Caractérisation de la niche édaphique des espèces cupro-cobalticoles du katanga (R.D. Congo) en vue de leur conservation et de leur valorisation dans des stratégies de phytostabilisation | Edaphic niche characterization of cuprophyte species from southeastern D.R. Congo for conservation and phytostabilization purposes

Французский. Les sites métallifères naturels représentent des cas d’étude uniques pour la recherche scientifique en géo-pédologie, en biologie et en éco-évolution des métallophytes. Le sud-est de la République Démocratique du Congo (R.D.C.) présente les gisements de cuivre et de cobalt parmi les plus importants au monde et considérés comme des ressources minières de hautes valeurs économiques. Les affleurements sont issus de successions géologiques durant des millions d’années. Ils forment aujourd’hui une centaine de collines isolées dans une région de 300 km de long et 50 km de large dominée par la forêt claire sèche et nommée l’Arc Cuprifère Katangais. Au sommet des collines, la proximité entre la surface du sol et l’affleurement entraine un excès de cuivre et cobalt dans la fraction biodiponible de la solution du sol qui est quasi inexistant en bas de pente. Ces teneurs dépassant les limites de tolérance pour la plupart des végétaux constituent un facteur de stress déterminant les communautés et la présence d’espèces endémiques. Plus de 550 taxa dont environ 10% identifiés comme endémiques sont répartis dans deux communautés végétales herbacées distinctes identifiées comme des savanes steppiques sur les sols peu minéralisés et des steppes sur les sols fortement minéralisés. L’impact des activités minières a aujourd’hui des conséquences majeures au niveau environnemental et sociétal menant à la disparition des sites métallifères naturels et à la pollution de sites naturels non-métallifères dont certains sont proches des habitations. Etant donné les menaces sur les espèces végétales endémiques de l’Arc Cuprifère Katangais, plusieurs stratégies de conservation in situ et ex situ ont été mises en place au cours de ces 10 dernières années en collaboration avec différentes institutions. En plus, les métallophytes constituent de véritables ressources pour la mise en place de biotechnologies telles que la phytoremédiation en raison de leur capacité de tolérance ou d’accumulation. Les sols métallifères anthropogéniques de la région pourraient donc constituer de nouveaux sites conciliant la conservation des métallophytes et la remédiation des sols pollués. Cet enjeu double exige de déterminer les relations entre les espèces et les facteurs environnementaux conditionnant leur distribution dans les sites naturels et leur performance dans les sites anthropogéniques. Cette thèse a pour but de caractériser la niche édaphique des métallophytes de l’Arc Cuprifère Katangais afin de proposer des actions associant leur conservation et la phytostabilisation des sols pollués de la région. Dans un premier axe, deux concepts fondamentaux en écologie ont été développés, la théorie des niches écologiques et le concept d’endémisme édaphique, afin de caractériser les relations entre les métallophytes et leur environnement édaphique à l’échelle des individus, des populations, des espèces et des communautés. Plusieurs espèces endémiques menacées ont été choisies comme modèles d’étude afin de déterminer l’origine de leur présence quasi-exclusive sur des sols métallifères. Un second axe a testé le succès d’introduction de ces espèces dans des stratégies de phytostabilisation en association avec une graminée pionnière Microchloa altera. Une évaluation des autres graminées de cette flore selon les critères de sélection exigés par cette stratégie a été effectuée afin de soumettre des propositions concrètes pour l’utilisation des métallophytes de l’Arc Cuprifère Katangais dans des stratégies de phytostabilisation des sols pollués. Cette thèse a mis en évidence l’existence d’une diversité de niches réalisées le long des gradients en cuivre et cobalt au sein des communautés avec une présence de taxa endémiques dans des concentrations en cuivre et cobalt généralement plus élevées que les autres sols de la région. La comparaison avec les niches fondamentales des espèces a montré que certains taxa endémiques seraient dépendants de la présence de cuivre dans le sol, qualifiés d’endémiques spécialistes tandis que d’autres seraient exclus de la végétation dominante, nommés endémiques refuges. Cette diversité d’espèces endémiques et non endémiques présentant des niches écologiques distinctes démontre que ces communautés herbacées recèlent un véritable potentiel pour les conserver dans des habitats pollués. Les essais en conditions contrôlées et en conditions réelles ont d’ailleurs démontré la possibilité d’associer ces espèces endémiques et non endémiques à des stratégies de phytostabilisation dans la région tout en pointant l’importance de leur sélection et des caractéristiques des sites à phytostabiliser.

Английский. Natural metalliferous habitats represent unique study cases for scientific research as geopedology, biology and eco-evolution of metallophytes. Southeastern Democratic Republic of Congo hosts among the most important copper and cobalt deposits of the world, having a high economic value. Copper and cobalt outcroups have been formed during billion years by geological successions. More than one hundred hills are now scattered in an area of 300 km long and 50 km large in vegetation matrix consisting on an open forest called Miombo. This area is called Katangan Copperbelt. At the top of hills, the close proximity between the deposit and the soil surface lead to a high concentration of bioavailable copper and cobalt in soil solution exceeding the tolerance threshold of most of plants. More than 550 taxa including 10 % are identified as endemics and compose two distinct herbaceous plant formations: the steppic savanna is found on the lowest minralised soils and the steppe occurs in the highest mineralized soils at the top of hills. Mining activities have dramatic consequences on environement and public health, leading to the destruction of natural meatlliferous habitats and to the creation of anthropogenic polluted sites. Considering the threat on endemic plant species of the Katangan Copperbelt, several in situ and ex situ conservation strategies have been implemented for the last ten years in collaboration with several institutions. Furthermore, metallophytes constitute remarkable resources for the biotechnologies such as phytoremediation due to their metal tolerance or their accumulation ability. Anthropogenic metalliferous sites of the Katangan Copperbelt could be considered for the conservation of metallophyte with a perspective of remediation of polluted soils. Both challenges require the characterization of the environmental factors determining the distribution of plant species in natural sites and their performance in anthropogenic sites. This thesis aims at characterising the edaphic niche of metallophytes from the Katangan Copperbelt in order to propose actions combining the conservation of metallophyte and the phytostabilisation of polluted soils. The first axis focused on the study of two fundamental concepts in ecology, the theory of ecological niche and the concept of edaphic endemism, in order to understand the plant-soil relationships. Threatened endemic species were chosen as study case to determine the cause of the restricted distributions of metallophytes on metalliferous soils. The second axis tested the success of the establishment of endemic metallophytes in phytostabilisation strategies using the grass Microchloa altera. An assessment of the potential of other grasses was performed based on the specific criterions needed in phytostabilisation in order to identify candidate species for conservation–phystabilisation strategies.