Évaluation de l'équation de Nye-Tinker-Barber pour la modélisation du prélèvement de cadmium par le maïs et le tabouret calaminaire, Modelling cadmium uptake by maize (Zea mays L.) and penny-cress (Thlaspi caerulescens J. & C. Presl)

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Sous la direction de Jean-Louis Morel, Corinne Leyval
Thèse soutenue le 14 septembre 2006: INPL
Ce travail vise à améliorer la compréhension des transferts des éléments traces métalliques du sol vers les végétaux par une approche modélisatrice mécaniste. Le modèle est basé sur des équations définissant les processus de mobilisation-transport de l’élément dans le sol, eux-mêmes pilotés par la diminution de la concentration en solution sous l’influence de l’absorption d’eau et de soluté par la plante. Le modèle a été éprouvé grâce à des cultures de maïs (12 et 24 jours) et de tabouret calaminaire (3 mois) en conditions contrôlées dans un sol agricole contaminé artificiellement par du CdSO4. L’offre du sol a été évaluée par le biais d’extractions chimiques, par des isothermes d’adsorption ou de désorption, ou encore par les cinétiques d’échange isotopique. Cette dernière méthode, conceptuellement la mieux adaptée a été validée expérimentalement. La demande du maïs et du tabouret a été étudiée en hydroponie grâce au traçage isotopique du Cd. Chez le maïs, l’influx racinaire de Cd augmente linéairement avec le métal en solution. D’autre part, l’influx est (i) 3 fois plus important dans des solutions où la compétition ionique est moindre (faible proportion d’oligo-éléments), (ii) 2,7 fois supérieur chez des plants âgés de 12 j par rapport à des plants de 24 j, (iii) 1,4 fois supérieur lorsque mesuré en 2 h au milieu de la journée comparé à une période de 24 h, (iv) non affectée par l’exposition préalable des plantes au Cd. Chez le tabouret calaminaire, entre 70 et 87 % du Cd racinaire semble localisé à l’extérieur du compartiment symplasmique. Le modèle, très sensible aux différentes fonctions d’absorption racinaire, a sous-estimé de 12 et 18 % les prélèvements des maïs âgés respectivement de 12 et 24 j et sous-estimé le prélèvement du tabouret d’un facteur trois. Les paramètres de l’absorption racinaire restent difficiles à acquérir et expliquent en partie la divergence entre les prélèvements simulés et mesurés
-Plante
-Convection
-Diffusion
-Sol
-Absorption racinaire
-Pouvoir tampon
This mechanistic modelling approach aimed to understand the soil-to-plant trace element transfers. The model solves diffusion-convection equation of cadmium (Cd) within the soil under the influence of the depletion of the solution concentration during plant absorption. A growth chamber experiment was conducted with a loamy cultivated soil enriched with CdSO4. Roots and shoots were collected after 12 and 24 days for maize and after 3 months for penny-cress. The soil offer (or phytoavailability) was assessed thanks to chemical extractions, adsorption or desorption isotherms, and isotopic exchange kinetics. The latter method has been validated by the simulations. The plant demand was studied by radiolabelling in hydroponic cultivations for both plants. Maize root influx increased linearly with Cd concentration in the solution. Moreover, root influx was (i) 3 fold higher in low ionic competition solutions, (ii) 2,7 fold higher in 12-days-old plants than in 24-days-old, (iii) 1,4 fold higher in the middle of the day in comparison with the full-day period, (iv) not influenced by Cd exposure during cultivation. Between 70 and 87% of Cd seemed located in the apoplasm of the penny-cress roots. Although the model tested different root absorption functions, the simulations underestimated by 12 and 18% the 12-days-old and the 24-days-old maize uptakes respectively, and by a factor 3 the penny-cress uptake. This divergence is partly due to the difficulties in estimating root absorption parameters, witch need more research
-Plant
-Soil
-Diffusion
-Convection
-Root absorption
-Buffer power
Source: http://www.theses.fr/2006INPL036N/document
Publié le : lundi 24 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie et des Industries Alimentaires
Ecole Doctorale Ressources, Procédés, Produits et Environnement
Laboratoire Sols et Environnement ENSAIA-INPL/INRA UMR 1120
THÈSE
Présentée en vue de l’obtention du titre de Docteur de l’INPL
en Sciences Agronomiques
Par
Jérôme PERRIGUEY
Modélisation du prélèvement de cadmium par le
maïs (Zea mays L.) et le tabouret calaminaire
(Thlaspi caerulescens J. & C. Presl)
Soutenue publiquement le 14 septembre 2006 devant la commission d’examen
composée de :
Michel Mench Directeur de Recherche, INRA Bordeaux Rapporteur
Erik Smolders Professeur, Université de Leuven Rapporteur
Jacques Le Bot Chargé de Recherche, INRA Avignon Examinateur
Jean-Louis Morel Professeur, ENSAIA-INPL Vandoeuvre Directeur
Corinne Leyval Directeur de Recherche, CNRS Nancy Codirectrice
Thibault Sterckeman Ingénieur de Recherche, INRA Vandoeuvre Examinateur iie n’est pas parce que les choses sont difficiles que
nous n’osons pas, c’est parce que nous n’osons C pas qu’elles sont difficiles.
(Sénèque)
La théorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne.
La pratique, c'est quand tout fonctionne et que personne ne
sait pourquoi.
(A. Einstein)
iiiivRemerciements
A long time ago, in a galaxy far, far away…
La thématique de modélisation du prélèvement des éléments du sol par les plantes a
été initiée il y a quelques années à l’ENSAIA, lorsque Jean Louis Morel a effectué son post-
doctorat auprès de S.A. Barber. Le modèle de Barber-Cushman a permis par la suite des
travaux originaux au laboratoire sur le prélèvement du cadmium par les végétaux dans le
cadre d’un D.E.A et d’une thèse en 1989 et 1990. Par la suite, Thibault Sterckeman m’a
proposé de reprendre un sujet passionnant en veille depuis quelques années au LSE.
Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Jean Louis Morel, directeur du
laboratoire Sols et Environnement, pour la confiance et l’autonomie qu’il m’a accordées tout
au long de mon apprentissage à la recherche. Nos échanges réguliers et ses encouragements
m’ont été d’un grand soutien.
J’exprime toute ma gratitude à Thibault Sterckeman, co-directeur de la thèse, pour
m’avoir transmis sa passion, un peu de sa rigueur scientifique et pour m’avoir formé à la
mesure. Merci infiniment pour votre bienveillance inégalable, vos conseils avisés dans les
phases de réflexion et d’expérimentation et vos relectures consciencieuses dans toutes les
situations. Merci enfin, pour votre enthousiasme et votre sympathie pour ces quelques années
durant lesquelles j’ai tant appris à vos côtés.
Je tiens à témoigner toute ma reconnaissance à Corinne Leyval qui m’a accompagné
tout au long du projet par ses conseils, et m’a permis de m’enrichir au sein du LIMOS.
Jean-Yves Grimal en participant aux comités de pilotage a également contribué à la
réalisation de ce travail. Merci de m’avoir aidé à dépoussiérer les systèmes pour la culture
hydroponique et pour sa mise en place.
Je remercie également Christophe Robin pour les conseils prodigués pour les cultures
hydroponiques. L’intérêt qu’il a porté à ce travail a permis d’initier des réflexions
constructives et d’améliorer mon questionnement scientifique.
vJ’exprime mes remerciements également à Christophe Schwartz et Catherine Schmitt
pour les précieuses suggestions qu’ils m’ont apportées, en particulier pour la culture de T.
cærulescens, et pour l’apport des graines de Thlaspi.
Merci à Catherine Giauffret, Cyril Bauland et Jacques Laborde de l’INRA d’Estrées
Mons pour leurs recommandations agronomiques et la fourniture des semences de maïs.
J’adresse mes remerciements à Marie Béatrice Bogeat de l’INRA de Nancy pour son
aide dans la caractérisation des systèmes racinaires.
Un grand merci à Alain Rakoto (« j’ai des racines à extraire du sol, ça te dit ? »),
Bernard et Stéphane Colin pour leur ingéniosité et leur soutien technique.
Frantz Fournier, sans qui mon petit modèle serait probablement resté une boite noire, a
su me guider avec beaucoup de patience et de pédagogie vers une véritable modélisation. Je
lui suis profondément reconnaissant pour ses généreuses leçons de maths et de
programmation.
Je souhaite remercier Géraldine Bidard et Marie Paule Norini pour leur aide précieuse
pour l’utilisation des outils de biologie moléculaire. Mais je tiens également à remercier pour
leur convivialité et leur amitié les autres personnes croisées au LIMOS : Pierre, Babou, Zaz,
Judicaël.
Merci Delphine pour tes encouragements et tes nombreux conseils pour l’après thèse,
et un grand merci à Mathieu pour avoir supervisé mon vocabulaire mathématique.
Je remercie François Bartoli et Didier Stemmelen pour ces discussions passionnées et
passionnantes, qui m’ont amené à affûter mes connaissance sur la théorie de la diffusion.
Merci à Yves Le Roux pour son aide dans le traitement statistique.
Enfin je remercie les membres du jury, en particulier les rapporteurs Michel Mench et
Erik Smolders, ainsi que Jacques Le Bot, pour le temps qu’ils ont bien voulu consacrer au
jugement et à l’amélioration de ce mémoire.
Merci à Tanegmart Redjala, que j’ai eu la chance d’encadrer, pour sa contribution à
cette thèse. Outre son implication et son dynamisme au travail, je la remercie vivement pour
les discussions scientifiques interminables très plaisantes que nous avons pu avoir.
viJe remercie l’ensemble du personnel du laboratoire qui a contribué de près ou de loin à
cette thèse. Je tiens à remercier Liliane Laurent pour son attention quotidienne et son
efficacité redoutable. Je pense également à tous mes amis thésards ou stagiaires pour tous les
moments formidables passés au labo (ou à l’extérieur !) : Iyad, Valérie, Clémence, Arnaud,
Geoffroy, Vanessa, Abdul, Sandrine, les Sophie,…
Rien de tel que le badminton pour réoxygéner quotidiennement le cerveau et le corps,
merci Olivier de m’avoir fait autant courir durant ces années !
Cette aventure on l’a commencée ensemble, et on la termine de la plus belle façon
avec ces dernier mois de rédaction mutualiste. La route est encore longue avant de devenir
Hokage, mais on sait déjà toi et moi que le meilleur reste à venir. Longue vie à notre amitié,
mon Nico !
Il me reste à remercier mes parents, pour le soutien et la confiance qu’ils m’ont
accordés tout au long de mes études. Qu’ils trouvent ici le témoignage de ma reconnaissance
et de mon amour. Merci à mes frères et leur épouse d’avoir fait le déplacement pour assister à
ma soutenance, et merci d’avoir posé des questions !
Merci Marie d’être là avec tant de délicatesse, d’attention et de patience ! Maintenant
permets moi de guider tes pas au son d’un gotan.
viiviiiRésumé
Ce travail vise à améliorer la compréhension des transferts des éléments traces métalliques du
sol vers les végétaux par une approche modélisatrice mécaniste. Le modèle est basé sur des
équations définissant les processus de mobilisation-transport de l’élément dans le sol, eux-
mêmes pilotés par la diminution de la concentration en solution sous l’influence de
l’absorption d’eau et de soluté par la plante. Le modèle a été éprouvé grâce à des cultures de
maïs (12 et 24 jours) et de tabouret calaminaire (3 mois) en conditions contrôlées dans un sol
agricole contaminé artificiellement par du CdSO . L’offre du sol a été évaluée par le biais 4
d’extractions chimiques, par des isothermes d’adsorption ou de désorption, ou encore par les
cinétiques d’échange isotopique. Cette dernière méthode, conceptuellement la mieux adaptée
a été validée expérimentalement. La demande du maïs et du tabouret a été étudiée en
hydroponie grâce au traçage isotopique du Cd. Chez le maïs, l’influx racinaire de Cd
augmente linéairement avec le métal en solution. D’autre part, l’influx est (i) 3 fois plus
important dans des solutions où la compétition ionique est moindre (faible proportion d’oligo-
éléments), (ii) 2,7 fois supérieur chez des plants âgés de 12 j par rapport à des plants de 24 j,
(iii) 1,4 fois supérieur lorsque mesuré en 2 h au milieu de la journée comparé à une période de
24 h, (iv) non affectée par l’exposition préalable des plantes au Cd. Chez le tabouret
calaminaire, entre 70 et 87 % du Cd racinaire semble localisé à l’extérieur du compartiment
symplasmique. Le modèle, très sensible aux différentes fonctions d’absorption racinaire, a
sous-estimé de 12 et 18 % les prélèvements des maïs âgés respectivement de 12 et 24 j et
sous-estimé le prélèvement du tabouret d’un facteur trois. Les paramètres de l’absorption
racinaire restent difficiles à acquérir et expliquent en partie la divergence entre les
prélèvements simulés et mesurés.
Mots clés : plante – sol – diffusion – convection – absorption racinaire – pouvoir tampon
ix

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