Comparaison de Fallopia japonica, F. sachalinensis et leur hybride F. ×bohemica en Belgique : Ecologie des populations, traits fonctionnels, aptitude à l’invasion

par Basile Herpigny, Promoteur : Pierre Meerts

Résumé : L’objectif général de ce projet est d’examiner la variation et l’évolution des traits fonctionnels susceptibles de sous-tendre la capacité d’invasion, au sein du complexe de plantes envahissantes F. japonica-F. ×bohemica et F. sachalinensis en Belgique. En particulier, la thèse examinera si les hybrides sont intermédiaires entre les parents pour ces traits ou manifestent des propriétés originales susceptibles d’entraîner un comportement plus invasif. Les traits fonctionnels qui seront pris en considération comprennent notamment le patron d’allocation des ressources, l’architecture des parties aériennes, la phénologie, et la plasticité phénotypique de ces caractères. La stratégie scientifique reposera sur trois approches complémentaires : I) des comparaisons entre les taxons in situ dans des sites où ils coexistent ; II) des cultures en conditions contrôlées au jardin expérimental ; III) des expériences de transplantation in situ. IV) des sites adaptés ont déjà été localisés, principalement en région bruxelloise.

Etude des flux d'éléments minéraux dans les écosystèmes forestiers par le biais d'une approche multi-isotopique Sr–Nd–Pb : rôles de l'essence forestière, du recyclage des éléments et de l'historique de l'acidification

par Juliette Herouet, Promoteur : Thomas Drouet

Résumé : L’étude de l'origine et des flux de nutriments dans les écosystèmes forestiers est fondamentale pour prévoir les conséquences de l’implantation de différentes essences forestières et comprendre l'effet de changements environnementaux. L'évaluation de la dynamique des éléments minéraux implique la prise en compte de processus complexes (altération des minéraux, processus d'échanges, absorption par la végétation…) et de la contribution d'un grand nombre de sources (apports atmosphériques, altération, restitutions de la biomasse…). L'objectif principal de ce projet est (1) d'utiliser une approche multi-isotopique pour identifier les stratégies d'acquisition des nutriments de 5 espèces ligneuses forestières (hêtre, chêne pédonculé, érable sycomore, séquoia, épicéa) et déterminer leurs effets respectifs sur le cycle des éléments; (2) d'étudier les mécanismes régissant la dynamique des nutriments (interception des apports atmosphériques, altération, recyclage) et leur perturbation par les changements environnementaux. L’origine des éléments nutritifs sera étudiée par l’intermédiaire de traceurs isotopique, y compris des isotopes du plomb et du néodyme jusqu’à présent très peu exploités en écologie. Par ailleurs, des mesures chimiques et isotopiques des cernes d’accroissement des arbres, apporteront des informations précises sur l’évolution temporelle des cycles biogéochimiques. Ces mesures chimiques, isotopiques et dendrochimiques aboutiront à la construction d’un modèle permettant de déterminer l’influence de chacun des flux sur le cycle des éléments.

Tolérance et accumulation du cuivre et du cobalt chez les végétaux – implications pour la phytoremédiation des sols contaminés

par Bastien Lange

La contamination des sols par les métaux représente une pression de sélection importante pour la végétation. Très peu d’espèces ont développé une capacité remarquable à tolérer des teneurs élevées en métaux dans le sol. Parmi celles-ci, certaines ont la particularité de concentrer des teneurs extrêmes de métaux dans leurs parties aériennes : elles sont appelées hyperaccumulatrices. Dans ce projet, nous étudions la tolérance et l’accumulation du cuivre (Cu) et du cobalt (Co), phénomènes rares identifiés uniquement chez certaines espèces des sols riches en Cu et en Co du Katanga, en République Démocratique du Congo. L’écologie et l’évolution de la tolérance et de l’accumulation de ces métaux restent à ce jour très peu connues. Les concentrations foliaires en Cu et en Co observées in natura présentent de fortes variations inter- et intra-spécifiques encore incomprises. La caractérisation de la disponibilité réelle du Cu et du Co dans les sols et des paramètres l’influençant semblerait être une première approche essentielle afin de comprendre ces variations de l’accumulation et de la tolérance. Une approche évolutive de l’accumulation, ainsi que des perspectives de valorisation d’une phytomasse chargée en Cu, seront également appréhendées. Anisoppapus chinensis a été choisi comme modèle biologique de la thèse afin de répondre aux cinq objectifs principaux, autours desquels celle-ci s’articule :

• Connaître les facteurs pédogéochimiques qui influencent la disponibilité et la phytotoxicité du Cu et du Co

• Caractériser l’étendue et la structure de la variation phénotypique des teneurs en Cu et en Co des plantes dans leur milieu naturel

• Expliquer la variation des teneurs en Cu et en Co dans les plantes par les facteurs pédogéochimiques

• Etudier l’existence d’une variation génétique de la capacité à accumuler et à tolérer le Cu et le Co entre populations

• Proposer des perspectives de valorisation du matériel végétal riche en Cu comme phytomasse à haute valeur ajoutée.

Phytoextraction des éléments traces métalliques par Noccaea caerulescens : essais in situ sur des sols pollués de la Région de Bruxelles-Capitale

par Arnaud Jacobs

La phytoextraction est une technique écologique de remédiation des sols contaminés en éléments traces métalliques (ETM) (e.g. Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) qui repose sur l’utilisation de plantes capables d’accumuler les ETM dans leurs parties aériennes. La technique semble particulièrement appropriée pour des sols faiblement à modérément pollués, comme les sols urbains. La crucifère européenne Noccaea caerulescens, hyperaccumulatrice de Zn/Cd/Ni, s’est imposée comme plante phytoextractrice modèle, vu ses étonnantes capacités d’accumulation in natura (en mg/kg de masse sèche, Zn : 10 000 ; Ni : 100-1000 ; Cd : 100-1000). Malgré des résultats prometteurs obtenus via des essais réalisés en pots sous serre, la phytoextraction peine à être mise en place sur le terrain. Une raison majeure à ces difficultés est la méconnaissance des conditions de culture optimales de Noccaea.

Ce projet a pour but d’optimiser la technique de phytoextraction des ETM dans des sols urbains pollués par la plante hyperaccumulatrice Noccaea caerulescens. L’effet de plusieurs pratiques de culture (engrais, densité, cultures sous abri, etc.) est testé afin d’augmenter la production de biomasse. L’efficacité de la phytoextraction est également évaluée en cultivant des plantes maraîchères sur des sols phytoremédiés ou non.
Le second objectif du projet est d’améliorer la prévisibilité de la technique de phytoextraction : d’une part via l’étude de l’influence des variables du sol sur l’efficacité de la phytoextraction, et d’autre part par le suivi de l’évolution interannuelle de l’accumulation en ETM après plusieurs années de culture successives.

Influence des interactions biotiques sur les mécanismes de structuration des communautés d'arbres - approches fonctionnelles et multi-échelles.

par David Bauman (aspirant FNRS)

L’objectif principal de mon projet de thèse est de déterminer les mécanismes de structuration et de maintien de la diversité au sein de 2 communautés végétales : une forêt claire de type "miombo" au Katanga (R.D. Congo) et une forêt tempérée de recolonisation en contexte calcaire (Belgique). Ces deux sites présentent de fortes contraintes environnementales communes (stress hydrique, carences en phosphore), mais diffèrent en termes de densité des individus, ce qui peut modifier la nature et l’amplitude des interactions biotiques.

La méthodologie utilisée associe de manière originale une analyse de la distribution des traits fonctionnels à une quantification fine des interactions biotiques (compétition, facilitation) et de l’agrégation spatiale des individus, qui ne sont généralement pas pris en compte directement dans les modèles explicatifs. L’intégration de ces mesures dans un modèle statistique élaboré (cartes de vecteurs propres de Moran) permettra de quantifier l’influence des facteurs biotiques et abiotiques, phylogénétiques, des effets purement spatiaux (dispersion) et des facteurs stochastiques sur la composition spécifique et la distribution des traits le long de gradients environnementaux.

Les liens entre patterns spatiaux des communautés et processus écologiques (interactions biotiques, dispersion...) seront approfondis par l'intermédiaire d'approches mécanistiques mêlant simulations de processus aux méthodes précitées.

Savanes steppiques des collines cupro-cobaltifères du Katanga : traits fonctionnels et mécanismes d’assemblage des communautés

par Guillaume Delhaye (asiistant ULB)

L’écologie fonctionnelle des communautés vise à comprendre les mécanismes d’assemblage des communautés, sur base des traits fonctionnels des espèces du pool régional. Elle repose sur deux principes. Premièrement, le filtre environnemental (facteurs abiotiques limitant : sol, climat) trie les espèces du pool régional qui sont admissibles dans l’habitat. Ce filtre diminue donc la diversité fonctionnelle par rapport à celle existant dans la flore régionale. Deuxièmement, en raison des interactions biotiques, spécialement les interactions compétitives, l’assemblage de la communauté favorise les espèces présentant des traits différents, leur permettant de coexister (différenciation de niche). Les traits fonctionnels représentent donc un niveau d’information permettant de passer d’une information de type taxonomique, à une information au niveau des communautés.

Ce travail représente une première approche de l’écologie fonctionnelle des communautés végétales des sols cupro-cobaltifères du Katanga. Ces végétations hautement originales se prêtent bien à une telle approche. Premièrement, elles sont soumises à des contraintes fortes (toxicité métallique, saison sèche, feu), qui représentent des filtres environnementaux sévères.

Deuxièmement, ces végétations montrent des structures spatiales très fortes. Celles-ci sont en relation avec des variations de la concentration en cuivre dans le sol, mais d’autres facteurs sont certainement impliqués. Ce travail tentera donc de déterminer les mécanismes d’assemblage de ces communautés végétales, ainsi que de décrire dans quelle mesure la plasticité phénotypique des espèces influence la variation des traits dans chaque communauté.