaines
d’hectares.
 Nb de sites traités par des phytotechnologies ↑.
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 Faible volume de terres traitées en 2010 par
phytoremédiation en France (étude Ernst & Young:
0,3% des volumes de terres traitées en 2010): le
marché est naissant.
21
 En 2010 en Europe et aux US: une quinzaine
de sites: sédiments, mangroves avec des
plantes de milieux humides ou tolérant la
salinité. Sols agricoles, diverses activités
industrielles
(production
de
voitures,
d’explosifs) avec des arbres, herbacées
sélectionnées ou colonisatrices.
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 Moins de résultats issus de recherches
appliquées sont disponibles pour la
phytodégradation.
22
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Essais de phytotechnologies en plein champ, France
23
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Essais de phytotechnologies en plein champ, France
24
I-3) Enjeux des Phytotechnologies
 Selon les REX, technique en phase de démonstration à
l’échelle du champ.
 Améliorer les connaissances : écologie, fonctionnalité des
sols, biodiversité, écotoxicité…
Les enjeux concernent les phases de suivi et surveillance pour
garantir un niveau de maitrise des impacts équivalent /
techniques conventionnelles.
 Viabilité économique: l’espace immobilisé peut bénéficier
d’une valorisation économique via l’utilisation de la biomasse
produite dans une filière non alimentaire ou d’une valorisation
écologique en aménagement paysager.
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I-3-a) PHYTOSTABILISATION
25
I-3-b) PHYTOSTABILISATION
 Elle doit prouver son efficacité et présenter des avantages par
rapport aux autres solutions disponibles.
 Aux US, la viabilité économique de la phytoextraction du Ni et
sa récupération a été démontrée.
En Europe: viabilité économique de filières potentielles Zn, Ni,
Mn, Cu et fabrication de nouveaux éco-matériaux catalytiques
et réactifs de synthèses organiques ou phytoextraction de Zn, Cd
et valorisation de la biomasse en bois-énergie ou méthanisation.
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 Progrès réalisés au niveau expérimental, mais l’application
pratique démarre à peine.
26
I-3-c) PHYTOSTABILISATION
 Les
potentiels
d’utilisation
des
plantes
et
microorganismes associés dans la dégradation des
polluants organiques sont nombreux, mais aussi limités
par les caractéristiques physico-chimiques des polluants
qui conditionnent leur persistance et leur biodisponibilité
dans l’environnement.
 L’application de la phyto-dégradation passe par la
démonstration de l’efficacité in situ et l’acquisition de
connaissances sur les interactions complexes entre les
polluants, le sol, les microorganismes et les plantes.
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 Application pratique à ces débuts.
27
Plan du cours
II) Applicabilité des phytotechnologies
III) Phytostabilisation
IV) Phytoextraction
V) Phyto et rhizodégradation
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I) Notions générales
VI) Conclusions et perspectives
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
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II-1) Compétences nécessaires
 L’équipe projet doit démontrer sa compétence dans le domaine des
phytotechnologies, elle se composera de personnes aux
compétences: phytotechnologies; gestion des sites et sols pollués.
 Ces personnes seront à même de déterminer les besoins
supplémentaires (hydrologie, biologie végétale, toxicologie,
aménagement paysager, écologie, agronomie...) spècifiques à
chaque site ; un bureau d’études spécialisé ou des spécialistes des
domaines pourront être consultés.
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 Dans le cahier des charges d’un projet d’aménagement, l’utilisation
des phytotechnologies pour gérer tout ou partie des sols pollués du
projet peut être mentionnée.
29
 Le chef de projet veillera à informer ces
personnels non habitués à travailler sur des sols
pollués aux pratiques des professionnels des
sols pollués (ex. : vêtements à usage unique ou
dédiés au chantier, port de gants et de masque
anti- poussière).
 Plus d’informations : projet PHYTOPERF 2012.
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 L’équipe de travaux pourra être composée de
professionnels des espaces verts et de la
foresterie et de professionnels agricoles.
30
 La caractérisation du site est indispensable pour valider
l’applicabilité des phytotechnologies sur le site et présélectionner la (ou les) phytotechnologie appropriée à partir
de la connaissance de paramètres simples du site, usages
actuels et choisis, le(s) polluant(s) et le sol et identifier les
paramètres susceptibles de limiter la faisabilité et les
performances des techniques.
 Après avoir rassemblé les informations sur l’historique du
site, il convient de le caractériser: topographie, géologie,
hydrogéologie, patrimoine (inventaire faune/flore, intérêt
écologique du terrain).
 Le diagnostic pollution se fait sur la base d’un
échantillonnage de sol à différentes profondeurs et selon le
référentiel réglementaire.
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II-2) Caractérisation du site et paramètres clefs
32
 Le diagnostic pollution pourra être complété par d’autres analyses pour
évaluer les limitations que pourraient rencontrer les phytotechnologies:
texture, pH, matière organique, carbonates, N total et assimilable, calcul
du rapport C/N, P assimilable, mesure de la teneur en eau du sol, CEC.
 Des éléments climatiques tels que le taux de précipitation annuel sur le
site, la répartition annuelle des précipitations et les températures sont
aussi des éléments à considérer. La connaissance de ces paramètres doit
servir à orienter le choix des espèces, les travaux du sol (décompactage,
etc.) et les pratiques agronomiques éventuelles à mettre en place
(fertilisation, irrigation, etc.).
Pour en savoir plus :
Guide traitabilité, ADEME (2009) ; ITRC phytotechnology technical and regulatory guidance
and decision free, http ://itrcweb.org/Documents/PHYTO-3.pdf
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 En fonction des activités historiques sur le site, les polluants recherchés
sont inorganiques (éléments traces, cyanures, sulfates, etc.) ou
organiques (HAP, PCB, pesticides, halogénochlorés, etc.).
33
 Plusieurs variantes de protocole sont à envisager en fonction de
l’état initial du sol (nu ou déjà végétalisé), de l’incorporation ou
non d’amendements et de l’usage prévu de la biomasse produite.
Cependant toutes les techniques de phytoremédiation possèdent
les mêmes principales étapes (cf. schéma).
 Lors de la définition du protocole de mise en place et d’entretien,
les aspects réglementaires pour les étapes de mise en œuvre et
de récolte et valorisation de la biomasse seront à considérer.
 L’entretien dépend: (i) des espèces plantées (arbre, arbuste,
herbacée); (ii) de l’objectif (valorisation de la biomasse,
restauration de la biodiversité. ..). Dans le cas des plantations de
saules et de peupliers, des désherbages réguliers sont à
envisager pour maitriser la concurrence herbacée.
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II-3) Protocole de mise en place et d’entretien
34
Principales étapes de la mise en œuvre d’une phytotechnologie
35
II-4) Avantages et limites des phytotechnologies
 la possibilité d’une valorisation foncière (ex. : aménagement
paysager pérenne et de la gestion in situ des terres par rapport
aux techniques nécessitant excavation et transport.
 De plus, l’apport d’une couverture végétale ↓ l’érosion, l’envol de
poussières, le lessivage des polluants et leur transfert vers la
nappe phréatique; maintient ou restauration µflore/faune
adaptée garante de la fonctionnalité des sols.
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 Les principaux avantages de ces techniques sont leur adéquation
avec les principes du développement durable (ex. : le site est
faiblement perturbé, utilisation à bon escient des ressources de
la nature) → écho favorable de l’opinion publique ;
36
 Les plantes n’ont accès qu’à une partie de la fraction totale
d’éléments traces. Les mécanismes de rechargement de cette
fraction et d’absorption par les plantes sont encore largement
méconnus → la phytoextraction est une technique de
dépollution partielle et cette limitation impacte le temps
nécessaire pour diminuer la contamination.
 La phytostabilisation peut se révéler efficace dans un délai court,
mais sa mise en place est réalisée pour une durée permettant de
justifier l’investissement: aménagement paysager pérenne,
gestion de la pollution en attendant de décider de l’usage futur,
gestion de la pollution couplée à l’exploitation de la biomasse…
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 On peut citer quelques limites: les plantes n’ont accès qu’aux
polluants qui se trouvent dans le sol colonisé par leurs racines
(de 30 cm à 1,5 m de profondeur selon l’espèce végétale).
37
 Cette hypothèse est testée en Europe. L’objectif des
phytotechnologies n’est plus seulement de dépolluer ou maitriser les
risques mais aussi d’apporter une plus-value au site en générant une
activité rentable: culture énergétique, hydrométallurgie, synthèse
écocatalysée de principes actifs.
 Cas spécifique de la multicontamination (polluants inorganiques et
organiques: HAP, PCB, solvants chlorés, dioxines, etc.). Les plantes et
les microorganismes rhizosphériques ou endophytiques associés
peuvent simultanément dégrader tout ou partie des polluants
organiques présents dans le sol.
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 La durée, qui peut apparaitre comme une contrainte, pourrait être
compensée par la valorisation du foncier via la valorisation
économique de la biomasse produite sur le site pollué ou la
valorisation écologique (aménagement paysager, restauration des
services écosystémiques).
38
II-5) Evaluation de la performance
 Concentrations en polluants dans les parties aériennes pour confirmer
le choix des espèces végétales et surveiller les concentrations pour les
espèces qui ont colonisé le milieu (en mg de polluant / kg de poids sec
de plante).
 Mobilité des polluants: les polluants sont mesurés dans la solution du
sol par rhizons ou extractions chimiques.
 Rendement en biomasse lorsque l’exploitation de la culture est
envisagée (en t/ha).
 Indicateurs physico-chimiques et agronomiques: pH, taux de matières
organiques, CEC…pour apprécier l’amélioration des propriétés du sol.
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 % de recouvrement au sol des espèces végétales (critère en lien avec
les objectifs de limitation d’érosion, envol des poussières, lessivage),
méthode de calcul visuelle.
39
 Identification et quantification des µorganismes inoculés pour vérifier
l’efficacité des amendements biologiques.
 Transferts dans les chaines trophiques terrestres; la biodisponibilité
ainsi que l’efficacité de remédiation peuvent être évaluées par des
méthodes utilisant des bioindicateurs tels que l’escargot vivant à
l’interface sol/ plante/ air (méthode ERITME).
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 Indicateurs de biodiversité µflore, flore, faune (richesse spécifique,
indice de Shannon…) si l’augmentation/restauration biodiversité visée.
40
Exemples
• Indice PhytoMet intègre les anomalies concernant les
concentrations foliaires As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn et tient compte
de l’écotoxicité potentielle de chacun de ces éléments.
• Méthode ERITME qui permet d’évaluer le risque global de
transfert de métaux du sol vers un organisme indicateur
(escargot) avant et après réhabilitation du site.
Pour en savoir plus :
Outils biologiques d’évaluation des risques pour les écosystèmes (éRé).
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• RHIZOtest développé pour déterminer la phytodisponibilité des
ETM. Essais inter-laboratoires → normalisation.
41
II-6) Arbre de décision
 Dans le cadre du plan de gestion du site pollué considéré, cet
arbre de décision intervient à l’étape du choix de la ou des
techniques à mettre en œuvre pour assurer la maitrise ou le
traitement des polluants en place, les étapes d’identification de
l’usage futur du site, de diagnostic de pollution du sol et
d’évaluation des risques sanitaires étant réalisées en amont.
 L’arbre de décision proposé ici vise à identifier parmi les
phytotechnologies disponibles, celle qui serait la plus pertinente
au regard des objectifs de gestion fixés pour le site (maitrise ou
réduction de(s) source(s) de pollution) et de la nature des
polluants présents sur la zone concernée.
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 La caractérisation du site a permis de déterminer si les
phytotechnologies pouvaient s’appliquer. Les limitations induites
par l’utilisation des plantes sont donc connues et acceptées.
42
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Arbre de décision
43
 Cet arbre de décision ne compare pas les
phytotechnologies aux techniques couramment
utilisées en gestion des sites pollués.
 Des outils d’aide à la décision sont en cours à
l’échelle européenne (ex : projets REJUVENATE et
GREENLAND). http://www.greenland-project.eu/
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 L’utilisation d’une technologie n’est pas exclusive
sur un site. Il peut s’avérer pertinent de gérer de
manière différenciée des zones du site.
44
 Circulaire du 8 février 2007 relative aux ICPE Prévention de la
pollution des sols — Gestion des sols pollués, précise l’activité
industrielle autorisée notamment via :
(i) la prévention de la pollution ;
(ii) la maîtrise des sources de pollution;
(iii) la maîtrise des risques induits par une situation de pollution
au regard des usages constatés ou des futurs usages du site
dans le cas d’une reconversion.
 Principes de gestion mis en œuvre en particulier lors de la cessation
d’activité des ICPE. Modalités de gestion et de réaménagement des
sites pollués → principes de gestion et méthodologie.
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II-7) Aspects règlementaires
► Gestion des sites pollués
45
http://w3.sites-pollues.ecologie.gouv.fr
http://www.developpement-durable.gouv.fr/
Législation/Cadre juridique
• Mise en place d’une politique de gestion et de protection du sol
Identifier, quantifier et limiter les perturbations et modifications du sol
Revaloriser et requalifier les sites pollués
• Cadre juridique européen, adopté en 2007 par le Parlement Européen
• Directive cadre sur les sols (COM(2006)232)
• Stratégie thématique sur les sols (COM(2006)231)
Enonce les principes communs de
protection des sols dans l’UE
• Cadre juridique français dans la gestion des sites et sols pollués
• Principe du pollueur payeur adopté en France par l'article 110-1, II, 3° en 2010 (1ère adoption
en 2000)
• Evolue vers une politique de gestion des risques au cas par cas avec
•
•
Evaluation simplifié des risques (ESR) définissant des seuils de pollution (VCI et VDSS pour ETM)
En 2008, évolution vers une démarche d’Interprétation de l’Etat des Milieux (IEM) prends en compte
voie d’exposition et les milieux
• Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE) par le code de
l'environnement, article L 511-1, alinéa 1er (dernière modification en 2011)
• Existence d’un portail « Sites et sols pollués » gérer par l’ADEME, l’INERIS, le BRGM et
l’IRSN
• Loi Grenelle 2 portant « engagement national pour l’environnement » fait référence à la maitrise
des risques et à la prise en charge des déchets
46
 Veiller à ce qu’il ne soit pas source de pollution (environnement et
personnes); dresser un schéma conceptuel, conduire un diagnostic et des
investigations pour caractériser les milieux (sol, eaux. . .), rechercher les
sources de pollution et interpréter l’état des milieux (IEM): s’assurer que
l’état des milieux étudiés ne présente pas un écart significatif par rapport à
la gestion sanitaire en place pour l’ensemble de la population française.
 Pour des installations en fonctionnement, parfois nécessaire de réaliser un
contrôle ponctuel ou une surveillance de l’environnement (étude d’impact).
Les résultats obtenus sont ensuite comparés: (i) à l’état de milieux naturels
voisins de la zone d’investigation ou à l’état initial si disponible; (ii) aux
valeurs de gestion réglementaires mises en place par les pouvoirs publics;
(iii) aux valeurs de gestion et aux dispositions réglementaires en vigueur.
 S’il apparait que le milieu est dégradé, une évaluation quantitative des
risques sanitaires est réalisée. A l’issue de l’lEM, dans le cas où certains
milieux présentent des niveaux de contamination conduisant à une
incompatibilité d’usage, alors un plan de gestion doit être mis en place.
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A) Site sans projet d’aménagement
47
B) Site qui fait l’objet d’un projet
d'aménagement futur avec nouvel usage
 Des travaux de dépollution, des aménagements spécifiques peuvent être
engagés pour s’assurer que le site, une fois réhabilité, sera sain pour les
futurs usagers. Cette démarche s’inscrit dans un plan de gestion basé sur
la maitrise des sources de pollution et de leurs impacts.
 Il est mis en place dans deux cas: (i) arrêt d’une ICPE et lorsqu’une
requalification d’usage est envisagée; (ii) si les résultats d’une IEM
concluent à une mise en œuvre de mesures de gestion. Nécessité de
produire un bilan coûts/avantages.
 Si une pollution résiduelle subsiste à l’issue des travaux ou
aménagements → analyse des risques résiduels menée pour valider la
compatibilité de cette pollution résiduelle avec les nouveaux usages.
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 L’objectif est de caractériser l’état des milieux en recherchant les
contaminations à prendre en compte dans le projet de réhabilitation.
48
 La mise en place d’une technique de phytoremédiation sur un sol
pollué peut nécessiter des travaux préalables de défrichement ou de
déboisement → examen par la Division Protection de la Nature,
Paysages et Biodiversité de la DREAL du respect de la réglementation
en matière de protection de la nature.
 Les textes stipulent la nécessité de faire une expertise écologique qui
caractérise l’état initial des milieux concernés par le projet. Si cette
expertise met en évidence la présence d’espèces protégées, le
demandeur du projet a 3 choix: (i) renoncer au projet; (ii) le modifier
pour supprimer les impacts directs et indirects sur les espèces
protégées, leurs conditions de vie et habitats; (iii) maintenir son projet
en réduisant les impacts sur les espèces protégées et leur habitat →
conception d’un dossier relatif à une autorisation exceptionnelle
portant sur des espèces protégées.
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II-7) Aspects règlementaires
► Travaux de préparation du terrain
49
 Les amendements sont utilisés pour assurer ou améliorer
la nutrition des végétaux ainsi que les propriétés des sols
et non pas pour stabiliser ou extraire les éléments traces
ou dégrader les polluants organiques.
 Réglementation et normalisation (norme européenne
engrais, homologation, autorisation provisoire de vente ou
importation du Ministère Agriculture et Pêche) encadrant
leur utilisation peuvent constituer une contrainte sur le
choix du type et quantité max. d’amendement à épandre
pour obtenir l’effet souhaité sur les polluants.
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II-7) Aspects règlementaires
► Amendements
50
 Le statut de la biomasse produite sur sol pollué (biomasse ou
déchet ?) constitue une question essentielle pour décider de son
mode de valorisation, et donc du coût ou du bénéfice qui pourra
en découler. Cette question n’est pas encore tranchée au plan
réglementaire (http://www.greenland-project.eu/)
 La biomasse produite sur un site phytostabilisé contient peu de
polluants: les plantes excluent les polluants ou présentent un
transfert limité dans leurs parties aériennes. Il est donc
envisageable que cette biomasse soit récoltée et valorisée
comme une biomasse dite « naturelle », dans le cadre, par ex. de
la filière bois-énergie ou d’une filière industrielle non alimentaire.
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II-7) Aspects règlementaires
► Gestion de la biomasse produite sur sols pollués
51
Plan du cours
II) Applicabilité des phytotechnologies
III) Phytostabilisation
IV) Phytoextraction
V) Phyto et rhizodégradation
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I) Notions générales
VI) Conclusions et perspectives
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
52
PHYTO-STABILISATION: III-1) Descriptif technique
● Technique in situ de gestion : immobilisation, stabilisation
mécanique et (bio)chimique des polluants inorganiques, et
non dépollution (cependant les risques sont réduits).
Transfert inexistant ou
réduit vers les parties
aériennes.
Peupliers
Les parties aériennes sont pas ou
peu contaminées → susceptibles
d’être consommées ou valorisées.
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● Combinaison possible (plantes + amendements) :
phytostabilisation aidée ou assistée.
(Dumat, 2014)
Les polluants sont
immobilisés dans
les racines et/ou
la rhizosphère.
↓ transferts horizontaux et
verticaux (lessivage) des polluants
et de leur biodisponibilité.
Les polluants sont concentrés dans
les racines et/ou rhizosphère.
53
54
[email protected]
Choix des espèces végétales
• Utilisation de plantes vivaces tolérantes aux ETM et non
accumulatrices présentant
• Un système racinaire dense et profond
• Une tolérance aux polluants présents
• Une faible translocation des polluants vers les parties
aériennes
• Une croissance rapide
• Un fort taux de reproduction
• Des avantages commerciaux/économiques pour rentabiliser
le site contaminé

Privilégier des espèces locales adaptées aux conditions
climatiques du site
55
• Possibilité de valoriser la biomasse aérienne
Exemple de dépollution par phytostabilisation
Miscanthus - Projet Phytener
Metaleurope, en cours
Peuplier - ANR Phytopop, en cours
Phytostabilisation sur un site
d’enfouissement de déchets – Québec, 2011
Chanvre industriel – Phytostabilisation d’un
site industriel en Haute Loire, 2010
Composition plante prairial – Projet de
phytostabilisation INERIS, 2009
56
III-2) Préconisations
 Les plantes doivent être de préférence :
- espèces locales, adaptées aux conditions climatiques du site, rustiques et
ubiquistes, sauf si le site a des conditions particulières (basique, salinité) ;
- vivaces pour que le sol soit recouvert quelque soit la saison. De plus, il est
préférable que leur système racinaire soit dense et profond pour
augmenter le contact avec les particules de sol et les polluants.
 Plantes herbacées, arbustes ou arbres (on met alors en place une
couverture herbacée en plus).
 Les espèces invasives sont à proscrire. Le choix des espèces se base sur
le futur usage du site (aménagement paysager, culture de plantes non
alimentaire) puis sur le type de valorisation retenue.
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 Les espèces végétales utilisées en phytostabilisation doivent posséder 2
caractéristiques: (i) peu ou pas de transfert vers les parties aériennes;
(ii) résistance aux polluants présents (nature et concentration). C’est le
cas des plantes de la famille des poacées.
57
Association des filières de valorisation et des espèces de plantes
utilisées pour la phyto-stabilisation
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Miscanthus
58
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Association des polluants avec des amendements (préconisés ou à éviter)
59
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Exemples de coûts de mise en œuvre de phyto-stabilisation
(sur une surface de un hectare)
60
Description des trois exemples de situation de phyto-stabilisation
(état initial / état final)
Protocole de mise en œuvre d’une phyto-stabilisation assistée ou non
61
• La réussite de la phytostabilisation dépendra des choix des espèces
végétales et amendements, potentialités du sol (qualité du sol ; réserves en
eau et O2), conditions climatiques, attaques des ravageurs... Il est
recommandé de faire réaliser les travaux par des professionnels
(agriculture, agro-foresterie, espaces verts). Puis protection éventuelle des
cultures (gibiers, etc.), entretien de la culture, récolte, transport,
valorisation éventuelle de biomasse; surveillance à réaliser pour vérifier
l’efficacité de la phytostabilisation.
• Les itinéraires techniques envisagés correspondent aux itinéraires existants
pour les cultures fourragères, grandes cultures, taillis à courte (ou très)
rotation (TCR; TTCR). Les engins et matériels utilisés sont identiques à ceux
des espaces verts, l’agriculture et la foresterie.
• Durée effective des travaux de mise en place de la phytostabilisation aidée
sur un hectare: 1-3 semaines. La mise en place de la phytostabilisation sur le
site se calera sur les optimums de semis ou de plantations des boutures: (i)
graminées, les semis en septembre-octobre; (ii) boutures de saules ou
rhizomes de miscanthus en mars-avril.
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Faisabilité technique et financière
62
• Mesure du couvert végétal qui doit être de l’ordre de 100 %;
transferts des polluants (ex. : plantes, sol, nappe) qui doivent être
réduits a une valeur minimale. Eventuellement, rendement en
biomasse. La performance dépend, tout comme l’entretien, des
objectifs de valorisation (économique ou écologique).
• La phytostabilisation étant une solution de gestion sur le long terme
des sites et sols pollués → évaluation régulière de l’efficacité des
plantes et des éventuels amendements.
• Pour évaluer les effets positifs de la phytostabilisation, des
indicateurs biologiques sont utilisés (plantes, vers de terre). Suivis:
(i) qualité du couvert végétal (nombre d’espèces, occurrence,
recouvrement du sol); (ii) teneur en N, P…; (iii) transfert résiduel des
polluants (ex. : plantes, sol) ; (iv) apports éventuels des polluants à la
nappe et aux eaux de ruissellement. Suivi de l’écosystème via l’étude
de la biodiversité et de la fonctionnalité du sol.
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Performance - Analyse des risques et surveillance
63
III-3) Applications
• Chaux, calcaire, compost, grenaille d’acier, zéolites, cendres volantes, boues
rouges, oxydes de Fer, fer zéro-valent, grenaille de fer, boues de papeteries,
déchets de l’industrie betteravière et vinicole, charbon, bio-solides,
dolomite, amendement sidérurgique, tourbe, apatites, etc.).
• Poacées (agrostide, pâturin, fétuque, ray-grass, canche, blé, orge, maîs, etc.)
seules ou en mélange avec d’autres espèces herbacées, arbustives ou
arborées (cytise, luzerne, lotier, bouleau, aulne, saule, peuplier, pin, etc.).
Des légumes racines ou feuilles ont également été testés.
• Les REX → possible de sélectionner un couple plante-amendement efficace
pour une situation donnée: phytostabilisation assistée opérationnelle.
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• En Europe, trois-quarts des projets ont permis de tester des amendements
en combinaison avec des plantes (phytostabilisation aidée).
64
Ex1: Phytostabilisation aidée sur le site de Salsigne
Nature de l’activité et pollution: Flottation, pyrométallurgie et cyanuration. As
Société : S.M.P.C.S. puis S.E.P.S.
Usage envisagé du site : retour en espace naturel.
66
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Ex2 : Phytostabilisation aidée sur le site de Fresne sur Escault
68
69
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Plan du cours
II) Applicabilité des phytotechnologies
III) Phytostabilisation
IV) Phytoextraction
V) Phyto et rhizodégradation
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I) Notions générales
VI) Conclusions et perspectives
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
71
PHYTOEXTRACTION
IV-1) Descriptif technique
Utilisation in situ de plantes qui accumulent les polluants inorganiques
dans leurs parties aériennes récoltables → réduction des
concentrations de polluant dans les sols: dépollution assistée ou non.
Translocation des
polluants vers les parties
aériennes suite à
l’absorption racinaire.
Polluants absorbés
par les racines.
(Dumat, 2014)
Les parties aériennes sont
contaminées . Voir même hyperaccumulation → Récolter et traiter.
↓ quantités de polluants
dans le milieu.
- Mais ↑ possible de la
biodisponibilité.
73
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Choix des espèces végétales: transfert significatif de polluants
vers les parties aériennes; croissance rapide et production de
biomasse élevée; résistance aux polluants (nature et
concentration); facilement récoltables. Plantes herbacées,
arbustes , arbres. Les espèces invasives sont à proscrire.
• Hyper-accumulatrices stockent dans leurs parties aériennes des
concentrations de polluants dix fois plus élevées que celles
habituellement rencontrées. Peu fréquentes dans le règne
végétal, en général un seul élément est hyper-acc : sélectionner
plusieurs espèces aux capacités de stockage complémentaires. A
l’exception de quelques espèces, les hyperaccumulateurs sont
des plantes à croissance lente et à plus faible biomasse que les
non hyperaccumulatrices.
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IV-2) Préconisations
74
• Plantes à cycle court ou pérenne → plusieurs récoltes
des parties aériennes enrichies en polluants dans
l’année; espèces locales, adaptées aux conditions
climatiques du site ; non appétantes, pour ne pas être
mangées par les animaux herbivores: empêcher le
transfert des polluants clans la chaine alimentaire.
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• Accumulatrices à forte biomasse: herbacées à
croissance rapide utilisées en grande culture ou arbres à
croissance rapide dont le système racinaire est profond.
Ces espèces ne stockent généralement pas plus de 2
polluants dans leurs parties récoltables. Les arbres, en
particulier, présentent une forte variabilité dans leur
capacité de stockage des éléments traces.
75
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Association des polluants avec des plantes pour la phytoextraction et leurs
valorisations potentielles.
76
Amendements chimiques ou biologiques
• Plantes non hyperaccumulatrices à forte production de biomasse: maïs, colza;
possible d’extraire des métaux peu mobiles (Pb, U). Variation selon l’espèce. Les
mécanismes responsables de cette augmentation ne sont pas élucidés.
• Substances chimiques: agents chélatants, acides organiques: citrique ou
oxalique…), engrais acidifiant les sols (ex. sulfate d’ammonium). acide éthylene
diamine tétra-acétique (EDTA); éthylene-diamine-di-succinate (EDDS /
solubilisation de Cu, Zn), acides diéthylene triamine pentaacétique (DTPA) et
nitrilotri-acétique (NTA).
• Pour compenser les carences dans les sols agricoles, des complexes EDTA-métaux
ajoutés dans les fertilisants (Fe-EDTA par ex.). L’ensemble des produits est utilisé
en arboriculture, maraichage, horticulture, viticulture, pépinières et grandes
cultures. Certains des produits (ex. acides organiques) entrent dans la
composition de produits phytosanitaires ou biocides appliqués sur le sol, les
feuilles et par incorporation dans les substrats.
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• ↑ rendement de phytoextraction: ↑ mobilité des polluants dans le sol, absorption
racinaire puis translocation. Augmentation de la biomasse des plantes.
77
• Bactéries et champignons mycorhiziens (bio-augmentation). Certains
µorganismes produisent des bio-surfactants, des sidérophores ou des
acides organiques qui augmentent la mobilité des polluants dans le sol.
D’autres µorganismes agissent sur la biomasse des plantes en
produisant des phytohormones qui vont faciliter leur croissance ou des
antibiotiques qui vont inhiber les agents pathogènes.
• Bactéries rhizosphériques induisant la croissance des plantes (Plant
growth-promoting rhizobacteria, PGPR) ou bactéries endophytiques et
champignons mycorhiziens.
• Etudes de laboratoire: un inoculum de µorganismes (culture pure ou coculture) est injecté dans le sol proche des racines de la plante test ou
dans lesquelles l’inoculation est réalisée par trempage ou par injection
directe des µorganismes dans les racines ou dans les graines. Les
résultats de ces études sont contrastés. Ex. inoculation d'une espèce de
saule avec champignon a augmenté la biomasse du saule (racines et
parties aériennes) et la quantité de Cd et Zn stockée dans sa biomasse
aérienne, par rapport au contrôle non inoculé.
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Amendements biologiques
78
Etude de faisabilité technique et financière
• La réalisation d’un diagnostic de la pollution sur une profondeur
d’environ 50 cm (zone moyenne accessible par les racines des
plantes) ainsi qu’une caractérisation agronomique du sol permettra
la sélection des plantes appropriées en fonction de la nature des
polluants présents et en adéquation avec la typologie du sol.
• De ce diagnostic découlera la nécessité d’utiliser ou non un
amendement pour augmenter la mobilité des polluants dans le sol
ou le rendement en biomasse des plantes.
• Les facteurs environnementaux comme les conditions climatiques,
les attaques de ravageurs, les maladies, etc. peuvent diminuer le
rendement attendu en biomasse des plantes.
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• La réussite de la phytoextraction dépendra du choix des espèces,
mais surtout des propriétés du sol (fertilité du sol, pH, CEC, réserves
en eau, O2) qui affectent la mobilité des polluants.
79
• Pour réussir l’établissement et le maintien des cultures et obtenir le
rendement attendu, il est recommandé de faire réaliser les travaux
par des professionnels (agriculture, agroforesterie, espaces verts).
• Des modèles permettent d’estimer la durée nécessaire (en années)
pour diminuer la concentration totale de polluant dans un sol.
• Le coût dépend des conditions initiales du site qui vont conditionner
les travaux a réaliser, du diagnostic initial du site en termes de
pollution, de la surface du site, de l’incorporation ou non
d’amendement, du type et de la quantité d’amendement à
incorporer et du type de végétation à implanter. A cela, il faudra
ajouter l’entretien de la culture, le coût de la récolte et son transport
éventuel et les éventuels coûts ou bénéfices liés à la valorisation de
la biomasse ou des polluants contenus dans la biomasse.
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Etude de faisabilité technique et financière
80
Analyse des risques et surveillance
• Plusieurs paramètres sont à suivre:
(i) qualité du couvert végétal mis en place pour vérifier le rendement en
biomasse et phytoextraction attendu;
(ii) éléments nutritifs (Ca, Mg…) dans les parties aériennes car les amendements
chimiques peuvent entrainer des carences en éléments nutritifs;
(iii) (Transfert de produits (polluants ou chélatants) vers les eaux;
(iv) Concentrations des polluants dans les parties aériennes des plantes.
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• Pour évaluer les propriétés écotoxicologiques des sols, on peut citer les bioessais normalisés utilisant des plantes ou des vers de terre.
Dans le cas ou il n’y a pas de désherbage prévu, des espèces végétales autres que
celle(s) sélectionnée(s) sont susceptibles de s’établir sur le sol pollué: mesurer les
concentrations en polluants (Cd, Zn) dans les parties aériennes des plantes les plus
abondantes en fonction aussi de leur appétence pour les animaux herbivores.
81
• La plante idéale pour la phyto-extraction doit être tolérante aux
concentrations d’éléments traces accumulés, accumuler les
polluants dans les parties aériennes, avoir une croissance rapide,
une biomasse importante et être facilement récoltable.
• Un protocole de phytoextraction possible est : culture des espèces
de plantes appropriées sur le site pollué, fauchage de la biomasse
récoltable enrichie en polluants et valorisation ou élimination de la
biomasse récoltée.
• Plantes hyper-accumulatrices: Noccea, T. caerulescens, Arabidopsis,
Alyssum murale, différents genres et cultivars de saules et peupliers,
des herbacées à forte biomasse du type tabac, tournesol, maïs,
colza, sorgho, moutarde indienne, Pelargonium, etc.
• Quelques essais encourageants pour modifier génétiquement des
plantes (tournesol, tabac) et les rendre plus efficaces en
phytoextraction. Production de mutants non génétiquement
modifiés obtenus par mutagénese et sélection in vitro.
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IV-3) Applications
82
Exemple de coûts pour la mise en œuvre d’une phytoextraction
(sur une surface d’un hectare)
83
Protocole de mise en œuvre d’une phyto-extraction (assistée ou non)
84
Evaluation de la performance
• La quantité de polluants extraite par la plante par unité de surface et
de temps est mesurée pour évaluer la performance.
• La plante performante pour extraire les polluants du sol a un
système racinaire dense et profond, un facteur de bioconcentration
> 1, un facteur de translocation > 1 et un rendement en biomasse
comparable a celui obtenu sur sol non pollué.
• La phytoextraction étant une solution de dépollution sur le long
terme, l’évaluation de l’efficacité doit être régulière.
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• Calcul des facteurs de bioconcentration (calculé à partir de la
fraction totale ou échangeable dans le sol) et de translocation.
85
Ex3 : Phytoextraction sur le site de Avinières
Usage envisagé du site: nouvelle filière verte.
Société Recylex (ex-Metaleurop): recyclage Zn, Pb et plastique.
87
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88
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Plan du cours
II) Applicabilité des phytotechnologies
III) Phytostabilisation
IV) Phytoextraction
V) Phyto et rhizodégradation
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I) Notions générales
VI) Conclusions et perspectives
► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle:
- Quizz et exercices.
- Cours + dossier de documents complémentaires.
89
PHYTO et RHIZOdégradation
PHYTO et RHIZOdégradation
► assistée ou non
PHYTOdégradation
dégradation ou transformation
des polluants organiques par la
plante.
Translocation éventuelle
des polluants vers les
parties aériennes suite à
l’absorption racinaire.
RHIZOdégradation
dégradation ou transformation
des polluants organiques par
des µorganismes
(Dumat, 2014)
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Récolte de la biomasse
éventuellement enrichie
en polluants.
V-1) Descriptif technique
90
91
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 Deux modes:
(i) Rhizodégradation des polluants organiques grâce à la stimulation de
l’activité des µorganismes de la rhizosphère: la plante fournit la source
de C nécessaire à la croissance de la µflore rhizosphérique (bactéries,
champignons saprotrophes) via son exsudation racinaire et permet
l’aération du sol.
(ii) Phytodégradation des polluants organiques dans la plante elle-même,
à travers son activité métabolique, au niveau des parties aériennes
et/ou racinaires (ce qui suppose alors l’absorption du polluant au
préalable), ou en dehors de la plante via la production d’enzymes extraracinaires (exsudats).
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 Technique in situ utilisant des plantes et µorganismes pour dégrader
des polluants organiques en constituants élémentaires (minéralisation).
 Enzymes impliquées dans la biodégradation: deshalogénases,
oxygénases, laccases, peroxydases, nitrilases, nitroréductases.
92
 Les paramètres influant la biodégradation des polluants
organiques sont la fertilité du sol : structure, teneur en matières
organiques, rapport C/N, pH, biodisponibilité des polluants.
 Les plantes agissent sur les polluants organiques en les absorbant
et les dégradant ou pour les polluants organiques faiblement
absorbés en favorisant la croissance et l’activité des µorganismes
(bactéries et champignons saprotrophes) qui les dégradent. Les
champignons mycorhiziens peuvent aussi favoriser la
rhizodégradation en favorisant survie et croissance des plantes.
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 Traiter de larges surfaces de sols faiblement contaminés (phytotoxicité des polluants). Horizons de surface colonisés par les
racines. Elle peut aussi être utilisée sur site sur des terres
excavées, en complément d’autres techniques de remédiation ou
dans une phase finale de re-végétalisation.
93
V-2) Préconisations
96
V-3) Applications
Ex4: Rhizodégradation (atténuation naturelle assistée)
sur le site de Homecourt (usage envisagé: plate forme expérimental)
98
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99
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VI) Conclusions et Perspectives
• Avantages des phytotechnologies
•
•
•
•
•
•
Faibles couts : 10 à 100 fois moins couteuse que les procédé classique
Un traitement d’une gamme diversifiée de polluants (ETM, HAP, solvants produits phyto)
Intérêt paysager
Technique passive aucun apport énergétique
Maintien de la structure du sol
En adéquation avec la politique de développement durable et les engagements du Grenelle
de l’Environnement
• Inconvénients
•
•
•
•
•
Durée de traitement (plus de 5 ans)
Spécificité des techniques vis-à-vis polluants / milieux / climat
Profondeur d’enracinement  technique adapté pour le traitement de l’horizon supérieur
Importance de la fluctuation saisonnière
Risque de transfert sur la chaîne alimentaire.
Re-fonctionnalisation des sols moyennement pollués,
zones urbaines…
100
Pour aller plus loin
• ADEME :Agence De l’Environnement et de la Maitrise de
l’Energie
• ANSES : Agence Nationale de Sécurité Sanitaire
Alimentation, Environnement, Travail
• APPA : Association pour la Prévention de la Pollution
Atmosphérique
• INERIS : Institut National de l’Environnement Industriel et des
Risques
• InVS : Institut de Veille Sanitaire
• IRSN : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
• BRGM
• Etc…
101