Optimization of remediation processes using advanced toxicological methods. Optimisation des processus de remédiation à l'aide de méthodes toxicologiques avancées

Archive ouverte : Thèse

Jaskulak, Marta

Edité par HAL CCSD

The contamination of soil with heavy metals becomes a fast-rising issue worldwide and is caused primarily by anthropogenic activities. Most heavy metals degrade slowly and cannot be decomposed naturally, resulting in their long-lasting presence in the environment. As a result, they pose a direct threat to all food chain members. Thus, technologies involved in the effective remediation of contaminated areas are increasingly gaining importance. Assisted phytoremediation is a wildly accepted technology for the remediation of heavy metals from soil. It includes the use of hyperaccumulating plants and soil fertilization. In order to increase the efficiency of the assisted phytoremediation and at the same time deal with a constant rise in the quantity of produced wastewater worldwide, the application of sewage sludge to land is often seen as a viable option. Since large volumes of sewage sludge have to be disposed of or treated in some manner, its use as a fertilizer has become a more common practice in recent years. However, the safety of such action is still debated since sewage sludge is known to contain not only organic matter and macronutrients but also a vast scope of contaminants.The identification of mechanisms by which plants respond to metal exposure is a prime objective in plant research. The main aim of the thesis was to identify the mechanisms by which plants respond to real, complex metal exposure and to soil supplementation with complex waste products (manures, sewage sludge). The designed studies aimed to evaluate the impact of complex metal contamination on the level of abiotic stress, the activity of antioxidative enzymes, genotoxicity, and the expression of selected genes in higher plant species suitable for phytoremediation. The project's practical purpose was mostly focused on proposing new physiological biomarkers as short-term toxicity tests, which will allow more precise planning of the application of waste products into soil remediation processes. The overall goal of the experiments was also to identify the ways in which sewage sludge application is influencing plants on gene expression level (including the expression of metal chelators and metal transporters), to broaden our understanding of the environmental impact and safety of such action. Moreover, since phytoremediation has already entered the stage of modeling, the presented work highlights the main advantages and limitations of existing models, explores their applicability in given circumstances, and proposes a simple model for the prediction of cadmium removal during assisted phytoremediation with sewage sludge. . La contamination des sols par des métaux lourds devient un problème en augmentation rapide dans le monde entier et est principalement causée par les activités anthropiques. La plupart des métaux lourds se dégradent lentement et ne peuvent pas être décomposés naturellement, ce qui entraîne leur présence durable dans l'environnement. En conséquence, ils constituent une menace directe pour tous les membres de la chaîne alimentaire. Ainsi, les technologies impliquées dans l'assainissement efficace des zones contaminées gagnent de plus en plus en importance. La phytoremédiation assistée est une technologie largement acceptée pour l'assainissement des métaux lourds du sol. Cela inclut l'utilisation de plantes hyperaccumulables et la fertilisation des sols. Afin d'augmenter l'efficacité de la phytoremédiation assistée et en même temps de faire face à une augmentation constante de la quantité d'eaux usées produites dans le monde, l'épandage de boues d'épuration sur le sol est souvent considéré comme une option viable. Étant donné que de grands volumes de boues d'épuration doivent être éliminés ou traités d'une manière ou d'une autre, leur utilisation comme engrais est devenue une pratique plus courante ces dernières années. Cependant, la sécurité d'une telle action est toujours débattue car les boues d'épuration sont connues pour contenir non seulement de la matière organique et des macronutriments, mais également une vaste gamme de contaminants.L'identification des mécanismes par lesquels les plantes réagissent à l'exposition aux métaux est un objectif primordial de la recherche sur les plantes. L'objectif principal de la thèse était d'identifier les mécanismes par lesquels les plantes réagissent à une exposition réelle et complexe aux métaux et à la supplémentation du sol avec des déchets complexes (fumiers, boues d'épuration). Les études conçues visaient à évaluer l'impact d'une contamination métallique complexe sur le niveau de stress abiotique, l'activité des enzymes antioxydantes, la génotoxicité et l'expression de gènes sélectionnés dans des espèces végétales supérieures adaptées à la phytoremédiation. L'objectif pratique du projet était principalement de proposer de nouveaux biomarqueurs physiologiques comme tests de toxicité à court terme, ce qui permettra une planification plus précise de l'application des déchets dans les processus d'assainissement des sols. L'objectif général des expériences était également d'identifier les façons dont l'application des boues d'épuration influence les plantes au niveau de l'expression des gènes (y compris l'expression des chélateurs métalliques et des transporteurs de métaux), afin d'élargir notre compréhension de l'impact environnemental et de la sécurité d'une telle action. De plus, la phytoremédiation étant déjà entrée dans la phase de modélisation, les travaux présentés mettent en évidence les principaux avantages et limites des modèles existants, explore leur applicabilité dans des circonstances données, et propose un modèle simple pour la prédiction de l'élimination du cadmium lors de la phytoremédiation assistée avec des boues d'épuration.

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