Influence of plant species and richness on pollutant removal in treatment wetlands

Les marais filtrants artificiels sont des écosystèmes recréés par l’homme dans le but d’optimiser l’épuration des eaux usées. Lors de la sélection d’espèces végétales pour la mise en place de ces marais filtrants, l’utilisation d’une polyculture ainsi que d’espèces indigènes non invasives est de plus en plus recommandée. Néanmoins, la plupart des marais filtrants existants sont des monocultures utilisant des plantes envahissantes, probablement à cause du manque d’évidences scientifiques sur les avantages de la diversité végétale et de la performance des espèces locales. Ainsi, les questions de recherche autour desquelles s’oriente ma thèse sont: Les polycultures présentent-elles un potentiel épuratoire aussi ou plus grand que les monocultures, et une espèce indigène est-elle aussi efficace et performante qu’une espèce exotique envahissante dans des marais filtrants ? Trois expériences ont été conduites afin de répondre à ces questions. J’ai d’abord testé l’influence de la richesse végétale sur l’élimination des polluants en deux dispositifs expérimentaux: 1) comparant deux espèces de plantes émergentes en monoculture ou combinées séquentiellement, et 2) évaluant la performance de quatre espèces flottantes plantées en monoculture par rapport à des associations de deux (avec toutes les combinaisons possibles) et de quatre espèces. Une troisième expérience a été réalisée afin de comparer l’efficacité épuratoire de l’haplotype européen envahissant du roseau commun (Phragmites australis) et de la sous-espèce locale non-invasive (P. australis subsp. americanus). La composition en espèces végétales a produit un effet notable sur la performance des marais filtrants. La comparaison des performances en mono- et en polyculture n’a pas permis de démontrer clairement les avantages de la diversité végétale pour l’élimination des polluants dans les marais filtrants. Toutefois, les marais filtrants plantés avec une combinaison d’espèces étaient aussi efficaces que les monocultures des espèces les plus performantes. La comparaison entre les deux sous-espèces de P. australis indiquent que la sous-espèce indigène pourrait remplacer le roseau exotique envahissant, évitant ainsi les potentiels risques environnementaux sans toutefois compromettre l’efficacité du traitement.   Les résultats prometteurs de la sous-espèce indigène de P. australis doivent encore être testés dans des expériences à grande échelle avant d’utiliser largement cette espèce dans les marais filtrants. Nos résultats suggèrent que, dans des conditions où la performance des macrophytes disponibles est inconnue ou ne peut être déterminée, l’utilisation d’une combinaison d’espèces présente les meilleures chances d’accomplir le plus haut niveau possible d’élimination de polluants. De plus, même si la diversité végétale ne présente pas un avantage mesurable en termes d’efficacité épuratoire, celle-ci améliore la résilience des marais filtrants et leur résistance aux stress et aux maladies. Treatment wetlands (TWs) are complex engineered ecosystems designed to remove pollutants from wastewater. In selecting plant species for TWs, the use of polycultures as well as the choice of local non-invasive species is increasingly recommended. However, to date, the majority of TWs have been planted in monoculture using invasive species, probably because the performance of native species and the possible advantages associated with plant diversity have not been clearly demonstrated. The research questions of my thesis are:  Are polycultures as good as or better than monocultures for pollutant removal, and could a native species be as efficient as an exotic invasive species in TWs?  Three experiments were performed to answer this question. The influence of plant richness on pollutant removal was tested in two mesocosm experiments: 1) comparing two emergent plant species in monoculture and planted in sequence, and 2) evaluating four free-floating species, each in monoculture versus pairs of species (all possible combinations) and the four species planted together. A third experiment was carried out to compare the removal efficiency of the invasive European haplotype of common reed (Phragmites australis) and the native non-invasive subspecies (P. australis subsp. americanus).   Plant species composition influenced the performance of TWs. The comparison of the performance of monocultures versus polycultures showed that, overall, TWs planted with a combination of species were as efficient as monocultures of the best performing species. Comparing the performance of native and invasive P. australis strongly suggests that the native could replace the invasive species in TWs, thereby avoiding possible environmental risks without compromising treatment efficiency.  The promising results of the native P. australis subspecies need to be further tested in full-scale experiments in order to encourage the use of this species in TWs. The results obtained comparing plant species combinations suggest that under circumstances in which the performance of available macrophytes is unknown or cannot be determined, using a mixture of species offers the best chances of achieving the highest possible level of pollutant removal. Furthermore, it has been suggested that plant diversity contributes to TWs in terms of their resilience to stress and disease.

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