Typha domingensis, la quenouille du Sud, une plante des marais de roseaux qui habite les eaux douces à légèrement saumâtres et mesure environ 2,5 m de haut, peut extraire jusqu’à 34 fois plus de manganèse du sol contaminé que d’autres plantes trouvées dans des environnements similaires. Dans une étude récente, il a accumulé entre 10 et 13 fois plus de manganèse que d’autres plantes naturelles des zones humides telles que l’hibiscus, les carex et les joncs, démontrant son potentiel d’utilisation dans la réhabilitation durable des zones touchées par les résidus de mines de fer.
Un article sur l’étude est publié dans le Journal de la production plus propre par des scientifiques du Collège d’agriculture Luiz de Queiroz de l’Université de São Paulo (ESALQ-USP) au Brésil et des collaborateurs.
Selon l’article, T. domingensis est très efficace en phytoremédiation, notamment grâce à sa capacité à piéger le manganèse, un micronutriment potentiellement toxique qui peut constituer un danger écologique majeur.
L’analyse effectuée par les chercheurs a montré que la quantité de manganèse correspondait à 6 858 milligrammes par kilogramme (mg/kg) dans les pousses de la plante, contre une moyenne de 200 mg/kg pour les autres espèces.
Le travail de terrain a été mené à Regência sur l’estuaire du fleuve Doce, dans l’État d’Espírito Santo, une zone inondée par une partie des 50 millions de mètres cubes de déchets miniers de fer rejetés lors de l’éclatement du barrage de résidus de Fundão en novembre 2015 dans la localité de Mariana, Minas Gerais ( un État voisin d’Espírito Santo), provoquant la pire catastrophe environnementale de l’histoire du Brésil.
La catastrophe a touché 41 villes du Minas Gerais et d’Espírito Santo et 19 personnes sont mortes. Les déchets toxiques ont atteint l’estuaire environ deux semaines plus tard et on estime qu’ils ont contaminé 240,8 hectares de forêt tropicale atlantique et tué 14 tonnes métriques de poissons. De nombreux projets et programmes ont été lancés depuis pour tenter d’atténuer les dégâts, mais l’estuaire est toujours contaminé.
L’étude a montré que les usines de l’estuaire ont extrait 147 tonnes métriques de manganèse, soit 75,7 tonnes par hectare (t/ha).
Une étude antérieure menée dans le même domaine et publiée dans le Journal des Matériaux Dangereux en janvier 2022 a montré que les mêmes plantes éliminaient de plus grandes quantités de fer du sol et de l’eau contaminés que Hibiscus tiliaceus, un arbre de 4 à 10 m à fleurs jaunes souvent appelé hibiscus de plage.
« Nous travaillons sur le Doce depuis 2015 et avons bien appréhendé la dynamique géochimique de plusieurs métaux contenus dans les résidus, tels que le fer, le manganèse et d’autres éléments potentiellement toxiques. Cela nous donne l’opportunité d’avancer dans la planification de plus stratégies d’assainissement efficaces pour ces zones contaminées. Les connaissances accumulées dans ces études seront utilisées non seulement pour réhabiliter les zones dégradées, mais aussi pour formuler des stratégies d’agromines comme contribution à une exploitation minière plus durable », a déclaré Tiago Osório Ferreira, dernier auteur des deux articles. Agência FAPESP. Ferreira est professeur au département des sciences du sol de l’ESALQ-USP.
La phytoremédiation implique l’utilisation de plantes pour extraire et éliminer les polluants élémentaires ou réduire leur biodisponibilité dans le sol. L’agrominage consiste à cultiver des plantes capables de stocker des métaux dans leurs racines et leurs feuilles afin d’extraire ces métaux à des fins industrielles. En accord avec le concept d’économie circulaire, cette extraction naturelle répond à deux objectifs à la fois : produire des métaux et détoxifier les sols. La technique est peu utilisée actuellement. Un certain nombre de projets d’agromines sont en cours en Australie, par exemple.
« Nous savions grâce à des recherches menées par d’autres que le manganèse est un problème dans la région, contaminant l’eau, le sol et les poissons. Lorsque nous sommes allés dans la zone touchée par les résidus de minerai de fer, nous nous attendions à trouver que T. domingensis et Eleocharis acutangula [Acute spikerush] accumulé plus de manganèse que H. tiliaceus, une espèce d’arbre trouvée dans la région, mais les résultats ont montré que T. domingensis peut accumuler 13 fois plus de manganèse dans ses parties aériennes que les deux autres espèces. Le processus a eu moins d’impact via la plaque de fer racinaire [a form of physiological adaptation whereby iron oxide precipitates to form iron plaque on the surface of the plant’s roots] », a déclaré Amanda Duim Ferreira, première auteure des deux articles.
Selon la dernière étude, T. domingensis a accumulé 18 mg/kg dans les racines et 55 mg/kg dans la plaque de fer.
Les plantes adaptées aux milieux humides captent l’oxygène de l’atmosphère via leurs parties aériennes et le transfèrent aux racines via un tissu poreux appelé aérenchyme. Cette oxygénation entretient le système racinaire, responsable de l’ancrage ainsi que de l’ingestion d’eau et de sels minéraux.
L’absorption de matière organique par les plantes favorise la dissolution de l’oxyde de manganèse, et la libération de protons peut déclencher la dissolution du carbonate de manganèse. D’autre part, les plantes aquatiques peuvent également oxyder leur rhizosphère (la zone entourant les racines des plantes où la biologie et la chimie du sol sont influencées par les racines) en raison du transport interne d’oxygène vers les racines pour éviter l’hypoxie. Ce processus peut réduire la biodisponibilité du manganèse.
Méthodes
Les chercheurs ont mesuré les paramètres physico-chimiques du sol (pH de la rhizosphère, pH global du sol et potentiel redox) ainsi que la teneur en carbone organique total. Ils ont également extrait le manganèse du sol sous des sites naturellement végétalisés par les trois espèces végétales et effectué un fractionnement géochimique du manganèse dans les sols étudiés.
Les niveaux de manganèse ont été mesurés dans les racines, la partie aérienne et les plaques de fer des plantes. Des facteurs de bioconcentration et de translocation ont été déterminés pour estimer leur capacité à agir comme hyperaccumulateurs de manganèse et leur utilisation potentielle dans les programmes de phytoremédiation.
« Ces découvertes ouvrent un éventail de possibilités pour l’utilisation de la phytoremédiation. La connaissance des mécanismes d’absorption peut être une base pour cultiver T. domingensis via différentes stratégies pour obtenir des résultats optimaux. Nous sommes passés de la phytoremédiation à l’agrominage en poursuivant cette recherche « , a déclaré Tiago Osório Ferreira, qui dirige le groupe de recherche sur la géochimie des sols de l’ESALQ-USP.
Duim Ferreira, qui effectue un stage de recherche à la North Carolina State University (NCSU) aux États-Unis, se concentre sur les techniques de culture de T. domingensis afin d’optimiser son potentiel de phytoremédiation. « Nous appliquons plusieurs techniques sur la base de ce que nous savons du meilleur moment pour planter et du nombre de récoltes par an pour augmenter la production de biomasse et éliminer le plus de manganèse et de fer », a-t-elle déclaré.
La plante continue d’accumuler de grandes quantités de métaux pendant des années, a-t-elle ajouté. Le barrage a cédé en 2015 et des prélèvements sont effectués dans l’estuaire chaque année depuis 2019 (en août 2021 et février 2022).
Amanda Duim Ferreira et al, Dépistage des piégeurs naturels de manganèse : Potentiels divergents de phytoremédiation des plantes des zones humides, Journal de la production plus propre (2022). DOI : 10.1016/j.jclepro.2022.132811