La surexposition de la population française au cadmium présent dans les denrées alimentaires courantes comme les céréales ou les pommes de terre a récemment fait l’objet d’une alerte par les médecins libéraux, répercutée par de nombreux médias. Depuis sa création, le Laboratoire Sols et Environnement mène des recherches pour répondre aux questions soulevées par la contamination des sols par ce métal en traces très toxique pour tous les organismes.
Evaluer la contamination des sols par le cadmium, son origine et son évolution
Les travaux du LSE ont porté sur l’évaluation de la contamination des sols par le cadmium, en se basant sur ses lois de distribution dans les sols [1-3]. La teneur des sols en cadmium dépend essentiellement de celle de la roche mère, des retombées atmosphériques dues à la pollution industrielle et urbaine depuis plus d’un siècle et des apports agricoles pour la fertilisation et le recyclage des déchets. Le fractionnement des isotopes naturels du cadmium a été pour la première fois utilisé au LSE en collaboration avec le CRPG (UL-CNRS) pour tracer les sources de pollutions industrielles de ce métal [4]. Les flux de cadmium ont récemment été mesurés dans des sols agricoles et forestiers de Lorraine, fournissant des données précieuses sur les sorties du métal avec les eaux percolant dans les sols [5]. Un modèle de bilans de flux de cadmium dans les sols potagers a été validé en utilisant la culture potagère menée depuis plus de trois siècles au Potager du Roi à Versailles [6]. Ce modèle a permis de faire des prédictions sur l’évolution à moyen et long terme (siècle) des teneurs en cadmium dans les sols agricoles et potagers, selon différents scénarios [7, 8]. C’est sur ce type de simulations que sont préconisées les teneurs limites en cadmium dans les matières fertilisantes [9].
La biodisponibilité du cadmium dans le sol
Le LSE s’est beaucoup intéressé à l’évaluation de la biodisponibilité du cadmium, entendue comme la quantité du métal du sol susceptible de passer de la phase solide à la phase liquide où il est absorbé par les êtres vivants, en particulier les racines. Pour cela, le laboratoire a développé une méthode de dilution isotopique, utilisant des isotopes stables ou radioactifs [10, 11]. Cette technique a permis d’évaluer la disponibilité du cadmium dans différentes conditions édaphiques mais également d’évaluer l’effet des racines elles-mêmes sur la disponibilité du métal [12-14]. Il a ainsi été montré que le cadmium naturellement présent dans les sols d’anomalies géochimiques pouvait être tout aussi disponible que celui de pollutions anthropiques, et que certaines espèces végétales auraient tendance à augmenter la disponibilité du métal, par l’action de leurs racines.
Prédire le prélèvement du cadmium par la plante
Ce besoin s’est imposé dès le début, dans le contexte de la production alimentaire comme dans celui de la phytoextraction du métal pour la remédiation des sols. Le LSE a choisi de la traiter à partir d’une modélisation mécaniste, envisagée à la fois comme outil de recherche pour tester des hypothèses que comme, à terme, outil d’aide à la décision. Dans cette approche, il a bénéficié de la collaboration de de Christian Moyne du LEMTA (UL - CNRS) et de l’équipe BIONET de l’unité ISPA (INRAE à Bordeaux). La modélisation du prélèvement racinaire a été envisagée comme un transport réactif par diffusion et convection dans le voisinage des racines (la rhizosphère) [15, 16]. Elle a montré que la spéciation dynamique du cadmium dans la rhizosphère, et notamment sa complexation par les ligands organiques était primordiale pour prévoir son prélèvement par les racines [17-19]. Le cadmium étant principalement absorbé sous sa forme cationique (Cd2+), sa complexation par certains composés organiques réduit normalement la disponibilité du métal pour les racines, mais de façon variable, selon la capacité du complexe à se dissocier au voisinage des racines. En outre, on ne peut exclure que dans certaines situations, la complexation augmente le prélèvement de cadmium par la plante [20-23]. La capacité des molécules exsudées par les racines à réagir avec le cadmium fait l’objet des recherches actuelles, tant théoriques qu’expérimentales. C’est ainsi que le LSE est parti à la recherche des ligands du cadmium en empruntant une approche métabolomique des exsudats racinaires [24].
Vers la remédiation des sols pollués
Pour prévoir l’accumulation du cadmium par la plante, le LSE a caractérisé les propriétés d’absorption des racines vis-à-vis de cet élément [25-27]. Récemment et pour la première fois, la thermodynamique hors équilibre a été utilisée avec succès pour modéliser l’accumulation du cadmium par le maïs [28]. Mais comment dépolluer les sols contaminés par le cadmium ? A cette question ancienne, le LSE a essayé de répondre en testant la phytoextraction par des espèces hyperaccumulatrices de ce métal, en particulier la crucifère sauvage Noccaea caerulescens, espèces dont de nombreuses populations sont présentes naturellement en France [29]. Le LSE a prospecté les stations de cette espèce pour en prélever de nombreuses accessions, les phénotyper et en étudier l’écologie et l’écophysiologie [30-42]. Elles ont été testées sur des sites industriels et des sols cultivés [43]. Malheureusement, si la plante présente un potentiel d’accumulation très important, elle ne produit pas assez de biomasse pour permettre une dépollution dans un temps raisonnable [44]. Les travaux du LSE dans le domaine de la phytoextraction ont permis cependant de définir l’idéotype qui serait nécessaire pour une phytoextraction du cadmium des sols de grande culture [45, 46]. Reste aux généticiens et améliorateurs des plantes à le concevoir. Dans l’attente d’une telle innovation, mais aussi de la sélection de cultivars de céréales qui accumulent moins le cadmium, il convient de réduire les teneurs en cadmium dans les fertilisants, en particulier dans les engrais phosphatés.
Contact : Thibault Sterckeman, IR INRAE, UMR LSE
Références :
1. Sterckeman, T., et al., Factors affecting trace element concentrations in soils developed on recent marine deposits from northern France. Applied Geochemistry, 2004. 19(1): p. 89-103.
2. Sterckeman, T., et al., Trace elements in soils developed in sedimentary materials from Northern France. Geoderma, 2006. 136(3-4): p. 912-929.
3. Bourennane, H., et al., Mapping of anthropogenic trace elements inputs in agricultural topsoil from Northern France using enrichment factors. Geoderma, 2010. 157: p. 165-174.
4. Cloquet, C., et al., Tracing source pollution in soils using cadmium and lead isotopes. Environmental Science & Technology, 2006. 40(8): p. 2525-2530.
5. Sterckeman, T., et al., Mesure de flux d’éléments en traces en sols agricoles et forestiers. 2025, Ademe: Angers. p. 96.
6. Zhong, X., et al., Evaluating a mass balance model for soil trace metals using the historical data from the King’s Kitchen Garden (Versailles, France). Journal of Hazardous Materials, 2024. 465: p. 133259.
7. Zhong, X., et al., Assessing the future trends of soil trace metal contents in French urban gardens. Environmental Science and Pollution Research, 2022. 29: p. 3900–3917.
8. Sterckeman, T., et al., Cadmium mass balance in French soils under annual crops: Scenarios for the next century. Science of The Total Environment, 2018. 639: p. 1440-1452.
9. Sterckeman, T., Trop de cadmium dans les engrais français ?, in The Conversation. 2018: France.
10. Sterckeman, T., et al., Availability of soil cadmium using stable and radioactive isotope dilution. Geoderma, 2009. 153(3-4): p. 372-378.
11. Gerard, E., et al., Isotopic exchange kinetics method for assessing cadmium availability in soils. Trace Elements in Soil, 2001: p. 127-143.
12. Gérard, E., et al., Cadmium availability to three plant species varying in cadmium accumulation pattern. Journal of Environmental Quality, 2000. 29(4): p. 1117-1123.
13. Sterckeman, T., et al., Quantifying the effect of rhizosphere processes on the availability of soil cadmium and zinc. Plant and Soil, 2005. 276(1-2): p. 335-345.
14. Perronnet, K., et al., Availability of cadmium and zinc accumulated in the leaves of Thlaspi caerulescens incorporated into soil. Plant and Soil, 2000. 227: p. 257-263.
15. Sterckeman, et al., Applying a mechanistic model to cadmium uptake by Zea mays and Thlaspi caerulescens: Consequences for the assessment of the soil quantity and capacity factors. Plant and soil, 2004. 262: p. 289-302.
16. Schneider, A., et al., Comparison between numeric and approximate analytic solutions for the prediction of soil metal uptake by roots. Example of cadmium. Science of The Total Environment, 2018. 619–620: p. 1194-1205.
17. Custos, J.-M., et al., Contribution of Cd-EDTA complexes to cadmium uptake by maize: a modelling approach. Plant and Soil, 2014. 374(1): p. 497-512.
18. Lin, Z., et al., Can ligand addition to soil enhance Cd phytoextraction? A mechanistic model study. Environmental Science and Pollution Research, 2014. 21(22): p. 12811-12826.
19. Lin, Z., et al., Ranking of mechanisms governing the phytoavailability of cadmium in agricultural soils using a mechanistic model. Plant and Soil, 2016. 399: p. 89-107.
20. Lin, Z., T. Sterckeman, and C. Nguyen, How exogenous ligand enhances the efficiency of cadmium phytoextraction from soils? Journal of Hazardous Materials, 2024. 465: p. 133188.
21. Moyne, C. and T. Sterckeman, Effect of calcium and trace metals (Cd, Cu, Mn, Ni, Zn) on root iron uptake in relation to chemical properties of the root-excreted ligands. BioMetals, 2023. 36(5): p. 1013-1025.
22. Sterckeman, T. and C. Moyne, Could root excreted iron ligands contribute to cadmium and zinc uptake by the hyperaccumulator Noccaea caerulescens? Plant and Soil, 2021. 467: p. 129-153.
23. Sterckeman, T., On the contribution of cadmium – citrate complexes to cadmium uptake by durum wheat. Plant and Soil, 2023. 487: p. 455–465.
24. Lapie, C., et al., Profiling of main metabolites in root exudates and mucilage collected from maize submitted to cadmium stress. Environmental Science and Pollution Research, 2019. 26(17): p. 17520-17534.
25. Redjala, T., T. Sterckeman, and J.L. Morel, Cadmium uptake by roots: Contribution of apoplast and of high- and low-affinity membrane transport systems. Environmental and Experimental Botany, 2009. 67(1): p. 235-242.
26. Redjala, T., et al., Contribution of apoplast and symplast to short term nickel uptake by maize and Leptoplax emarginata roots. Environmental and Experimental Botany, 2010. 68: p. 99-106.
27. Redjala, T., et al., Relationship between root structure and root cadmium uptake in maize. Environmental and Experimental Botany, 2011. 71: p. 241-248.
28. Moyne, C., P. Leglize, and T. Sterckeman, Using non-equilibrium thermodynamics to model cadmium accumulation by maize. Current Plant Biology, 2024. 39: p. 100369.
29. Schwartz, C., G. Echevarria, and J.L. Morel, Phytoextraction of cadmium with Thlaspi caerulescens. Plant and Soil, 2003. 249(1): p. 27-35.
30. Schmitt-Sirguey, C., Dynamique du Cd disponible du sol sous l'influence de l'hyperaccumulateur Thlaspi caerulescens, in Ecole Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires. 2004, Institut National Polytechnique de Lorraine: Vandoeuvre-Lès-Nancy, France. p. 137.
31. Sirguey, C., C. Schwartz, and J.L. Morel, Response of Thlaspi caerulescens to nitrogen, phosphorus and sulfur fertilisation. International Journal of Phytoremediation, 2006. 8: p. 149-161.
32. Sirguey, C., et al. Distribution and ecological niche of Noccaea caerulescens in the Vosges mountains (France). in 11th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements. 2011. Florence, Italy.
33. Gonneau, C., et al., Variation of trace metal accumulation, major nutrient uptake and growth parameters and their correlations in 22 populations of Noccaea caerulescens. Plant and Soil, 2014. 384(1-2): p. 271-287.
34. Gonneau, C., et al., Demographic history of the trace metal hyperaccumulator Noccaea caerulescens (J. Presl and C. Presl) F. K. Mey. in Western Europe. Molecular ecology, 2017. 26(3): p. 904-922.
35. Reeves, R.D., et al., Distribution and metal-accumulating behavior of Thlaspi caerulescens and associated metallophytes in France. International Journal of Phytoremediation, 2001. 3(2): p. 145-172.
36. Sterckeman, T., et al., Do roots or shoots control cadmium accumulation in the hyperaccumulator Noccaea caerulescens? Plant and Soil, 2015. 392: p. 87–99.
37. Sterckeman, T., et al., Phenotyping 60 populations of Noccaea caerulescens provides a broader knowledge of variation in traits of interest for phytoextraction. Plant and Soil, 2017. 418: p. 523-540.
38. Lovy, L., D. Latt, and T. Sterckeman, Cadmium uptake and partitioning in the hyperaccumulator Noccaea caerulescens exposed to constant Cd concentrations throughout complete growth cycles. Plant and Soil, 2013(362): p. 345–354.
39. Schwartz, C., et al., Root development of the Zinc-hyperaccumulator plant Thlaspi caerulescens as affected by metal origin, content and localization in soil. Plant and Soil, 1999. 208(1): p. 103-115.
40. Schwartz, C., et al., Selection of outstanding individuals of Thlaspi caerulescens for cadmium phytoextraction. International Journal of Phytoremediation, 2006. 8: p. 339-357.
41. Perronnet, K., C. Schwartz, and J.L. Morel, Distribution of cadmium and zinc in the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens grown on multicontaminated soil. Plant and Soil, 2003. 249(1): p. 19-25.
42. Jacquet, J., et al., Co-cultivation of the hyperaccumulators Sedum plumbizincicola and Noccaea caerulescens reveals competition in phytoextraction of zinc and cadmium. Journal of Environmental Management, 2025. 389: p. 126138.
43. Jacobs, A., et al., Phytoremediation of urban soils contaminated with trace metals using Noccaea caerulescens: comparing non-metallicolous populations to the metallicolous ‘Ganges’ in field trials. Environmental Science and Pollution Research, 2017. 24(9): p. 8176-8188.
44. Sterckeman, T. and M. Puschenreiter, Phytoextraction of Cadmium: Feasibility in Field Applications and Potential Use of Harvested Biomass, in Agromining: Farming for Metals. Extracting Unconventional Resources Using Plants, A. Van der Ent, et al., Editors. 2021, Springer International Publishing: Cham.
45. Sterckeman, T., Y. Cazes, and C. Sirguey, Breeding the hyperaccumulator Noccaea caerulescens for trace metal phytoextraction: first results of a pure-line selection. International Journal of Phytoremediation, 2019. 21(5): p. 448–455.
46. Sterckeman, T., et al., How could phytoextraction reduce Cd content in soils under annual crops? Simulations in the French context. Science of The Total Environment, 2019. 654: p. 751-762.
