Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de biotechnologie environnementale LBE)

A phytoremediation approach to remove pesticides (atrazine and lindane) from contaminated environment

Marcacci, Sylvie ; Schwitzguébel, Jean-Paul (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2950.

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    Summary
    The present thesis is part of a project exploring new possibilities to remediate soils polluted by insecticide lindane and herbicide atrazine. It is the Indo-Swiss project entitled "Development of Phytoremediation Techniques Using Interactive Potential of Plant and Microbial Activities for Pesticides Hexachlorocyclohexane (HCH) and Atrazine". The purpose of this project was to address the problems of contamination of sites, agricultural soils, groundwater, surface water, and agricultural food products with recalcitrant pesticides, whose production and use are steadily increasing in India due to rapid economic development, industrialization and enhanced food production over the last 20 years. Preliminary experiments showed that vetiver was resistant to 20 ppm atrazine for 6 weeks, even with a maximum bioavailability created by the use of a hydroponic system. Atrazine resistance could be explained by plant metabolism, dilution of active ingredient into plant biomass, chloroplastic resistance, and sequestration of atrazine before it reaches its target site in leaves. It was found that vetiver thylacoids were sensitive to atrazine, excluding therefore chloroplastic resistance. Plants known metabolism of atrazine relies on hydroxylation mediated by benzoxazinones, conjugation catalyzed by glutathione-S-transferases and dealkylation probably mediated by cytochromes P 450. Therefore, these metabolic pathways were explored in vetiver to understand its resistance to atrazine and to evaluate benefits or risks of phytoremediation. Plant metabolism took place in vetiver: small amounts of dealkylated products were found in roots and leaves, and conjugated atrazine was detected mainly in leaves, confirming in vitro tests. No benzoxazinones were detected in plant extracts, in agreement with the absence of hydroxyatrazine in vetiver organs. Altogether, these metabolic studies suggest that hydroxylation was not an important metabolic pathway in vetiver: the plant behaved more like a related species, sorghum, where conjugation clearly dominates on dealkylation. Under transpiring conditions, conjugation in leaves was important, but under non-transpiring conditions, it is suspected that atrazine and its metabolites could be trapped in roots according to the partition-diffusion law. Over-concentration of atrazine was observed in oil from roots grown in soil, suggesting that during plant ageing, partition may play a non negligible role in retaining atrazine from agricultural runoff. Atrazine metabolism study was successfully conducted in entire vetiver plants thanks to hydroponic system. However, such a system had limitations for understanding plant effect on atrazine removal from a soil environment. Limitation of hydroponic system was also observed for the study of γ-HCH (lindane) disappearance from the medium by the species chilli and coriander, but for other reasons: persistence of lindane in soil is not easily transposed to persistence in water. Lindane was stripped by the air sparged in hydroponic solution for roots respiration. Mineral components of hydroponic medium might have catalyzed lindane hydrolysis. Plant effect on lindane disappearance was thought to be mainly adsorption/partition in roots and enhanced hydrolysis thanks to increased pH solution by root secretions. Despite of limitations of hydroponic system, it was concluded that lindane concentration could be lowered in soils because of active change of pH in root rhizosphere. The use of a hydroponic system is a first step toward comprehensive fate of pesticides in plants, but is also a useful tool for assessment of phytotreatment of industrial wastewater, agricultural runoff, surface and groundwater contaminated with pesticides.
    Résumé
    La thèse présentée fait partie d'un projet ayant pour but d'explorer de nouvelles possibilités de dépolluer des sols contaminés par des pesticides. Ce projet indo-suisse s'intitule "Développement de techniques de phytoremédiation exploitant le potentiel interactif des plantes et de leurs activités microbiennes en vue de la biotransformation des pesticides hexachlorocyclohexane (HCH) et atrazine". Ces pesticides récalcitrants se retrouvent dans des sites industriels, des terres agricoles, des nappes souterraines, des eaux de surface et dans les denrées alimentaires. L'utilisation et la production de pesticides en Inde a considérablement augmenté ces vingt dernières années, sans doute en relation avec le rapide développement agricole, industriel et économique de ce pays, aboutissant à une contamination environnementale accrue. Des expériences préliminaires sur le vetiver ont montré que cette plante était résistante à 20 ppm d'atrazine dissous dans un milieu hydroponique, où la biodisponibilité de l'herbicide était maximale. La résistance à l'atrazine d'une plante peut être l'expression de plusieurs phénomènes comme la capacité métabolique de la plante, une dilution de la matière active de l'herbicide dans la biomasse, une résistance chloroplastique, ou encore une séquestration racinaire empêchant l'herbicide d'atteindre sa cible située dans les feuilles. Les expériences ont montré que des thylacoides de vetiver étaient sensibles à l'atrazine, excluant d'emblée une résistance chloroplastique. De ce fait, nous nous sommes intéressé à la métabolisation de l'atrazine dans la plante; les trois principales voies connues sont l'hydroxylation par les benzoxazinones, la conjugaison par des transférases de glutathion, et la déalkylation vraisemblablement catalysée par des cytochromes P 450. Ces voies métaboliques ont donc été explorées pour comprendre le phénomène de résistance du vetiver à l'atrazine, mais aussi pour évaluer les risques et/ou les bénéfices de la phytoremédiation. Peu de produits déalkylés ont été trouvés dans le vetiver, en regard de conjugués. La plus forte capacité métabolisante a été observée in vivo dans les feuilles de vetiver, et cette observation a été confirmée par des activités in vitro de conjugaison d'extraits de cette plante. En revanche, l'hydroxylation de l'atrazine ne semble pas être une voie métabolique importante. Aucune benzoxazinone n'a été détectée, et des extraits de vetiver se sont avérés incapables d'hydroxyler l'atrazine. Il semble que le métabolisme du vetiver soit similaire au sorgo, un proche parent, où la conjugaison domine et confère à la plante sa tolérance à l'herbicide. Il est cependant particulier que les racines de vetiver produisent une huile essentielle, dans laquelle l'atrazine se partitionnait aisément. Dans des conditions non transpirantes, la partition pourrait être le principal facteur permettant au vetiver d'accumuler l'atrazine dans le milieu environnant. Cette huile est produite seulement dans les racines de vetiver qui se sont développées dans un sol, et non pas en hydroponie. L'étude du métabolisme de l'atrazine dans un système hydroponique a été menée avec succès. En revanche, un tel système ne permet pas de tirer des conclusions concernant la capacité du vetiver à décontaminer un sol pollué par de l'atrazine. Les limites d'utilisation d'un système hydroponique ont aussi été observées dans le cas du γ-HCH (lindane), mais pour des raisons différentes: le lindane dans la solution hydroponique passait en phase gazeuse à cause du bullage du milieu pour oxygéner les racines. De plus, nous avons soupçonné que les nutriments minéraux des plantes ont contribué à l'hydrolyse du lindane en solution aqueuse. La disparition du lindane du milieu était donc multifactorielle, et les seuls effets de la plante étaient difficilement quantifiables. Une estimation a permis de conclure que les phénomènes d'adsorption/partition sur les racines, ajoutés aux capacités de la coriandre et du piment d'élever le pH de la solution ont certainement contribué à la disparition du lindane de la solution hydroponique. Cependant, malgré ses limitations, le système hydroponique est un premier pas vers la compréhension du devenir de pesticides dans les plantes, et permet d'évaluer leurs capacités pour le traitement d'eaux industrielles, de drainage agricole, des eaux de surface et de nappes phréatiques.