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Toxicité et tolérance des plantes aux métaux lourds
Toxicité Les symptômes de toxicité associés aux métaux lourds sont peu différents de ceux produits par différents types de stress. Le premier effet des métaux lourds introduits dans la rhizosphère va se traduire par une interaction avec les autres composants ioniques du sol (Cseh, 2002). Les métaux peuvent alors précipiter avec des ligands anioniques ou entrer en compétition avec d’autres cations pour des sites de liaison de la paroi pecto-cellulosique des cellules racinaires.Dû au fait que la paroi présente une considérable capacité d’échange des cations, le premier effet des métaux lourds sera l’inhibition ou la stimulation de l’absorption des cations, causant des changements significatifs du métabolisme (par exemple un stress dû à la déficience en fer) (Cseh, 2002). L’effet le plus habituel et le moins spécifique des métaux lourds consiste en une réduction de la croissance des différentes parties de la plante. Selon l’importance du stress, les feuilles peuvent présenter une chlorose due à la fois à une perte de chlorophylle, à une relative augmentation des caroténoïdes et à une déficience en fer (Romanowska, 2002). Dans les cas les plus sévères, une apparition de tâches nécrotiques est observée (Fodor, 2002). Ces effets apparents résultent en fait d’une altération de processus vitaux tels que le transport et le métabolisme. Ainsi, une diminution de la conductivité hydraulique racinaire associée à la fermeture des stomates entraîne une réduction de la transpiration (Poschenrieder et al., 1989 ; Barcelo et Poschenrieder, 1990 ; Haag-Kerwer et al., 1999) ; il en découle une réduction de la fourniture en éléments minéraux dont les nitrates et, de ce fait, une perturbation du métabolisme azoté des feuilles (Gouia et al., 2000 ; Klobus et al., 2002). Les métaux induisent également un abaissement de la photosynthèse qui résulte soit d’un effet direct sur le transport des électrons et les enzymes du cycle de Calvin (en particulier de la Rubisco) soit d’un effet indirect, en raison d’une diminution de la teneur en chlorophylle (Stobart et al., 1985 ; Van Assche et Clijsters, 1986 ; Chatterjee et Chatterjee, 2000 ; Mysliwa-Kurdziel et Strzalka, 2002 ; Romanowska, 2002).
Tolérance Un nombre restreint de plantes se révèlent capables de se développer sur des sols fortement contaminés par les métaux lourds. C’est en 1885 que le botaniste allemand Baumann observa que certaines espèces accumulaient ainsi dans leurs feuilles des quantités extraordinairement élevées de zinc. Ces espèces rencontrées sur des sols naturellement riches en éléments métalliques ont été utilisées comme indicateurs lors de prospections minières. A ce jour, 397 espèces accumulatrices de métaux divers ont ainsi été répertoriées (Salt et al., 1998). La tolérance aux métaux peut être assurée par plusieurs mécanismes différents, à savoir par une chélation ou précipitation avec des ligands à haute affinité, localisés sur la paroi cellulaire ou à l’intérieur du cytoplasme (formation de complexes avec des peptides, des acides organiques ou des ions inorganiques), par séquestration du métal dans la vacuole des cellules foliaires ou des trichomes, ou par exclusion ou excrétion active du métal (Lindberg et Greger, 2002).
Effets du cadmium sur la physiologie des plantes
Chez les plantes, le cadmium n’a aucune fonction biologique connue (Pokorny et al., 2004). Le cadmium induit une accumulation de composés phénoliques insolubles, comme la lignine dans les vaisseaux de xylème réduisant ainsi le transport ascendant de l’eau et des éléments nutritifs (Chaoui et El Ferjani, 2004). La fermeture stomatique est due essentiellement aux variations du potentiel de turgescence dans les cellules de garde. Elle se déclenche suite à une accumulation des ions Ca2+ dans le cytosol des cellules de garde (MacRobbie et Kurup, 2007). Le cadmium provoque également une réduction de la transpiration ainsi qu’une augmentation de la résistance stomatique accompagnée d’un accroissement de la teneur en acide abscissique (ABA) (Sharma et al., 2002 ; Fediuc et al., 2005). Le cadmium forme avec les phytochélatines des complexes de faible masse moléculaire (Low Molecular Weight (LMW)). Ces complexes entrent dans la vacuole par l’intermédiaire d’un transporteur tonoplastique du type ABC et s’agrègent les uns aux autres pour former des complexes de masse moléculaire élevée (High Molecular Weight (HMW)). A droite, le Cd induit la production de radicaux libres qui sont des formes très réactives de l’oxygène (ROS : Reactive Oxygen Species) qui seront désintoxiquées dans les peroxysomes.
Principe de la technique de phytoremédiation
Connue sous le nom de phytoremédiation «phyto» = plante et «remedium» = rétablissement de l’équilibre, remédiation, la phytoremédiation est définie comme l’utilisation de plantes pour extraire ou transformer les polluants organiques et aussi inorganiques (plus particulièrement les métaux lourds) (Salt et al., 1998). La phytoremédiation est une technologie émergeante qui utilise les plantes ou les microorganismes de la rhizosphère pour extraire, transformer ou stocker les polluants contenus dans les sols, les sédiments, les eaux souterraines ou de surface et même l’atmosphère (Susarla et al., 2002).
Impacts négatifs des élodées
Les élodées suite à leurs importantes capacités de reproduction végétative forment rapidement des populations très denses sur plusieurs mètres de profondeur (Pieret et Delbart, 2009). Ces massifs induisent une altération rapide du milieu aquatique aussi bien physico-chimique que biotique (Toussaint, 2005). Ainsi, l’interception des rayons lumineux incidents à la surface de l’eau est fortement réduite (Pieret et Delbart, 2009).
– La présence de l’espèce induit rapidement un monospécifisme du milieu (Pieret et Delbart, 2009).
– La densité des populations formées bloque aussi la diffusion de l’oxygène de l’air causant des conditions anaérobiques du milieu, préjudiciables pour la macrofaune et la microfaune aquatiques (Pieret et Delbart, 2009).
– Elle provoque également une accélération de la sédimentation des matières organiques et donc l’eutrophisation. Un envasement des milieux peut ensuite être observé (Pieret et Delbart, 2009).
– Les élodées peuvent causer une réduction de l’écoulement de l’eau, ainsi que la réduction de la valeur récréative des plans d’eau (Pieret et Delbart, 2009).
– Les proliférations de populations mono-spécifiques des différentes espèces d’élodées peuvent entraîner des dysfonctionnements des milieux aquatiques, telles les anoxies périodiques (Tiphaine Saint –Maxent, 2002).
– Les herbiers d’élodées peuvent également être une gêne physique pour la pêche : les hameçons et les fils s’emmêlant dans les tiges de plantes. Cependant aucune référence ne signale ce type de problèmes (Tiphaine Saint –Maxent, 2002).
Dosage de l’activité Glutathion S-Transférase (GST)
Le dosage de la glutathion S-transférase est réalisé par la méthode de (Habig et al., 1974), les échantillons sont homogénéisés dans un tampon phosphate à pH 6,5 et à 100mM et centrifugés à 9000g pendant 30 min. La méthode consiste à faire réagir les GSTS sur un mélange CDNB (20mM)-GSH (100mM), la variation de la densité optique due à l’apparition du complexe CDNB-GSH est mesurée toutes les 15 secondes pendant 2 minutes à 340nm. Les concentrations de la GST sont exprimées en nmole /min/ mg de protéines. Le Blanc est composé de 850 µl de tampon phosphate additionné de 50 µl de CDNB et de 100 µl de GSH.
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Table des matières
CHAPITRE I : Introduction Générale
1. Métaux lourds : Généralités
1.1.Mobilité et biodisponibilité des métaux
1.1.1. La teneur en argile
1.1.2. Le pH
1.1.3. Le potentiel redox (Eh)
1.2.Toxicité et tolérance des plantes aux métaux lourds
1.2.1. Toxicité
1.2.2. Tolérance
1.3.Comportement des métaux lourds dans la plante
1.3.1. Absorption racinaire
1.3.2. Translocation
1.3.3. Accumulation
2. Métaux lourds : Cas du Cadmium et Zinc
2.1.Cadmium
2.1.1. Effets du cadmium sur la physiologie des plantes
2.2. Zinc
2.2.1. Chélation du zinc dans la cellule
3. Le stress oxydant
3.1.Les systèmes de défenses antioxydants
3.1.1. Systèmes enzymatiques
3.1.2. Systèmes non enzymatiques
3.2.Implication des mitochondries dans le stress oxydatif des ROS
4. La phytoremédiation
4.1.Principe de la technique de phytoremédiation
4.2.Mécanismes de phytoremédiation
4.3.Le potentiel épuratoire des plantes aquatiques
5. Le stress chez les végétaux aquatiques
6. Objectif du travail
CHAPITRE II: Matériel et Méthodes
1. Matériel expérimental
1.1.Matériel biologique
1.1.1. Classification
1.1.2. Description
1.1.3. Répartition
1.1.4. Reproduction
1.1.4.1. Reproduction sexuée
1.1.4.2. Reproduction asexuée
1.1.5. Caractéristique spatiales
1.1.6. Impacts négatifs des élodées
1.2. Matériel expérimental chimique
2. Conduite de l’essai et traitements
3. Paramètres mesurés
3.1. La croissance pondérale
3.2. Dosage des protéines totales
3.3. Dosage des chlorophylles
3.4. Dosage de la proline
3.5. Dosages des biomarqueurs
3.5.1. Dosages enzymatiques
3.5.1.1. Préparation de l’extrait enzymatique
3.5.1.2. Dosage de l’activité Glutathion S-Transférase (GST)
3.5.2. Dosages non enzymatiques
3.5.2.1. Le Glutathion (GSH)
3.5.2.2. Dosage de l’activié Ascorbate-peroxydases (APX)
3.5.2.3. Dosage de l’activité catalase (CAT)
3.6. Etude du métabolisme photosynthétique
3.7. Etude du métabolisme respiratoire
3.8. Analyse statistique
CHAPITRE III: Résultats et Discussion
1. Évolution de la croissance pondérale chez « Elodea canadensis » traitée par le cadmium
2. Evolution du taux des protéines totales chez « Elodea canadensis » suite au traitement par le cadmium
3. Evolution du taux de la proline chez « Elodea canadensis » traité par le cadmium
4. Dosage de la GSH chez Elodea canadensis traitée par le cadmium
5. Dosage de la GST chez Elodea canadensis traitée par le cadmium
6. Effet du cadmium sur l’activité catalase
7. Effet du cadmium sur l’activité ascorbate peroxydase (APX)
8. Effet du cadmium sur la teneur en chlorophylle (a, b et a+b)
9. Effet du cadmium sur le métabolisme respiratoire
10. Effet du cadmium sur le métabolisme photosynthétique
11. Évolution de la croissance pondérale chez Elodea canadensis traitée par le Zinc
12. Evolution du taux de protéines totales chez Elodea canadensis suite au traitement par le Zinc
13. Evolution du taux de la proline chez Elodea canadensis traité par le Zinc
14. Dosage de la GSH chez Elodea canadensis traitée par le zinc
15. Effet du zinc sur l’activité GST chez Elodea canadensis traitées par le zinc
16. Effet du Zinc sur l’activité catalase
17. Effet du Zinc sur l’activité ascorbate peroxydase (APX)
18. Effet du zinc sur la teneur en chlorophylle (a, b et a+b)
19. Effet du zinc sur le métabolisme respiratoire
20. Effet du zinc sur le métabolisme photosynthétique
Discussion
CHAPITRE IV : Conclusion et Perspectives
CHAPITRE V : Références bibliographiques
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