Soutenance de thèse de LAMWATI Youssef
Titre de thèse
Étude physiologique et métabolomique de la réponse de Phytolacca americana aux terres rares et exploration de son potentiel de phytoextraction à partir des résidus de bauxite
Physiological and metabolomic study of the response of Phytolacca americana to rare earth elements and exploration of its potential for phytoextraction from bauxite residues.
Résumé de la thèse
Les terres rares (REEs) sont des métaux critiques indispensables aux technologies de la transition énergétique, mais leur extraction conventionnelle demeure associée à de lourds impacts environnementaux et à une forte dépendance géopolitique. Dans une perspective d'économie circulaire, la valorisation de ressources secondaires telles que les résidus de bauxite constitue une alternative prometteuse. Toutefois, ces résidus se caractérisent par des conditions physico-chimiques extrêmes et par une spéciation des REEs dominée par des phases très peu solubles, notamment les phosphates de type xénotime (YPO4), qui limitent fortement leur mobilité et leur biodisponibilité.
Cette thèse vise à évaluer le potentiel de Phytolacca americana, plante hyperaccumulatrice des REEs, pour la phytoextraction de ces éléments, et à élucider les mécanismes géochimiques, physiologiques et métabolomiques contrôlant leur transformation, leur mobilisation, leur absorption et leur stockage dans le système plante-substrat. L'approche adoptée repose sur une stratégie intégrée combinant des cultures hydroponiques, expérimentations sur résidus de bauxite modifiés, dispositifs in vitro en milieu gélifié, analyses de spéciation par spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES) et métabolomique non ciblée par UHPLC-ESI-QTOF.
Les résultats montrent que la réponse de P. americana à l'yttrium (Y) et au néodyme (Nd) en conditions hydroponiques est dose-dépendante, avec une stimulation de la croissance à faibles concentrations et une toxicité à plus forte dose, et que la disponibilité en phosphore joue un rôle central dans le contrôle de l'absorption des REEs. L'étude des résidus de bauxite révèle que la spéciation chimique constitue le principal obstacle de la phytodisponibilité des REEs. Les résidus latéritiques, dominés par des phosphates de REEs, présentent une très faible extractibilité, tandis que les résidus karstiques montrent une phytodisponibilité plus élevée.
Des expériences in vitro démontrent par XANES que P. americana est capable d'induire une solubilisation localisée du YPO4 à l'interface racinaire et de transformer l'yttrium en complexes organiques dans les racines. Enfin, l'approche métabolomique met en évidence une reprogrammation métabolique profonde et identifie les dérivés de l'acide glutamique comme acteurs centraux de la chélation et de la tolérance aux REEs. Ce travail montre que, si la phytoextraction directe reste limitée par des verrous géochimiques majeurs, l'analyse mécanistique des processus biologiques ouvre des perspectives solides pour le développement de procédés d'extraction bio-inspirés et durables des REEs.
Thesis resume
Rare earth elements (REEs) are critical metals essential for energy transition technologies, yet their conventional extraction remains associated with severe environmental impacts and strong geopolitical dependence. From a circular economy perspective, the valorization of secondary resources such as bauxite residues represents a promising alternative. However, these residues are characterized by extreme physicochemical conditions and by REE speciation dominated by poorly soluble phases, particularly phosphate minerals such as xenotime (YPO4), which strongly limit their mobility and bioavailability.
This PhD thesis aims to assess the potential of Phytolacca americana, a model REE hyperaccumulator plant, for the phytoextraction of these elements, and to elucidate the geochemical, physiological, and metabolomic mechanisms controlling their mobilization, uptake, and transformation in the plant-substrate system. The adopted approach relies on an integrated strategy combining hydroponic cultures, experiments on modified bauxite residues, in vitro systems on gelled media, REE speciation analyses using X-ray absorption spectroscopy (XANES), and untargeted metabolomics by UHPLC-ESI-QTOF.
The results show that the response of P. americana to yttrium (Y) and neodymium (Nd) under hydroponic conditions is dose-dependent, with growth stimulation at low concentrations and toxicity at higher doses, and that phosphorus availability plays a central role in controlling REE uptake. The study of bauxite residues reveals that chemical speciation constitutes the main barrier to REE phytoavailability. Lateritic residues, dominated by REE phosphates, exhibit very low extractability, whereas karstic residues show higher phytoavailability.
In vitro experiments demonstrate, using XANES, that P. americana can induce localized solubilization of YPO4 at the root interface and facilitates the transformation of yttrium into organically complexed forms within roots. Finally, the metabolomic approach reveals a profound metabolic reprogramming and identifies glutamic acid derivatives as central actors in REE chelation and tolerance. This work shows that, although direct phytoextraction remains limited by major geochemical constraints, the mechanistic analysis of biological processes opens strong perspectives for the development of bio-inspired and sustainable REE extraction processes.