Bioremédiation de sols en milieu nordique : des ressources locales pour traiter une variété d’hydrocarbures pétroliers et autres contaminants avec la phytoremédiation, la mycoremédiation et l’aide de matières résiduelles fertilisantes

Les hydrocarbures pétroliers sont expédiés et utilisés dans pratiquement toutes les parties du monde et sont devenus l’un des contaminants parmi les plus communs et les plus répandus dans les sols. Les éléments traces sont parfois associés aux hydrocarbures, ce qui peut augmenter la toxicité d’un site, compliquer les voies possibles de remédiation, et augmenter les coûts de traitements traditionnels. Dans les régions nordiques, où des déversements sont recensés dans de nombreux sites, le temps de nettoyage des contaminants et les coûts des méthodes d’assainissement traditionnelles peuvent s’avérer considérablement plus élevés que dans les régions tempérées. Des recherches alternatives visant une remédiation plus rapide et moins coûteuse, adaptée à des climats subarctiques, sont nécessaires et l’utilisation de plantes et champignons indigènes à l’écosystème local sont des approches prometteuses. En parallèle, les gouvernements de multiples pays visent à réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment par la réduction des déchets putrescibles voués à l’enfouissement. En utilisant ces matières résiduelles fertilisantes obtenues localement dans le processus de décontamination, une opportunité se présente pour valoriser ces matières tout en décontaminant des sites.  Cette recherche doctorale vise à développer des méthodes de bioremédiation adaptées aux conditions locales, avec des intrants indigènes aux régions d’étude, pour des sols contaminés aux HCP au sein de trois projets de recherche à grande échelle sur le terrain, dont un également contaminé aux éléments traces.  Deux projets ont été effectués dans un climat subarctique au 60° parallèle (Whitehorse, Yukon), en utilisant une approche novatrice de phytoremédiation assistée de champignons et compost municipal; nous qualifions cette technique intégrée d’approche par « microsystème écologique ». Comme le volume de sol affecte beaucoup l’efficacité des méthodes de bioremédiation, des volumes considérables de 0.15 m3 et 1 m3 ont été utilisés (au premier et deuxième site, respectivement), pour maximiser la pertinence des résultats lors de transfert d’échelles futures. Au premier site, l’efficacité des différentes composantes du microsystème a été évaluée en bacs dans quatre différentes combinaisons et comparée au traitement de base habituel (fertilisant) dans un sol contaminé par un déversement accidentel de diésel. La plante choisie était le saule Salix planifolia et le champignon Pleurotus ostreatus. Les résultats indiquent qu’après une saison de traitement, le microsystème était le traitement avec le taux d’élimination du diésel le plus rapide. Après trois saisons, les traitements contenant un ou plusieurs éléments du microsystème avaient des taux de contamination sous les normes pour des sols agricoles et étaient plus efficaces que le traitement au fertilisant ou que l’atténuation naturelle. Le deuxième site était une fosse à huiles usées située sur une pile de stériles miniers au cœur d’un ancien dépotoir. Le microsystème a été implanté dans des cellules au sol avec une doublure à l’épreuve du lessivât de contaminants. Les saules Salix alaxensis et Salix planifolia furent utilisés en combinaison avec le champignon Trametes versicolor. Cette approche, dans un sol hautement contaminé, a réussi à diminuer de façon considérable les hydrocarbures pétroliers (plus de 65 à 75 %). Le potentiel d’accumulation des métaux dans les tissus aériens des plantes a également été mesuré. Les deux espèces de saules ont démontré des taux d’accumulation d’éléments traces distincts et des stratégies racinaires différentes. Un champignon de la famille des Psathyrellaceae fut observé pour la première fois sur un site si hautement contaminé, puis est apparu de façon récurrente sur les cellules du microsystème pendant quatre ans. Les deux premiers sites répondent à un besoin de développer des méthodes de bioremédiation efficaces, passives et applicables en climat subarctique.  Le troisième site de recherche porte sur l’utilisation de deux matières résiduelles fertilisantes (bois raméal fragmenté et drêche) et de fumier pour la dégradation de l’huile à moteur dans un climat continental humide à une latitude moyenne (Neuville, Québec). Des mésocosmes de 0.76 m3 avec aération contrôlée furent utilisés. L’utilisation de bois raméal fragmenté et de drêche de brassage à cette échelle, de même que l’acquisition des matières résiduelles dans un rayon très rapproché du centre de traitement afin d’explorer une approche d’économie circulaire dans un tel contexte, constituent les volets novateurs de cette étude. Les résultats démontrent que le fumier est plus efficace que le traitement habituel au fertilisant. La drêche de brassage et le bois raméal fragmenté sont utiles pour conserver l’humidité dans les sols (un paramètre de bioremédiation important). Cette étude, menée en collaboration avec un partenaire industriel, s’intègre dans la politique canadienne et québécoise de réductions des gaz à effets de serre et la philosophie de l’économie circulaire en valorisant des matières organiques résiduelles locales.  Cette thèse a permis de démontrer qu’une combinaison de stratégies de bioremédiation avec des composantes locales est une méthode efficace dans un climat subarctique. Deux nouvelles espèces de saules (Salix planifolia et Salix alaxensis) ont été utilisées avec succès pour la bioremédiation d’hydrocarbures pétroliers et pour l’accumulation de certains éléments traces. Lors d’une collaboration avec un partenaire industriel, il a été possible de démontrer l’applicabilité de certains concepts d’économie circulaire et d’approche écosystémique en bioremédiation. Petroleum hydrocarbons are shipped and used in virtually all parts of the world and have become one of the most common and widespread contaminants in soils. Trace elements are sometimes associated with them, and they can increase the toxicity of a site, complicate remediation, and increase the costs of traditional treatments. In northern areas where spills occur at multiple sites, the clean-up time and cost of traditional remediation methods can be significantly higher than in temperate regions. Alternative research aimed at faster and cheaper remediation adapted to subarctic climates is needed and the use of native plants and fungi integrated into the local ecosystem are promising approaches. Concurrently, governments in multiple countries aim to reduce greenhouse gas emissions, namely through the reduction of putrescible waste destined for landfills. By using locally-sourced residual fertilizing materials for decontamination processes, an opportunity arises to valorize these materials while restoring soils. This doctoral research aims to develop locally-adapted bioremediation methods, with indigenous plant and fungal inputs, to treat petroleum hydrocarbon contaminated soils in three large-scale field research projects, including one also contaminated with trace elements. Two projects were carried out in a subarctic climate at the 60 ° parallel (Whitehorse, Yukon), using an innovative approach of phytoremediation assisted by mushrooms and municipal compost; we call this integrated technique the "ecological microsystem" approach. Because soil volume has significant impacts on the efficiency of bioremediation methods, considerable volumes of 0.15 m3 and 1 m3 were used (at the first and second sites, respectively) to maximize the relevance of results in the event of a scale-up operation. At the first site, the effectiveness of the various components of the microsystem were evaluated in four different combinations, as well as compared to the usual basic treatment (fertilizer) in soil contaminated by an accidental diesel spill. The plant species chosen was Salix planifolia and Pleurotus ostreatus was selected for the fungus. Results indicate that after one treatment season, the microsystem was the treatment with the fastest diesel removal rates. After three seasons, treatments containing one or more elements of the microsystem were below standards for agricultural soils and were more effective than fertilizer treatment or natural attenuation. The second northern site was a waste oil pit located on top of a mine waste rock pile, at the heart of an old landfill. The microsystem was implanted into ground-level cells with a contaminant-proof leachate liner. The plant species Salix alaxensis and Salix planifolia were used in combination with the fungus Trametes versicolor. This approach in a highly contaminated soil was able to significantly reduce petroleum hydrocarbons (65 to 75%). The potential for metal accumulation in aerial plant tissues was also measured. Both willow species demonstrated distinct trace element accumulation patterns and different rooting strategies. A fungus of the Psathyrellaceae family was observed for the first time at a site so highly contaminated and was recurrent on the cells of the microsystem for 4 years. The first two sites contribute to the development of efficient and passive bioremediation methods applicable in subarctic climates. The third research site focused on the use of two residual fertilizing materials (fragmented rameal wood and brewer’s spent grain) and manure for the degradation of motor oil in a humid continental climate at a medium latitude (Neuville, Quebec). Mesocosms of 0.76 m3 with controlled aeration were used. Innovative aspects of this project include the use of rameal wood and spent grain at this scale, as well as the acquisition of residual materials in a very close radius of the treatment center to explore how a circular economy approach could apply in such a context. Results indicate that the addition of manure is more effective than the usual fertilizer treatment alone. Brewer’s spent grain and fragmented rameal wood were useful for maintaining soil moisture (an important bioremediation parameter) but did not increase degradation. This study, conducted in close collaboration with an industrial partner, falls under the objectives set by Canadian and Quebec policy on greenhouse gas reductions and circular economy approaches by working on the valorization of local residual organic matter. This thesis has demonstrated that combining strategies with local biological components is an effective bioremediation method in a subarctic climate. Two new willow species (Salix planifolia and Salix alaxensis) have been successfully used for the bioremediation of petroleum hydrocarbons and for the accumulation of certain trace elements. In collaboration with an industrial partner, it has been possible to demonstrate the applicability of certain circular economy concepts and the ecosystemic approach to bioremediation.

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