Phytoextraction

Mis à jour : 12/03/2020
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Principe

La Phytoextraction consiste à extraire des polluants présents dans le sol à l’aide d’espèces végétales, avec ou sans ajout d’amendements. Les plantes absorbent les polluants du sol via leurs racines, transfèrent et accumulent les polluants dans leurs parties aériennes récoltables (tiges, feuilles), ce qui permet de réduire les concentrations de polluant dans les sols. Il s’agit d’une dépollution partielle car la plante n’a accès qu’à la fraction biodisponible des polluants (ADEME - INERIS (2012) et BRGM (2010)).

Caractéristiques
Mise en œuvre : In situ
Nature : Méthode biologique
Matrices: 
  • Sol
Domaines d'application : 
  • ZNS
Termes anglais : phytoextraction
Polluants traités : 
  • Métaux/Métalloïdes
  • Radionucléides
Description

Le but de la Phytoextraction est de réduire les concentrations des polluants dans les sols en utilisant les plantes pour leur capacité à extraire et stocker les polluants biodisponibles, de préférence dans leurs parties récoltables. La biomasse enrichie en polluants est récoltée et traitée, voire valorisée, dans le cadre de filière bois-énergie ou une filière industrielle non alimentaire (gazéification, bioraffineries, solvolyse, hydro-métallurgie, combustion, pyrolyse, méthanisation calcination, valorisation en métallurgie ou en biosynthèse… certaines de ces filières faisant encore l’objet de recherches.

Figure 1 - Schéma du principe de la phytoextraction.

Figure 1 - Schéma du principe de la phytoextraction.

Les plantes herbacées, les arbustes ou les arbres peuvent être utilisés, certaines plantes hyperaccumulatrices ont également été mises en évidence pour certains polluants.

Des amendements peuvent être utilisés sur site afin d’augmenter les performances de la Phytoextraction, on parle alors de phytoextraction aidée ou assistée. Leur rôle vise par exemple à augmenter la mobilité des éléments traces pour faciliter leur absorption par les plantes ou bien à créer les conditions agronomiques nécessaires pour permettre la croissance des plantes et augmenter leur biomasse.

Ils peuvent être de deux types :

  • les amendements chimiques (agents chélatants biodégradables ou engrais acidifiants les sols),
  • les amendements biologiques (bactéries, champignons mycorhiziens).
Moyens

Les moyens matériels nécessaires à la Phytoextraction sont essentiellement ceux inhérents à la culture des plantes (matériel agricole).

Paramètres de suivi

Les paramètres de suivi sont les suivants :

  • la qualité du couvert végétal : type et nombre d’espèces, présence d’espèces colonisatrices, rendement en biomasse,
  • les concentrations en polluants dans les sols,
  • les concentrations en polluants dans les plantes (végétation sélectionnée et espèces colonisatrices),
  • les concentrations en éléments nutritifs (calcium, magnésium…) dans les parties aériennes des plantes,
  • les concentrations en polluants dans les milieux de transfert (essentiellement les eaux de surface ou souterraines et les poussières),
  • les concentrations en chélatants (amendements) et les complexes de ces produits avec les éléments traces métalliques dans les eaux de surface ou souterraines,
  • la qualité agronomique des sols : pH, taux de matière organique, humus, taux NPK…,
  • le suivi pourra également comporter une surveillance de l’écosystème via l’étude du transfert dans les premiers niveaux des réseaux trophiques (animaux herbivores et leurs prédateurs).

La nature et la fréquence de suivi sont à adapter en fonction de la pollution, de la fréquence des récoltes, des risques et des objectifs de protection visés (ressource en eau, écosystème).

Variantes

La Phytoextraction peut être complétée par de la Phytostimulation/Rhizodégradation de polluants organiques en cas de présence de pollution complexe. L’activité des microorganismes présents au niveau des racines est stimulée par la présence de la plante et notamment par l’augmentation de l’infiltration des eaux et de l’aération.

La Phytoextraction peut également être complétée par la Phytodégradation de polluants organiques en cas de présence de pollution complexe. Lors de la Phytoextraction, les polluants organiques sont transférés dans les parties aériennes où ils peuvent être transformés.

La Phytostabilisation est une autre technique de phytorémédiation qui permet de gérer une pollution due à des éléments traces métalliques en les immobilisant et en empêchant leur transfert vers d’autres milieux. Ce n’est pas une méthode de dépollution mais un mode de gestion.

Enfin, la Phytovolatilisation est également une technique de phytorémédiation permettant la dépollution de certains polluants organiques ou inorganiques. Dans ce cas, les plantes absorbent puis éliminent par transpiration les polluants concernés. Cette technique peut être utilisée en complément ou indépendamment de la Phytoextraction. Elle est peu usitée en France, du fait du transfert des polluants des sols vers l’atmosphère.

Applicabilité

Les polluants traités par Phytoextraction sont les polluants inorganiques : Ni, Cd, Cu, Zn, As.

Cette technique peut être appliquée en milieu urbain ou rural sur des espaces agricoles, sur de larges surfaces de sols faiblement contaminés. Les sols traités par ce procédé sont majoritairement silteux à sableux jusqu’à 50 cm de profondeur.

Tableau 1 - Domaine d'application de la phytoextraction en fonction de l’état physique de la pollution.

Tableau 1 - Domaine d'application de la phytoextraction en fonction de l’état physique de la pollution.

La Phytoextraction n'est particulièrement appropriée qu'au cas de traitement de polluants en équilibre entre les phases solide et dissoute du sol.

Faisabilité et dimensionnement

1. Faisabilité

La réalisation d’essais préliminaires pour s’assurer de la pertinence des amendements et des espèces végétales retenus au regard des caractéristiques pédologiques, du degré de contamination et des conditions environnementales du site à gérer est fortement conseillée.

Le document suivant issu du guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donnera des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

Cahier des charges :
Caractérisation et essais en vue de l'application d'un traitement par phytoextraction et phytostabilisation

(PDF - 436 Ko)

2. Dimensionnement

La connaissance des paramètres simples concernant le site, ses usages actuels et futurs, le(s) polluant(s) et le sol permet de pré-sélectionner la (les) phytotechnologie(s) la (les) plus adaptée(s) et d’identifier les paramètres susceptibles de limiter la faisabilité et les performances des techniques.

Au-delà de la délimitation des sources de pollution, les qualités agronomiques des sols doivent être prises en considération pour servir à orienter le choix de la (des) espèce(s) végétale(s) adaptée(s) au site et à sa pollution, les travaux du sol (décompactage…) et les pratiques agronomiques éventuelles à mettre en place (fertilisation, irrigation…). On peut citer par exemple, les paramètres suivants : pH, teneur en matière organique, capacité d’échange cationique, rapport carbone/azote, … Les éléments climatiques tels que le taux de précipitation annuel sur le site, la répartition annuelle des précipitations et les températures sont aussi des éléments à considérer.

Par ailleurs, les points suivants doivent être pris en compte :

  • la tolérance de l’espèce végétale au contaminant,
  • la capacité d’adsorption et d’accumulation de la plante,
  • la profondeur des racines par rapport à la profondeur des sources de pollution,
  • le rythme de croissance (biomasse, densité racinaire, surface de feuillage...),
  • éventuellement la capacité à synthétiser des enzymes dégradant le contaminant,
  • la filière de valorisation de la biomasse envisagée,
  • la présence sur place de plantes adaptées au sol et au climat du site et/ou la disponibilité commerciale des espèces recherchées sur le marché européen de la semence,
2.1. Les choix techniques associés à la phytoextraction

Les espèces végétales utilisées pour la Phytoextraction doivent posséder les caractéristiques suivantes :

  • transfert significatif de polluants vers les parties aériennes,
  • croissance rapide et production de biomasse élevée,
  • résistance aux polluants présents,
  • facilité de récolte.

Les plantes doivent être de préférence des espèces locales (adaptées aux conditions climatiques du site), à cycle court ou pérenne pour permettre plusieurs récoltes des parties aériennes dans l’année et non appétantes (attractives), c’est-à-dire ne pas être mangées par les animaux herbivores, ceci afin d’empêcher le transfert des polluants vers la chaine alimentaire.

Les espèces végétales peuvent être des plantes herbacées, des arbustes ou des arbres. Certaines espèces ligneuses peuvent être valorisées dans une filière d’écocatalyse ou d’agromine, en particulier les espèces accumulatrices de Zn du genre Salix ou les accumulatrices de Ni.

On distingue deux types de plantes utilisées en Phytoextraction :

  • les plantes hyperaccumulatrices de polluants, c’est-à-dire qui stockent dans leurs parties aériennes des concentrations en polluants au moins dix fois supérieures à celles habituellement rencontrées dans des plantes se développant sur le même sol. Spécialisées, ces plantes ne stockent en général qu’un seul élément trace, ce qui nécessite d’envisager de sélectionner plusieurs espèces en cas de multipollution métallique. Ces plantes sont peu fréquentes dans le règne végétal. Ce sont principalement des espèces sauvages rarement commercialisées et pour lesquelles il n’existe pas d’itinéraire technique pour leur culture. Sauf exception, les hyperaccumulatrices sont des plantes à croissance lente et à plus faible biomasse que les espèces non hyperaccumulatrices,
     
  • les plantes accumulatrices à forte biomasse, c’est-à-dire des plantes capables de produire une forte biomasse tout en stockant dans leurs parties aériennes des concentrations significatives. Il peut s’agir d’herbacées à croissance rapide ou d’arbres. Ces espèces ne stockent en général pas plus de deux éléments traces dans leurs parties récoltables.
Facteurs

La mise en place d’une couverture végétale est essentielle pour :

  • limiter l’érosion du sol,
  • limiter l’envol de poussières,
  • limiter le lessivage des éléments toxiques et leur transfert vers la nappe phréatique,
  • maintenir ou restaurer une microflore et une microfaune adaptée, garantes de la fonctionnalité des sols.

La Phytoextraction présente les avantages suivants :

  • un des principaux avantages du procédé est la réduction du volume de polluants à traiter,
  • technique applicable in situ sur une large variété de sols pollués (sols agricoles, friches industrielles, sédiments excavés…) en milieu rural et urbain,
  • technique éprouvée ayant démontré des résultats extrêmement significatifs lorsque les conditions optimales sont réunies,
  • compétitivité en termes de coût par rapport aux techniques « actives » (fonction de la valorisation de la biomasse, des coûts de mise en place et de surveillance sur le long terme du site),
  • possibilité de réaliser des traitements de contamination de grande superficie en alternative ou en complément aux techniques « actives »,
  • technologie de soutien non négligeable après un traitement actif (partiel) de la source de pollution et de l’impact (traitement de finition),
  • faible perturbation du milieu contaminé (structure et fertilité),
  • activité liée à la dépollution générant peu d’impact, sauf une occupation parfois longue des terrains,
  • technologie visuellement attractive,
  • perception généralement positive de la population,
  • reconquête des activités de fonctionnalité des sols,
  • possibilité d’une valorisation foncière des sites concernés,
  • possibilité d’une valorisation écologique (aménagement paysager, accroissement de la biodiversité).

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

  • l’hétérogénéité des répartitions des polluants interfère énormément sur l’efficacité du traitement,
  • les durées de traitement sont importantes,
  • la technique s’applique aux sols de subsurface dans la plupart des cas (c’est-à-dire aux horizons de surface colonisés par les racines soit en moyenne jusqu’à 50 cm de profondeur. En fonction des espèces végétales utilisées, cette zone peut s’étendre jusqu’à 1,5 m de profondeur),
  • les concentrations élevées en polluants peuvent être rédhibitoires pour les plantes,
  • les plantes n’ont accès qu’à une partie de la fraction totale d’éléments traces,
  • procédés s’appliquant le plus souvent sur les métaux/métalloïdes et plus rarement sur les composés organiques,
  • technologie souvent limitée à des pollutions peu concentrées sur de grandes surfaces,
  • procédé fortement influencé par la météorologie, la fertilité des sols mais aussi les attaques des insectes, les micro-organismes et les substances phytopathogènes,
  • la technique se limite généralement à un transfert de la pollution milieu–plantes, ce qui nécessite un traitement ultérieur pour la gestion de la biomasse : calcination, valorisation énergétique, valorisation matière, en métallurgie ou en biosynthèse…,
  • certains polluants peuvent migrer pendant la phase de traitement,
  • dans les cas de multipollution, le devenir de polluants multiples du sol, organiques et inorganiques, sous l’influence de diverses espèces végétales et de microorganismes associés est mal connu à ce jour,
  • ce procédé nécessite un suivi analytique et une interprétation des résultats analytiques importants,
  • une partie des usages des sols et/ou des eaux souterraines doit être « gelée » (servitudes…) tout au long du traitement,
  • l’emploi d’une plante bien adaptée à un type de polluant n’est pas toujours possible du fait des caractéristiques agronomiques du terrain,
  • création d’une voie de transfert trophique éventuelle.
Coûts

Les coûts sont très disparates et dépendent étroitement du site, du choix de l’espèce, de la durée de traitement et de l’apport d’amendement. Ils varient de 18 à 40 €/m² de surface de sols traités (hors apport de terre végétale) (BRGM, 2010). Les coûts de mise en place varient de 0,5 à 3€/m² (ADEME - INERIS, 2012).

L’analyse économique globale de cette technique est encore à poursuivre en tenant compte des différents scénarios de valorisation de la biomasse et des coûts liés au suivi de la performance et de surveillance sur le long terme.

Répartition des coûts :

Les coûts se répartissent comme suit :

  • la part de l’investissement initial est relativement importante. Celui-ci correspond à la préparation des sols (déboisement, défrichement, aplanissement, …) et l’ajout d’amendements éventuels (type et quantité), la végétalisation des surfaces dont les sols sont pollués et l’éventuelle mise en place d’installations permettant la gestion des eaux de ruissellement,
  • les charges récurrentes sont principalement liées à l’entretien des plantes. A l’entretien des cultures s’ajoute leur protection éventuelle (gibiers), le coût de la récolte et du transport de la biomasse. En tant que technique innovante et traitement in situ, le suivi est particulièrement important.

Les coûts doivent être pondérés avec les bénéfices liés à la valorisation de la biomasse produite (bénéfice de 70€/T évalué pour des projets de recherche).

Des bénéfices sociaux et environnementaux (lutte contre l’artificialisation, préservation de la ressource en eau, augmentation de la biodiversité, diminution des envols de poussière, limitation des plantes invasives, diminution des émissions de gaz à effet de serre, restauration des fonctions du sol, …) sont également à prendre en compte mais difficilement quantifiables.

Maturité

Cette technique fait l’objet de recherches pour certains éléments traces métalliques (As, Cd, Ni, Zn, Cu) (ADEME, 2017). Néanmoins, son application pratique reste peu développée.

A la connaissance des auteurs de cette fiche et à la date de rédaction de la fiche (novembre 2019), aucune application n’a été recensée pour une pollution comportant un mélange de polluants inorganiques et organiques.

Efficacité

L’efficacité de la Phytoextraction repose sur la quantité d’éléments traces extraite (capacité des plantes à concentrer les polluants dans leurs parties aériennes et à produire une biomasse importante). Le rendement d’extraction correspond au produit de la concentration en polluants par la biomasse produite par unité de surface.

Plusieurs ratios sont calculés :

  • le facteur de translocation correspond à la concentration dans les parties aériennes divisée par la concentration dans les racines,
  • le facteur de bioconcentration correspond à la concentration dans les parties aériennes divisée par la concentration totale dans le sol.

Les performances dépendent essentiellement du système racinaire (densité et profondeur), du facteur de bioconcentration, du facteur de translocation et du rendement en biomasse sur site pollué de l’espèce choisie. Il est possible d’augmenter l’efficacité en augmentant la biomasse par fertilisation ou irrigation. L’efficacité repose également sur l’absence d’effets négatifs sur les compartiments environnementaux proches (eaux de surface, souterraines, chaine trophique…).

Des résultats ont mis en évidence des bioconcentrations importantes ; certaines plantes en fin de traitement ont montré des teneurs en métaux/métalloïdes comprises entre 1 et 3%.

Délai

La Phytoextraction est un traitement long pour lequel le suivi de la dépollution est important pour assurer l’atteinte des objectifs. Les délais peuvent être de l’ordre de plusieurs années parfois (2 à 20 ans). La durée effective des travaux de mise en place de la Phytoextraction varie entre 1 et 2 semaine par hectares. La période de mise en place doit se caler sur la saison de plantation, selon  l’espèce végétale choisie.

La durée de traitement dépend des conditions du sol, des plantes utilisées et de la nature et de la concentration du polluant ou de l’objectif de dépollution à atteindre. L’utilisation de techniques de fertilisation et d’amendement permet d’augmenter l’efficacité de la Phytoextraction et donc de réduire sa durée.

Taux d'utilisation

La Phytoextraction est encore au stade de la R&D et de la démonstration de sa faisabilité.

A la connaissance des auteurs de cette fiche et à la date de rédaction de la fiche (novembre 2019), il n’existe pas de chantier ou de référence en traitement disponible.

Références

1. Bibliographie

ADEME - INERIS (2012)
Les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués – État de l’art et guide de mise en œuvre
ISBN : 978-2-7598-0805-2
https://www.ineris.fr/sites/ineris.fr/files/contribution/Documents/phytotechnologies-ademe-2013-1463054029.pdf

ADEME (2017)
Les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués – Nouveaux résultats de recherche et démonstration
Brochure réf. 010191
ISBN : 979-10-297-0786-5
https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/phyto_010191.pdf

BRGM (Juin 2010)
Quelles techniques pour quels traitements - Analyse coûts-bénéfices
S. Colombano, A. Saada, V. Guerin, P. Bataillard, G. Bellenfant, S. Beranger, D. Hube, C. Blanc, C. Zornig et I. Girardeau
Rapport final BRGM/RP-58609-FR
http://ssp-infoterre.brgm.fr/quelles-techniques-quels-traitements
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf

2. Liens

Best Practice Guidance for Practical Application of Gentle Remediation Options (GRO)
2014. Puschenreiter, M.
The GREENLAND Project, 18 pages
https://www.researchgate.net/publication/264057310_The_GREENLAND_project_
gentle_remediation_of_trace_element_contaminated_land

Les Phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués
2017.
ADEME, INERIS, ISA-Lille, Mines Saint-Etienne.
68 pages
https://www.ademe.fr/phytotechnologies-appliquees-sites-sols-pollues

Technology guide: bioremediation
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment -  Care National Remediation Framework. Version 0.1, 44 pages
https://www.crccare.com/files/dmfile/CTechguide_Bioremediation_Rev0.pdf

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