Les mécanismes de dépollution des plantes

Les études scientifiques sur la qualité de l’air intérieur ont mis en évidence le pouvoir épurateur de certaines plantes vis-à-vis de polluants. Cette capacité de dépollution de l’air est liée à des processus physiologiques permettant l’entrée et la transformation des contaminants dans la plante.

L’atmosphère peut contenir les polluants sous forme gazeuse si la molécule est volatile, adsorbés à des particules en suspension ou présent sous forme soluble dans la phase aqueuse de l’atmosphère. Ces polluants de l’air intérieur peuvent pénétrer dans la plante par des mécanismes qui se situent soit au niveau foliaire, soit au niveau racinaire.

L’absorption des polluants par les plantes

La voie foliaire

Cette capture des polluants atmosphériques par la feuille peut s’effectuer au moyen de deux voies :

  • Les stomates, voie préférentielle des polluants hydrophiles: les stomates sont de orifices se situant sur la surface des feuilles qui régulent les échanges gazeux entre l’extérieur (air ambiant) et l’intérieur de la feuille (tissus cellulaires).
  • La cuticule : structure lipidique qui recouvre, protège la feuille et permet le piégeage de molécules toxiques. Cette cuticule permet de limiter les pertes d’eau et est constituée d’une couche de cires hydrophobe. Les polluants lipophiles emprunteront donc ce passage. Une fois à l’intérieur des tissus foliaires, les polluants peuvent s’y accumuler et y être progressivement dégradés.

Capture et élimination des polluants par les stomates

Les polluants organiques ou inorganiques sous forme gazeuse pénètrent par l’intermédiaire des stomates. (Schéma 1).

L’insertion des polluants de l’air intérieur par la voie stomatique va être influencée par de nombreux paramètres. [17]:

  • Abiotiques (vent, température, lumière, humidité de l’air et du sol)
  • Biotiques (espèce végétale, génotype, âge, densité stomatique, stades physiologiques, état sanitaire de la plante)
  • Interactions polluant-stomate (effets du polluant sur le métabolisme d’ouverture des stomates)
  • Paramètres liés aux polluants (Nature, propriété physicochimiques, phytotoxicité)

 

 Schéma 1 : Coupe de feuille [31]

 

 

Tous les polluants ne pourront pas entrer par cette voie. Seuls l'emprunteront, les composés très volatils de faible poids moléculaire et solubles dans l'eau (SO2, NOx, O3, CO, formaldéhyde, benzène, toluène…). [11] Dans la cavité sous-stomatique, les polluants entrent en contact avec l'eau qui tapisse les parois. Une fois solubilisés, ils pourront entrer dans les cellules du tissu foliaire pour y être métabolisés ou stockés. Leur élimination s’effectue selon leur nature organique ou inorganique, (cf Figure2).

On notera que les produits de dégradation sont intégrés dans le métabolisme de la plante mais que les métabolites peuvent posséder une toxicité intrinsèque (exemple de l’acide muconique, produit de détoxification du benzène).

 

 

 Figure 1 : Mécanismes régissant l’élimination des polluants inorganiques ou organiques accumulés dans les tissus   foliaires.[17]

 

 

 

Capture et élimination des polluants par la cuticule

La rugosité, le caractère lipophile des cires épicuticulaires et la présence d’eau sont autant de paramètres permettant de capter les polluants particulaires et gazeux de l’air intérieur. La migration des polluants au travers la surface foliaire s’effectue sous l'influence de nombreux paramètres : température, nature du polluant… La capacité du système foliaire à capter les polluants n’est pas sans limites. Un équilibre s’instaure entre la concentration des molécules présentes dans l’air et celle à l’intérieur de la plante. Ce sont les composés de volatilité moyenne, de haut poids moléculaire (poussière, aérosol) qui se déposeront préférentiellement sur la cuticule.

Une fois accumulés sur la structure lipidique, les polluants pénètrent dans les tissus foliaires et seront métabolisés, stockés ou éliminer suivant les même conditions que les polluants intégrés par voie stomatique.

La voie racinaire

C’est par cette voie que transitent les éléments indispensables à la vie de la plante (eau, sels minéraux…). Une fois le composé mis en solution dans l’eau du sol, l’absorption par les racines passe par un transfert des molécules dans le sol, puis par un transfert sol-plante via les racines. Seule la fraction phytodisponible pourra être prélevée par la plante au cours de sa croissance. Les molécules doivent en premier lieu traverser l’endoderme via des espaces interstitiels, les symplastes, pour atteindre les vaisseaux de circulation de la sève brute.

Seuls les composés hydrophiles pourront transiter par ces symplastes alors que les composés lipophiles s’accumuleront au niveau de l’endoderme. [15]

Des bactéries vivant dans le substrat et notamment au niveau de la rhizosphère des plantes, permettent d’éliminer les polluants de manière plus efficace que par le voie foliaire.

La dégradation des composés organiques par les plantes

A la suite de l’absorption des polluants par les plantes, ceux-ci peuvent être dégradés grâce à différents mécanismes. Il semble que les composés organiques sont éliminés chez les plantes de la même manière que dans le foie des mammifères. Celui-ci possède 3 caractéristiques :

  • une capacité de détoxification importante,
  • l’utilisation d’enzymes spécifiques,
  • et l’élimination des polluants des tissues sensibles. [4]

En 1994, le terme « green-liver » est adopté pour décrire cette ressemblance entre les plantes et les animaux. [34] La différence entre les deux systèmes vient de la phase finale du métabolisme. L’objectif est de protéger les organites sensibles des composés potentiellement toxiques. Chez les plantes, cette protection passe par une séquestration des composés dangereux alors que chez les animaux, il s’agit d’une élimination. [4]

Etant photoautotrophes, les plantes n’ont pas besoin des composés organiques comme source d’énergie ou de carbone. Par conséquent, elles n’ont pas autant d’enzymes permettant le métabolisme des polluants organiques contrairement aux espèces hétérotrophes. [4] Malgré tout, elles sont capables d’éliminer un grand nombre de composés xénobiotiques grâce aux enzymes. [21]

Dans les plantes, les enzymes peuvent être soit constitutives soit induites. Les premières régulent les fonctions d’entretien des cellules. Elles sont souvent à un taux constant mais à de faibles concentrations. Au contraire, les enzymes induites sont synthétisées à des taux variables en réponse aux conditions de croissance de la cellule. L’expression de ces enzymes peut être renforcée ou activée par la présence ou l’absence de composés organiques. [4]

Le métabolisme des composés organiques dans les cellules se fait en 3 étapes :

  • La transformation,
  • La conjugaison,
  • L’excrétion (chez les mammifères) ou la séquestration (chez les plantes. [4]

La transformation

Il s’agit de la transformation du substrat initial en passant par de nombreuses réactions différentes grâce à des enzymes. Les transformations qui peuvent avoir lieu sont l’oxydation, l’hydroxylation, la déhalogénation, la réduction, l’estérification et l’hydrolyse. [4]

Les principales réactions sont :

  • l’oxydation, en particulier avec les composés lipophiles car elle permet d’augmenter la solubilité
  • et l’hydroxylation, soit l‘ajout de la fonction alcool (-OH) à la molécule.

Les enzymes prédominantes durant cette phase sont, chez la plupart des plantes, des cytochromes P-450 et des peroxydases. [4]

La conjugaison

A la suite de la transformation, une étape de conjugaison survient. La conjugaison primaire a lieu avec plusieurs molécules telles que l’acide malonique, le D-glucose, le glutathion, l cystéine ou encore d’autres acides aminés. Des enzymes utilisent les groupes fonctionnels ajoutés lors de la transformation pour lier les molécules entre elles. [4]

Au final, on obtient un composé conjugué plus soluble dans l’eau et moins toxique que le produit initial. Il est alors soit déposé dans la vacuole soit incorporé dans les tissus structurels. [4]

La séquestration

Si le composé n’est pas complètement métabolisé ou libéré par la plante après la conjugaison, une dernière étape est souvent observée. Il s’agit de la séquestration. L’objectif est de rendre les polluants inertes et non extractibles. Ils sont alors stockés dans des tissus non métabolisables comme la paroi de cellules. Pour cela, les produits conjugués sont liés à des molécules structurelles comme la lignine ou l’hémicellulose dans les feuilles. Dans les tiges, par contre, les polluants sont associés à la pectine et la lignine. [4]

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