Chaire AXA en Ecologie Microbienne et Ingénierie des Ecosystèmes

Outcome report summary

Les engrais à base d'azote sont un mal nécessaire si nous voulons nourrir une population humaine en constante augmentation. Mais la pollution de l'air et de l'eau qui en résulte ne fera qu'empirer à mesure que notre dépendance aux engrais augmentera. Comment pouvons-nous produire suffisamment de denrées alimentaires sans provoquer une catastrophe environnementale ? Le professeur Graeme Nicol, titulaire d’une chaire AXA au Nicol Lab de l'Ecole Centrale de Lyon, a passé les cinq dernières années à évaluer la contribution des micro-organismes du sol aux processus du cycle de l'azote. Bien qu'il puisse être difficile d'imaginer les effets sur l'environnement d'organismes aussi minuscules, cette compréhension élémentaire de leurs caractéristiques physiologiques pourrait être utile à l'avenir pour mettre au point des engrais deux fois moins polluants.

Les effets environnementaux des engrais à base d'azote

L'azote, un composant essentiel de tous les organismes vivants, se trouve en abondance dans l'atmosphère et peut être "fixé" à l'hydrogène pour produire de l'ammoniac. Une fois ajouté dans le sol, les cultures utilisent cet ammoniac comme source d'azote essentielle. Les terres fertilisées produisent bien sûr davantage de denrées alimentaires. Mais ces engrais azotés accélèrent également les processus naturels du cycle de l'azote, ce qui peut entraîner le lessivage de l'excès de nitrate dans les cours d'eau et une transformation accrue de l'azote en protoxyde d'azote, un gaz à effet de serre. Les acteurs clés de ces processus sont les micro-organismes du sol, qui ont été l'objet des recherches du professeur Nicol pendant les cinq années de sa chaire.

Contributions des micro-organismes du sol à la pollution

Les bactéries et les archées sont des micro-organismes présents dans le sol qui convertissent l'ammoniac - y compris l'ammoniac provenant des engrais- avant que les plantes n'aient la possibilité de l'absorber. Bien que ces organismes "oxydant l'ammoniac" se ressemblent beaucoup au microscope, le laboratoire du professeur Nicol a mis en évidence leurs caractéristiques et leurs contributions bien différentes aux processus du cycle de l'azote. Tout d'abord, le professeur Nicol a découvert que les bactéries oxydant l'ammoniac contribuent davantage à la pollution atmosphérique que les archées, car elles produisent deux fois plus de protoxyde d'azote, un gaz à effet de serre. Deuxièmement, les bactéries et les archées oxydant l'ammoniac ont des préférences différentes en matière d'engrais : les bactéries utilisent les engrais inorganiques à base d'ammoniac typiquement "fabriqués par l'homme", alors que les archées les évitent parfois et préfèrent recourir à des sources d'azote plus organiques. Ces connaissances peuvent permettre de développer des engrais "intelligents", à libération lente, auxquels les bactéries polluantes ont plus de mal à accéder.

Des sols différents

La prise de conscience par le professeur Nicol que des sols différents contiennent des micro-organismes aux caractéristiques très variées a également inspiré des collaborations visant à mieux comprendre la physiologie des oxydants de l'ammoniac de différents sols. Par exemple, des collaborations avec des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences se sont concentrées sur le cycle de l'azote dans des sols chinois uniques, comme le sol dédié à la culture du thé qui est très acide. Le professeur Nicol a également souligné les défauts méthodologiques existants qui ne tiennent pas compte des différences entre les sols et les micro-organismes, comme l'utilisation d'un seul test pour caractériser diverses communautés microbiennes.

Implications pour l'industrie : engrais à libération lente

Les engrais azotés à libération lente sont des engrais liés à des composés qui empêchent l'ajout rapide d'ammoniac dans le sol. Il en résulte une libération plus progressive de l'azote qui augmente l'efficacité des engrais en permettant aux plantes d'absorber davantage d'azote et en réduisant la transformation excessive de l'ammoniac en nitrate par les micro-organismes du sol. En effet, les expériences de laboratoire du professeur Nicol ont révélé une réduction de 50 % des émissions nocives de protoxyde d’azote lors de l'utilisation d'engrais à libération lente par rapport aux engrais traditionnels. Une fois validées sur le terrain, ces nouvelles connaissances pourraient s'avérer essentielles pour les fabricants d'engrais industriels.

Orientations futures

La chaire quinquennale a donné naissance à trois nouveaux axes de recherche. Le professeur Nicol travaillera avec des collaborateurs en Grèce et en Autriche, dans le cadre d'un projet financé par l'UE appelé ACTIONr, afin d'évaluer l'effet et la sécurité des "inhibiteurs de nitrification" synthétiques, qui sont des composés réduisant l'activité de nitrification. Deuxièmement, il étudiera le potentiel prometteur des inhibiteurs de nitrification biologiques produits par les plantes - les plantes produisent ces composés pour obtenir un avantage concurrentiel sur les communautés microbiennes pour l'azote. L'utilisation de ces composés naturels permettrait d'éviter les désagréments des inhibiteurs de nitrification synthétisés artificiellement. Enfin, le professeur Nicol espère que la découverte des interactions spécifiques entre les oxydants de l'ammoniac et les virus des oxydants de l'ammoniac facilitera également le développement de méthodes permettant de contrôler l'activité de nitrification.

Novembre 2022