Effects of diverse plant species on the bioavailability of contaminants in soil

Abstract

La phytoremédiation constitue une technologie alternative pour le traitement de sols contaminés en métaux. Toutefois, la biodisponibilité des métaux dans le sol peut limiter l’efficacité de cette approche. Nous émettons l’hypothèse que diverses espèces de plante, caractérisées par systèmes racinaires différents, peuvent affecter différemment la biodisponibilité des éléments traces (ET) dans le sol. Une étude utilisant un dispositif expérimental en bloc aléatoire complet avec cinq réplicats a été conduite entre le 6 juin et le 3 septembre 2014, sur le site du Jardin botanique de Montréal. Dans ce contexte, l’impact de la présence de huit espèces de plantes, herbacées ou ligneuses, sur le pool labile de six métaux (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni et Se) dans la rhizosphère de celles-ci a été étudié. Après trois mois de culture, la biomasse aérienne et souterraine de chaque espèce a été mesurée et la concentration en ET dans les tissus des plantes a été analysée. La fraction labile de ces ET dans la rhizosphère (potentiellement celle qui serait biodisponible) de même que d’autres paramètres édaphiques (le pH, la conductivité, le pourcentage de matière organique et le carbone organique dissous (COD)) ont aussi été mesurés et comparés en fonction de la présence d’une ou l’autre des espèces utilisées. Les résultats montrent que pour la plupart des plantes testées, les plus fortes concentrations en ET ont été trouvées dans les racines alors que les plus faibles niveaux s’observaient dans les parties aériennes, sauf pour le Ni dans le Salix nigra. Ceci suggère que le Ni peut être extrait du sol par des récoltes régulières des tiges et des feuilles de cette espèce de saule. Les pools labiles de l’Ag, Ni et du Cu dans la rhizosphère étaient significativement et différemment affectés par la présence des plantes. Toutefois, la présence des plantes testées n’a pas affecté certains paramètres clés de la rhizosphère (ex. le pH, conductivité, et le pourcentage de matière organique). À l’opposé, les niveaux de COD dans la rhizosphère de toutes les plantes testées se sont révélés supérieurs en comparaison des témoins (sols non plantés). De plus, une corrélation positive a pu être établie entre la concentration disponible du Ni et la concentration en COD. Une relation similaire a été déterminée pour le Cu. Ceci suggère que certains systèmes racinaires pourraient modifier les niveaux de COD et avoir un impact indirect sur les pools labiles des ET dans le sol. Phytoremediation is considered an alternative technology for treating metalcontaminated soil, however, its efficiency is usually limited by bioavailability of metals in soil. We hypothesized that diverse plant species have different root system types that can affect bioavailability of trace elements (TE) in soil differently. The experiment was conducted during summer, from June 6th to September 3rd, 2014, at the Montreal Botanical Garden. The effect of eight herbaceous and woody species on the labile pool of six metals (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni and Se) in their rhizosphere was studied using a completely randomized block design with five replicates. After three months of cultivation, the above- and below-ground biomass of each species was measured and the concentrations of TE in the plant tissues were determined. The labile and presumably bioavailable fraction of these TE in the rhizosphere as well as key soil parameters (e.g. pH, electrical conductivity (EC), percent of organic matter and dissolved organic carbon (DOC)) were also measured and compared as a function of plant species. The results showed that in most tested plants, the highest concentrations of TE were found in the roots and the lowest levels were in the above-ground tissues, except for Ni in Salix nigra. This suggests that Ni can be removed from soil through the regular harvest of the shoots and leaves of this species. The labile pool of Ag, Ni, and Cu in the rhizosphere was significantly and differently affected by the presence of the plants. However, the presence of the tested plant species did not affect some key factors of the rhizosphere (e.g. pH, EC, percent of organic matter). In contrast, DOC levels in the rhizosphere of all tested plants were higher than those measured for the control pots without plants. In addition, a positive relationship was found between Ni availability concentration and DOC concentration, as well as Cu availability level and DOC level. This suggests that some types of root systems appear to modify soil DOC and indirectly impact the labile pool of TE in soil