Proposition de sujet de thèse CIFRE, Nouvelle-Calédonie

Proposition de sujet de thèse CIFRE, Nouvelle-Calédonie

- Proposition de sujet de thèse CIFRE, Nouvelle-Calédonie Partenariat KNS et Université de Nouvelle-Calédonie (UNC) / IRD / IAC
Entreprise partenaire : KNS Koniambo Nickel SAS, Koné, Nouvelle-Calédonie.
Description du projet KNS:
Koniambo Nickel SAS (KNS) est un projet industriel de classe mondiale visant à produire
60 000 tonnes de Nickel par an (sous forme de ferronickel) par un procédé pyrométallurgique
éprouvé. Ce projet est situé en province nord de la Nouvelle-Calédonie à cheval sur les
communes de Voh, Koné et Pouembout (zone VKP). Il est issu d’un partenariat entre Xstrata
Nickel et le Société Minière du Sud Pacifique (SMSP).
Il exploitera un gisement de saprolite dans une mine à ciel ouvert située sur le massif du
Koniambo, avec une capacité d’extraction de 5 millions de tonnes de minerai brut par an
pendant 25 ans.
Les installations industrielles comprennent, en plus de l’usine pyrométallurgique et de la
mine, une centrale thermique de 270 MW pour couvrir les besoins énergétiques du projet, une
centrale de désalinisation de l’eau de mer, et un port en eau profonde afin d’importer les
matériaux de construction puis le charbon nécessaire au fonctionnement de la centrale, et
d’exporter le minerai vers les clients de l’entreprise.
La mine se situe sur le massif du Koniambo constitué de roches ultrabasiques doté de
caractéristiques géologiques et écologiques très particulières, caractérisées d’un point de vue
biologique par une forte biodiversité et un taux d’endémisme exceptionnellement élevé (>
80%).
Conscient de cet environnement unique et encore peu étudié, KNS apporte un soin particulier
à la compréhension des écosystèmes présents sur le massif afin de pouvoir développer une
stratégie de restauration des sites miniers efficaces une fois l’exploitation minière achevée.
C’est dans ce cadre que le département Environnement de KNS soutient régulièrement des
travaux de recherches à même de faire avancer la recherche fondamentale liée aux
problématiques de compréhension des écosystèmes miniers, tout en lui permettant d’affiner
ses procédés de restauration des écosystèmes impactés.
Thématique proposée : Stratégies de re-végétalisation des maquis miniers nickélifères
de Nouvelle-Calédonie : étude sur les potentiels biologiques des topsoils et leur gestion
en vue de leur utilisation pour la restauration écologique du milieu dégradé.
1) Contexte général:
La Nouvelle-Calédonie est un archipel tropical situé dans le Pacifique Sud. Ce territoire est le
quatrième pays producteur mondial de nickel. L’activité minière (extraction du minerai de
nickel) est concentrée sur les massifs ultramafiques qui couvrent près du tiers de la surface de
l’île principale.
1 Sur ces massifs, les sols de surface (topsoils) sont caractérisés par une faible teneur en
éléments minéraux essentiels pour la nutrition des végétaux (N, P, K,) un fort déséquilibre du
rapport Ca/Mg et une forte concentration en divers métaux potentiellement toxiques (Ni, Co,
Mn, Fe, Cr) pour les végétaux non adaptés. Conséquence de ces caractéristiques
géochimiques remarquables, les écosystèmes se développant sur ce sols, présentent une
biodiversité unique au monde, très diversifiée avec un taux d’endémisme végétal supérieur à
80% et des communautés fongiques et microbiennes adaptées à ces sols.
L’extraction du minerai de nickel est une activité en plein essor et nécessite le
« décapage » des ces topsoils, afin d’accéder aux couches inférieures de latérites et saprolites
riches en minerai de nickel. Cette activité de décapage impacte fortement les écosystèmes
terrestres en place et menace leurs équilibres biologiques. Jusqu’à présent, les sols de surface
(topsoils) ont fait l’objet de peu d’attention en Nouvelle-Calédonie et sont généralement peu
réutilisés pour la restauration écologique des terrains miniers après exploitation, comme cela
se fait dans d’autres pays, notamment l’Australie.
La bonne gestion des topsoils est un enjeu important de la réussite de la re-végétalisation. En
effet, ces sols contiennent non seulement les éléments minéraux nécessaires aux plantes, mais
aussi un stock de graines des espèces endémiques, les microorganismes symbiotes de plantes
(bactéries et champignons), ainsi que la matière organique dont les microorganismes ont
besoin.
2) Etat des connaissances récentes sur les massifs ultramafiques : écosystèmes et
communautés microbiennes libres ou associées aux plantes de ces massifs, essais
de re-végétalisation.
- Publications récentes de synthèse (revues) sur la structure et le fonctionnement des
écosystèmes sur sols ultramafiques : Brady et al., 2005 (Annu. Rev. Ecol. Syst. 36:243-266.) ;
Chiarucci, A. and A.J.M. Baker. 2007 (Plant and Soil 293:1-217) ; Kazakou et al., 2008 (Biol.
Rev. 83:495-508).
- Publications récentes sur la diversité des symbioses champignons endo et ecto
mycorhiziennes sur sols ultramafiques : Moser et al. 2005 (Am. J. Bot. 92:224-230.),
Gonçalves et al., 2007 (Mycorrhiza 17:677-686), Schechter, S.P. and T.D. Bruns. 2008 (Mol.
Ecol. 17: 3198-3210.) ; Gonçalves et al. 2009 (Mycorrhiza 19:221-230).
Et en particuliers sur le massif du Koniambo en Nouvelle-Calédonie: articles scientifiques
publiés et thèse relatifs : Nicolas Perrier (thèse UNC, 2005) ; Perrier et al., 2006 (Mycorrhiza
16:449-458) ; Amir et al., 2007 (Plant and Soil. 293:23-35) ; Thèse d’Alexandre Lagrange,
2009 (Thèse UNC, 2009) ; Jourand et al., 2010 (FEMS Microbiol. Ecol. 72:238-249).
- Publications récentes sur la diversité de la flore microbienne des sols
ultramafiques associées ou non aux plantes en Nouvelle-Calédonie: Hery et al., 2005 (Environ
Microbiol 7 :486-498) ; Herrera et al, 2007 (Eur J Soil Biol 43:130-139) ; Chaintreuil et al.,
2007 (Appl Environ Microbiol 73:8018-8022). Thèse d’Alexandre Lagrange, 2009 (Thèse
UNC, 2009).
- Publications (revues) sur les stratégies de végétalisation et sur les topsoils
•
En Nouvelle-Calédonie :
2 •
•
o . Ouvrage collectif IAC/ IRD/ UNC (LIVE) : L’Huillier L., Jaffré T. et Wulff
A. 2010. Mines et Environnement en Nouvelle-Calédonie : les milieux sur
substrats ultramafiques et leur restauration. Éditions IAC, Nouméa, NouvelleCalédonie, 412 p. Cet ouvrage fait le point sur les connaissances que nous
avons sur les écosystèmes miniers en nouvelle-Calédonie, sur les topsoils et la
restauration écologique des milieu dégradés (aspects physico-chimiques et
biologiques).
o Cherrier JF, 1994, Bois et Forêt des Tropiques, 225:5-23; Jaffré et al, 1994 : La
réhabilitation de sites miniers, dossier spécial, Nouvelle-Calédonie, Bois et
Forêt des Tropiques, 242:5-23
o L’Huillier L. 2007. Assessment of soil seed banks for rehabilitation of nickel
mines in New Caledonia. Proceedings et communication orale au congrès «
Seed Ecology », Perth (Australie), 10-13 septembre 2007.
En Australie :
o T. McDonald and J. Williams 2009. A perspective on the evolving science and
practice of ecological restoration in Australia: Ecological Management &
Restoration 10:112- 125.
o Ward S. C., Koch J.M. and Ainsworth G.L. 1996.The effect of timing of
rehabilitation procedures on the establishment of a jarrah forest after bauxite
mining. Restoration Ecol. 4:19-24.
Au USA (Kentucky), mines de charbon abandonnées:
o Gould A. B., Hendrix J. W. 1998. Relationships of mycorrhizal activity to time
following reclamation of surface mine land in western Kentucky. II.
Mycorrhizal fungal communities. Can J Bot, 76: 204-212.
Voir liste bibliographique en annexe.
3) Objectifs de la thèse:
Il s’agit essentiellement d’étudier l’évolution des potentialités biologiques du topsoil (banques
de graines, symbiotes mycorhiziens, activité globale) au cours de son stockage dans
différentes conditions (humidité, stockage en verse, en andain, par étalage, avec ou sans
ensemencement à l’aide de graminées, et /ou mise en place d’une végétation « nurse » pour
régénérer les couches superficielles…) et d’en déduire une méthode optimale de stockage et
de gestion.
4) Proposition du plan de thèse:
4.1. Typologie des topsoils : élaborer une typologie des topsoils présents sur la zone (Massif
du Koniambo) à l’aide de données bibliographiques et complétées (si besoin) par des mesures
ou des analyses complémentaires: données géologiques, pédologiques (graviers sans matrice
fine, graviers avec matrice fine, matrice fine sans graviers), géographiques et botaniques.
4.2. Caractérisation des topsoils : l’objectif est de réunir les données de bases nécessaires
pour effectuer ensuite une étude de l’évolution de ces données au cours du stockage des
topsoils. Déterminer les caractéristiques physico-chimiques et biologiques à l’état initial
(semences présentes, symbiotes mycorhiziens présents, structure de la microflore, activité
globale, pH, nutriments, état d’oxydation des métaux, état hydrique). Si possible avoir une
idée du gradient de ces paramètres dans les 10-15 premiers centimètres afin d’identifier la
3 zone optimale à prélever. (Si l’ensemble des caractéristiques se concentre dans les 5 premiers
centimètres, il conviendra alors de mette en place des moyens adapté pour ne récupérer que
cette fraction, ce qui limitera d’autant ensuite les problèmes de transport et de stockage de la
fraction de topsoil utile).
Il s’agit aussi de réunir les données concernant les facteurs environnementaux (stress
hydrique, climatologie = T° et pluviométrie) agissant sur le sol afin de déterminer de façon
réaliste les variations à tester pour le stockage des topsoils.
4.3. Etude des variations des potentiels biologiques des topsoils : variations en milieu
contrôlé (laboratoire) et en pépinière KNS, en fonction i) des paramètres environnementaux
majeurs (température et humidité, oxygène) ; et ii) des paramètres biologiques (seed bank,
matière organique, nutriments) avant et après traitement avec des conditions de vieillissement
accéléré ; et iii) d’une méthode de conservation biologique (topsoils semés ou non avec des
graminées). Cette partie vise notamment à mieux maîtriser l’interprétation des études de
stockage des topsoils sur le terrain, dont les résultats risquent d’être plus difficiles à
interpréter en absence de données en conditions contrôlées.
4.4. Etude des variations des potentiels biologiques des topsoils in situ : variations en
fonction i) des paramètres environnementaux majeurs et ii) d’une méthode de conservation
biologique (topsoils semés ou non en graminées).
Pour ces trois parties, les potentialités biologiques à mesurer sont notamment les suivantes :
- Evolution de la viabilité des graines des différentes espèces végétales contenues dans
le topsoil, en fonction du milieu d’origine et du type de stockage.
- Evolution du potentiel de germination et de croissance, par estimation de la biomasse
produite en pépinière après semis de natives dans chaque topsoil (selon le type de
stockage du topsoil et de la durée).
- Evolution de la viabilité des champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) : densité
des spores viables et, sur quelques échantillons, mesure du potentiel mycorhizogène
par culture de sorgho sur le topsoil et estimation de l’intensité de mycorhization. On
pourra aussi, pour ces échantillons, extraire l’ADN des racines et séquencer les AMF
pour les identifier et déterminer ainsi quelles sont les espèces d’AMF qui se
conservent le mieux au cours du stockage du topsoil.
- Evolution de la structure des populations microbienne par métagénomique, afin de
vérifier si certaines populations microbiennes disparaissent au cours du stockage.
- Evolution de l’activité microbienne globale (ATPase par la technique de
bioluminescence), la baisse de cette activité traduisant une baisse de fertilité du sol.
- A comparer à chaque fois avec un témoin constitué d’une zone revégétalisée avec un
topsoils frais non stocké)
4.5. Essais de re-vitalisation d’un topsoil dégradé.
L’objectif est de vérifier si on peut réintroduire les potentialités biologiques dans un topsoil
qui les a perdu :
- étude du ré-ensemecement du topsoil : avec des graines de plantes endémiques, en
association ou non avec des plants mycorhizés (cf. point suivant), ou avec une couche fine de
topsoil frais.
- essai de ré-inoculation de mycorhizes à l’aide de plants mycorhizés en pépinière : il s’agit de
savoir si l’inoculation en pépinière avec un champignon mycorhizien d’une espèce végétale à
forte affinité mycorhizienne est en mesure de réimplanter les symbiotes et si ces derniers
4 arriveront à mycorhizer un cortège d’espèces végétales se développant dans un deuxième
temps.
La viabilité des graines, la croissance des plantes, l’évolution de la mycorhization de ces
plantes et l’évolution de la densité en spores pourront être mesurées dans cette partie.
4.6. Conclusion : proposition d’un protocole de gestion du topsoil adaptées aux contraintes de
l’exploration minière sur massif (faible disponible et temps important entre décapage et
réutilisation) (conservation et utilisation).
4.7. calendrier
Activité importante
Tâches
(N°
parag. plan de thèse)
année 1
T1
T2
année 2
T3
T1
T2
T3
Activité moindre
année 3
T1
T2
T3
1-Typologie des topsoils
2- Caractérisation des topsoils
3- Var. potentiel biologique
labo et pépinière
4- Var. potentiel biologique
in situ
5- Essai re-vitalisation d’un
topsoil
6- Conclusion (rédaction)
5) Encadrement de la thèse
Directeur de thèse: Pr Hamid AMIR, Professeur des Universités, titulaire d’une HDR
(Habilitation à Diriger les Recherches), Université Nouvelle-Calédonie, Directeur du
Laboratoire Insulaire du Vivant et de l’Environnement, Université de Nouvelle-Calédonie ;
spécialiste de l’écologie microbienne des sols ultramafiques (miniers), notamment
endomycorhizes. Email : [email protected]
Ecole doctorale de rattachement : ED du Pacifique n°469 (Université de Nouvelle
Calédonie/Université de Polynésie Française)
Partenaire KNS :
-­‐
Antoine LEVEAU – Responsable du service revégétalisation de KNS – BP679 –
98860 KONE – Nouvelle Caledonie – [email protected]
5 -­‐
Pierre MERCIER – Responsable du département Environnement de KNS – BP679 –
98860 KONE – Nouvelle Caledonie – [email protected]
Autres personnes directement impliquées dans l’encadrement de la thèse:
-­‐
Dr Bruno Fogliani, Maitre de Conférence, HDR, spécialité : Bio-Ecologie Végétale
Appliquée, Laboratoire Insulaire du Vivant et de l’Environnement, Université de
NouvelleCalédonie (UNC), BP R4 -98851 Nouméa Cedex. Tel. (687) 290262. Email :
[email protected]: spécialiste de la biologie des graines, notamment sur sols
ultramafiques
-­‐
Dr Laurent L’Huillier, IAC, Nouvelle-Calédonie. Institut Agronomique néoCalédonien (IAC), B.P. 73, 98890 Païta, Nouvelle-Calédonie. Tel. (687) 41 16 74,
Fax. 687 43 74 16. Email : [email protected] : spécialiste de la restauration écologique
des sols ultramafiques, sols, graines, écologie.
-­‐
Dr Marc DUCOUSSO Laboratoire, Directeur de Recherche CIRAD, HDR, LSTM
(UMR113), Campus International de Baillarguet, TA-A82/J - 34398 Montpellier
cedex 5, France Tel: (687) 26 07 74. Email : [email protected] : spécialiste des
symbioses mycorhiziennes
-­‐
Dr Philippe JOURAND, Ingénieur de Recherche IRD, Laboratoire LSTM (UMR113),
IRD, BPA5 Nouméa, Nouvelle-Calédonie, Tel: (687) 26 07 69, Fax: (687) 26 43 26.
Email : [email protected] spécialiste d’écologie microbienne, notamment des
bactéries.
-­‐
Dr Emmanuel FRITSCH, Directeur de Recherche IRD, UMR 206 IMPMC, Centre
IRD, 101 Promenade Roger Laroque - Anse Vata, BPA5, 98 848 Nouméa cedex,
Nouvelle-Calédonie, Tel : (687) 26 07 85, Email : [email protected] ,
spécialiste de géochimie des sols.
6) Complément de financement:
En dehors de la bourse CIFRE, les travaux seront financés au sein de différents projets en
cours : budget de fonctionnement (coût des matériels, expérimentations) : la thématique du
sujet de thèse proposé par les laboratoires LIVE (UNC), LSTM (IRD) et IAC fait partie de
programmes de recherche en cours et déjà subventionnés et pourra donc être pris en charge
par les laboratoires LIVE, LSTM (IRD) et IAC:
•
Programme ANR Ultrabio (période initiale 2007- 2011) : N° Projet : ANR-07-BDIV
010-02 : Biodiversité et stratégies adaptatives végétales et microbiennes des
écosystèmes ultramafiques en Nouvelle-Calédonie.
•
Programme CNRT Ecomine - Biotop (période initiale 2010-2013): caractérisation et
fonctionnement des sols de surface (topsoils) des maquis miniers de NouvelleCalédonie en vue de leur utilisation pour à la restauration écologique des terrains
dégradés.
•
Appui financier complémentaire du CIRAD au thésard encadré par un agent du
CIRAD, titulaire d’une HDR : 5 k€/an
•
Budget complémentaire prévu par l’entreprise KNS : prise en charge des déplacements
et hébergement de l’étudiant à Koné au sein de l’entreprise, mise en place des travaux
expérimentaux sur le terrain à Koniambo, frais d’analyses physico-chimiques des sols
de Koniambo étudiés par le doctorant (environ 3000 à 4000 € /an) participation à un
congrès international (déplacement et hébergement). Accès base vie.
7) Liste des références citées
6 Amir H, Perrier N, Rigault F, Jaffré T (2007) Relationships between Ni hyperaccumulation
and mycorrhizal status of endemic plant species from New Caledonian ultramafic soils. Plant
Soil 293: 23-35.
Brady KU, Kruckeberg AR & Bradshaw Jr HD (2005) Evolutionary ecology of plant
adaptation to serpentine soils. An Rev Ecol Evol Syst 36: 243-266.
Chaintreuil C, Rigault F, Moulin L, Jaffre T, Fardoux J, Giraud E, Dreyfus B & Bailly X
(2007) Nickel resistance determinants in Bradyrhizobium strains from nodules of the endemic
New Caledonia legume Serianthes calycina. Appl Environ Microbiol 73: 8018-8022.
Cherrier JF, 1994, Bois et Forêt des Tropiques, 225:5-23; Jaffré et al, 1994 : La réhabilitation
de sites miniers, dossier spécial, Nouvelle-Calédonie, Bois et Forêt des Tropiques, 242:5-23
Chiarucci, A. and A.J.M. Baker. 2007. Advances in the ecology of serpentine soils. Plant Soil
293:1-217.
Gonçalves SC, Portugal A, Goncalves MT, Vieira R, Martins-Loucao MA, Freitas H (2007)
Genetic diversity and differential in vitro responses to Ni in Cenococcum geophilum isolates
from serpentine soils in Portugal. Mycorrhiza 17:677-686
Gonçalves SC, Martins-Louçao MA, Freitas H (2009) Evidence of adaptive tolerance to
nickel in isolates of Cenococcum geophilum from serpentine soils. Mycorrhiza 19:221-230
Gould A. B., Hendrix J. W. 1998. Relationships of mycorrhizal activity to time following
reclamation of surface mine land in western Kentucky. II. Mycorrhizal fungal communities.
Can J Bot, 76: 204-212.
Herrera A., Héry M.,. Stach JEM , Jaffré T., Normand P., Navarro E. 2007. Species richness
and phylogenetic diversity comparisons of soilmicrobial communities affected by nickelmining andrevegetation efforts in New Caledonia. European Journal of Soil Biology 43 :130139.
Héry M., Philippot L., Mériaux E., Poly F., Le Roux X. and Navarro E.. 2005. Nickel mine
spoils revegetation attempts: effect of pioneer plants on two functional bacterial communities
involved in the N-cycle. Environmental Microbiology 7 : 486-498
Jourand P, Ducousso M, Loulergue-Majorel C, Hannibal L, Santoni S, Prin Y, Lebrun M.
(2010b) Ultramafic soils from New Caledonia structure Pisolithus albus in ecotype. FEMS
Microbiol Ecol 72:238-249
Kazakou E, Dimitrakopoulos PG, Baker AJM, Reeves RD, Trumbis AY (2008) Hypotheses,
mechanisms and trade-offs of tolerance and adaptation to serpentine soils: from species to
ecosystem level. Biol Rev 83:495-508.
Lagrange, A. 2009. Etudes écologiques et microbiologiques des espèces du genre Costularia
(Cyperaceae) pionnières des sols ultramafiques en Nouvelle-Calédonie: perspectives
d’application à la restauration écologique. Thèse doctorat, Université de la NouvelleCalédoniea, Nouméa.
7 L’Huillier L. 2007. Assessment of soil seed banks for rehabilitation of nickel mines in New
Caledonia. Proceedings et communication orale au congrès « Seed Ecology », Perth
(Australie), 10-13 septembre 2007.
L’Huillier L., Jaffré T. et Wulff A. 2010. Mines et Environnement en Nouvelle-Calédonie :
les milieux sur substrats ultramafiques et leur restauration. Éditions IAC, Nouméa, NouvelleCalédonie, 412 p.
Moser AM, Petersen CA, D’Allura JA, Southworth D (2005) Comparison of ectomycorrhizas
of Quercus garryana (Fagaceae) on serpentine and non-serpentine soils in southwestern
Oregon. Am J Bot 92: 224-230.
Perrier N (2005) Bio-Géodiversité fonctionnelle des sols latéritiques miniers : application à la
restauration écologique (massif du Koniambo, Nouvelle-Calédonie). Thèse doctorat,
Université de la Nouvelle-Calédoniea, Nouméa.
Perrier N, Amir H, Colin F (2006) Occurrence of mycorrhizal symbioses in the metal-rich
lateritic soils of the Koniambo Massif, New Caledonia. Mycorrhiza 16:449-458.
Schechter, S.P. and T.D. Bruns. 2008. Serpentine and non-serpentine ecotypes of Collinsia
sparsiflora associate with distinct arbuscular mycorrhizal fungal assemblages. Mol. Ecol. 17:
3198–3210.
T. McDonald and J. Williams 2009. A perspective on the evolving science and practice of
ecological restoration in Australia: Ecological Management & Restoration 10:112- 125.
Ward S. C., Koch J.M. and Ainsworth G.L. 1996.The effect of timing of rehabilitation
procedures on the establishment of a jarrah forest after bauxite mining. Restoration Ecol.
4:19-24.
8