Espèces végétales innovantes pour la phytorestauration dans les zones humides construites

Introduction : La promesse de la phytorestauration dans les zones humides construites

Les milieux humides construits sont des écosystèmes conçus qui reproduisent les processus naturels des milieux humides pour traiter les eaux usées, les eaux pluviales et les effluents industriels.En exploitant les interactions entre l'eau, le substrat, les plantes et les microorganismes, ces systèmes offrent une alternative peu énergétique, rentable et respectueuse de l'environnement aux méthodes de traitement classiques.Le moteur biologique central de toute zone humide construite est sa végétation.Les plantes non seulement fournissent une structure physique et un transfert d'oxygène mais aussi effectuent phytoremediation[— l'absorption, la transformation ou la stabilisation directes des contaminants.

Comprendre les zones humides construites et la phytorémédiation

Types de zones humides construites

Les milieux humides construits sont généralement classés en deux plans hydrauliques : la surface libre de l'eau (FWS) et le débit souterrain (SSF). Les milieux humides du FWS ont des zones d'eau libre avec une végétation émergente; les milieux humides du SSF comprennent un débit horizontal ou vertical à travers un milieu poreux, souvent avec une aération par zone racinaire.

Mécanismes de phytorémédiation

Les plantes contribuent à la réhabilitation par plusieurs mécanismes complémentaires:

• Phytoextraction: Capture de contaminants (p. ex. métaux lourds) dans les tissus récoltables.
• Rhizofiltration: Adsorption ou précipitation de polluants sur les surfaces racinaires.
• Phytostabilisation:[ Immobilisation des contaminants dans la zone racine pour réduire la mobilité.
• Phytodégradation:[ Ventilation des polluants organiques à l'intérieur des tissus végétaux ou par exsudats racinaires.
• Phytovolatilisation:[ Conversion des contaminants en formes volatiles et rejet dans l'atmosphère.
• [L'activité microbienne améliorée] Les racines dégagent du carbone et de l'oxygène, ce qui stimule la dégradation microbienne des nutriments et des organiques.

Il est donc essentiel de choisir les bonnes espèces végétales pour un mélange de contaminants donné pour optimiser ces voies interdépendantes.

Espèces végétales traditionnelles et innovatrices

Les plantes humides classiques comme Typha latifolia (piste à feuilles larges), Phragmites australis[ ( roseau commun) et Juncus effususus[ (fuite molle) sont utilisées depuis des décennies parce qu'elles sont robustes, à croissance rapide et largement efficaces. Toutefois, elles ont des limites : de nombreuses luttes dans des environnements à haute salinité, ont des taux d'accumulation de métaux modestes ou sont moins efficaces contre les contaminants émergents comme les produits pharmaceutiques.

Espèces végétales innovatrices pour une phytorémédiation améliorée

Salicornia europaea (Glasswort)

Salicorne europaea est un succulent halophyte qui prospère dans les marais salés et les zones humides saumâtres. En tant que candidat émergent à la phytorestauration, il démontre une tolérance exceptionnelle à la salinité élevée (jusqu'au niveau de l'eau de mer) et peut accumuler des quantités importantes de métaux lourds, y compris le cadmium, le cuivre et le zinc dans ses pousses. Sa capacité à osmoreguler par des solutés compatibles le rend idéal pour traiter les effluents salins, comme ceux provenant du drainage agricole ou de la transformation des fruits de mer.

Typha orientalalis (Cattail)

Bien que de nombreuses espèces de typha soient traditionnelles, Typha orientalalis (souvent confondues avec T. latifolia) se distingue par son rendement exceptionnellement élevé en matière de production de biomasse et d'élimination des nutriments. Il peut absorber jusqu'à 200 kg N/ha/an et 50 kg P/ha/an dans des conditions optimales.Sa grande rhizosphère soutient des populations robustes de bactéries nitrifisantes et dénitrifiantes.

Phragmites australis (Reed commun)

Phragmites australis est déjà un cheval de bataille dans les milieux humides construits, mais des recherches récentes mettent en évidence des utilisations novatrices, notamment sa capacité à dégrader les micropolluants organiques tels que l'ibuprofène, le nonylphénol et les pesticides par l'intermédiaire d'enzymes exsudées (peroxidases, laccases). De plus, certains écotypes démontrent une tolérance élevée au sel, permettant le traitement de l'eau produite par les opérations pétrolières et gazières.

Juncus effususus (Soft Rush)

Juncus effusus est une plante émergente polyvalente connue pour son potentiel d'accumulation de métaux élevé, particulièrement pour le cadmium, le nickel et le zinc. Elle prospère dans des sols mal drainés et peut tolérer des conditions d'écoulement hydrique avec une faible disponibilité en oxygène. Des études récentes ont démontré que Juncus effusus améliore l'élimination de l'azote et du phosphore dans les zones humides à débit de surface qui traitent le ruissellement agricole.

Scirpus validus (Burousse de stem)

Scirpus validus (également connu sous le nom de Schoenoplectus tabernaemontani[) est un colonisateur agressif dans les milieux humides d'eau douce. Il a démontré une grande efficacité dans l'élimination des polluants organiques (p. ex., le benzène, le toluène et le xylène) par biodégradation améliorée par la rhizosphère. Ses tiges robustes et son tapis racinaire étendu fournissent une capacité de traitement à l'année, même dans les climats tempérés où certaines espèces meurent. De plus, il accumule des métaux traces avec une forte préférence pour le cuivre et le manganèse.

Avantages de l'utilisation d'espèces innovatrices

L'adoption de ces espèces procure des avantages mesurables sur les plantations traditionnelles de monocultures :

• Élimination améliorée des polluants :[ Action ciblée contre les métaux lourds, les sels et les micropolluants organiques que les espèces standard manipulent mal.
• Une plus grande tolérance :[ La capacité de survivre dans des milieux fortement contaminés ou hypersalinisés étend l'applicabilité des zones humides aux sites industriels et côtiers.
• Croissance rapide:[ Une production élevée de biomasse augmente les taux d'absorption des polluants et réduit les besoins en superficie.
• Efficacité du coût:[ Besoin moindre d'additifs chimiques et consommation d'énergie réduite par rapport au traitement mécanique; surveillance minimale de l'opérateur.
• Valeur de la biodiversité :[ L'intégration de multiples espèces peut créer un habitat pour la faune et accroître la résilience du système contre les ravageurs et les fluctuations climatiques.

Combinés à une conception hydraulique et à un prétraitement appropriés, les espèces végétales innovantes peuvent transformer les milieux humides construits en unités de traitement de l'eau à haute performance.

Défis et considérations

Malgré leurs promesses, les espèces végétales innovantes posent des défis qu'il faut gérer :

• Établissement et compétition :[ Certains halophytes et hyperaccumulateurs peuvent être surcomplétés par des plantes indigènes agressives au début; une densité de plantation et un contrôle des mauvaises herbes sont nécessaires.
• Dépôt et élimination :[ Les plantes qui accumulent des métaux lourds doivent être récoltées périodiquement pour éliminer les contaminants; l'élimination de la biomasse doit être conforme aux règlements concernant les déchets dangereux si les concentrations de métaux dépassent les seuils de sécurité.
• Climatic adapte:[ De nombreuses espèces nouvelles sont adaptées à des climats spécifiques (p. ex., La salinité préfère les marais salés tempérés); le déploiement à grande échelle dans les zones tropicales ou arides peut nécessiter des recherches supplémentaires.
• Limitation des nutriments:[ Dans certaines eaux usées, des charges élevées de sel ou d'origine organique peuvent inhiber la croissance; des modifications ou des périodes d'acclimatation peuvent être nécessaires.

Les essais pilotes spécifiques au site sont essentiels avant leur mise en oeuvre à grande échelle.

Orientations futures et recherche

Le domaine de la phytorémédiation dans les zones humides construites progresse rapidement.

• Amélioration génétique:[ Installations d'élevage ou d'ingénierie ayant une absorption plus élevée de polluants, des taux de dégradation plus rapides et une plus grande tolérance au stress.
• Microbiome ingénierie:[ Sélection d'espèces végétales qui enrichissent spécifiquement les communautés microbiennes dépolluantes dans la rhizosphère.
• Trains de traitement combinés:[ Intégrer des plantes innovantes avec des systèmes électrocinétiques ou bioélectrochimiques pour améliorer l'élimination des contaminants (études récentes sur les zones humides dans l'eau du MDPI.
• Valorisation de la biomasse à faible coût :[ Utiliser les tissus végétaux récoltés pour compenser les coûts de traitement.
• Adaptation climatique:[ Sélection d'espèces pouvant faire face à une variabilité de température accrue et à des précipitations extrêmes.

La collaboration entre les ingénieurs des zones humides, les physiologues des plantes et les microbiologistes permettra à la prochaine génération de milieux humides construits de devenir plus efficaces, plus résilients et plus viables sur le plan économique.

Conclusion

En allant au-delà des monocultures traditionnelles et en intégrant des espèces innovantes comme Salicorne europaea, Typha orientalalis[, Phragmites australis[, Juncus effusus[ et Scirpus validus, les praticiens peuvent obtenir un retrait supérieur des métaux lourds, des sels, des nutriments et des contaminants organiques émergents.Chaque espèce offre des avantages uniques – de la tolérance au sel à la dégradation organique – qui peuvent être mis à profit pour relever des défis spécifiques au site.

Pour plus de renseignements sur les principes de conception et les études de cas, consulter le EPA Design Manual for Constructed Wetlands et les revues scientifiques récentes.