Les microorganismes représentent la majorité de la biomasse des sols

Les microorganismes représentent la majorité de la biomasse des sols

Les sols sont des milieux complexes, composés typiquement de 25% d’air, 25% d’eau, 45% de minéraux et 5% de matière organique en volume . Substrat de la majorité des végétaux terrestres, le sol est aussi le lieu de vie d’une grande diversité d’organismes hétérotrophes. On divise fréquemment ceux-ci en macro-organismes (organismes de plus de 2mm), méso-organismes (0,1-2mm) et micro-organismes (moins de 0,1mm).

Les macro-organismes du sol comprennent par exemple les taupes, les fourmis et les lombrics.

Les méso-organismes comprennent des espèces telles que les collemboles et les acariens, dont les rôles dans la décomposition des déchets organiques ont été abondamment documentés . Alors que la plupart des macro-organismes et méso-organismes appartiennent au règne animal, les microorganismes appartiennent à des taxons plus variés. Ainsi, si l’on trouve dans un sol naturel des métazoaires comme les nématodes et des tardigrades, on y trouve aussi des bactéries, des algues, des archées et des champignons. La biomasse microbienne est la masse que pèsent les microbes d’un sol donné. Son estimation est un sujet complexe et de nombreuses méthodes de mesure existent. Un parcours de littérature semble cependant indiquer que la biomasse carbone microbienne représente environ 500 mg de carbone microbien par kg de sol, d’après la méthode de fumigation-extraction. Ce chiffre est à mettre en regard de la biomasse des autres organismes : Ainsi Weil et Al estiment que dans les horizons supérieurs du sol, la biomasse des microorganismes est comprise entre 180 et 2580 grammes par mètre carré, alors que celle des macro-organismes et méso-organismes est comprise entre 13 et 450 grammes par mètre carré . On peut donc retenir que dans le sol, en matière de biomasse, les microorganismes sont environ dix fois plus importants que les macro  et méso-organismes. En nombre de cellules, dans les 30 premiers centimètres du sol, on peut trouver 10 milliards de cellules détectables au microscope par gramme de sol . En plus de représenter la majorité de la biomasse du sol, les microorganismes sont donc extrêmement nombreux. Or, ces microorganismes réalisent des opérations à l’importance majeure en agronomie et en écologie .

Les microbes du sol ont des rôles majeurs en écologie et agronomie

Les microorganismes sont des acteurs clefs des cycles géochimiques.

• A presque toutes les étapes du cycle de l’azote, des microorganismes sont présents. Le diazote contenu dans l’air entre dans la biomasse après avoir été fixé par des microorganismes. Par la suite, il peut être oxydé par des bactéries nitrifiantes, puis renvoyé dans l’atmosphère par des microorganismes dénitrifiants. Les microorganismes sont également responsables d’une partie du recyclage de la matière azotée contenu dans la biomasse des végétaux et des animaux morts .

• Le cycle du carbone est également en partie déterminé par des microorganismes du sol : les composés organiques, au premier rang desquels la cellulose et la lignine contenues dans les tissus végétaux, sont dégradés par des microorganismes, qui peuvent s’en servir comme source d’énergie et relâcher du CO2 dans l’atmosphère ; ou participer au stockage de carbone dans les sols. Dans un contexte de dérèglement climatique, ces mécanismes ont été largement étudiés, dans l’espoir d’exploiter le potentiel de puits de carbone des microbiotes.

• Les microorganismes sont également responsables de la dégradation de nombreux polluants chimiques. Certains produits phytosanitaires, comme le 2,4,5-T (agent orange), ou le chlordécone sont connus pour les dégâts environnementaux qu’ils peuvent causer. Si ces composés ne sont pas rapidement dégradés, ils peuvent se retrouver dans les cours d’eau et dans l’alimentation du bétail ou des humains et causer des problèmes de santé publique parfois dramatiques. Or, les microbiotes sont au cœur de cette éventuelle dégradation . Il en est de même, pour certains polluants industriels non liés à l’agriculture .

Ces propriétés font que les microbiotes des sols sont abondamment étudiés par les chercheurs en écologie. Mais les microorganismes entretiennent également des relations avec les plantes qui intéressent les agronomes. En effet, depuis leur apparition sur Terre, les végétaux aériens sont au contact avec des microbes. Cette longue histoire de coévolution a abouti au développement d’interactions mutuellement bénéfiques pouvant aller jusqu’à la symbiose. Il en résulte que les microbiotes ont une grande influence sur le développement des plantes et de nombreux rôles en agriculture :

• Ils ont des rôles bien documentés dans l’alimentation des plantes : ils sont capables de rendre le diazote de l’air et le phosphore du sol assimilables par les plantes, de constituer des stocks labiles de ces nutriments et d’étendre la surface de captage des nutriments dans le cas des mycorhizes.
• Les sols renferment à la fois des microorganismes pathogènes des plantes et des remèdes contre ces maladies. Il a ainsi été prouvé que certains microbiotes des sols protégeaient les plantes contre les infections et les parasites. La souche bactérienne Bacillus thuringiensis, principal succès du biocontrôle est connue pour ses propriétés insecticides et elle est aujourd’hui massivement utilisée pour lutter contre certains ravageurs.
• De nombreux microorganismes sécrètent des hormones végétales qui influent sur le développement des plantes (ce qui prouve au passage le niveau d’intrication entre microorganismes et végétaux)
• Les microorganismes structurent le sol. Il a par exemple été montré que la synthèse de glomaline par certains champignons favorisait la formation d’agrégats solides, eux-mêmes bénéfiques à la fertilité des sols. Ils sont également responsables de la dégradation de la matière végétale introduite dans les champs, et de la formation de l’humus.
• Certains microbes protègent les plantes de différents stress abiotiques  : manque d’eau, hyper salinité, acidité…
• Des champignons sont étudiés pour leur potentiel d’herbicides biologiques .

Une vaste littérature scientifique s’y intéresse donc depuis le début du XXème siècle. Dès cette époque, on avait compris que les microorganismes du sol avaient un rôle dans la nutrition des plantes, donc une utilité potentielle. Aujourd’hui, conscients des dégâts causés par l’épandage d’engrais et de produits phytosanitaires chimiques, la communauté scientifique et les industriels du secteur voient dans les microorganismes des alternatives a priori moins polluantes à ces substances ; une opportunité de concilier productivité et préservation de l’environnement. Les avancés dans ce secteur sont particulièrement utiles aux exploitations qui ont fait le choix d’une agriculture sobre en intrants, par exemple celles en agriculture biologique.

Table des matières

1 Introduction générale
2 Les microorganismes du sol fournissent des services écosystémiques à l’agriculture
2.1 Les microorganismes représentent la majorité de la biomasse des sols
2.1.1 Les microbes du sol ont des rôles majeurs en écologie et agronomie
2.2 Les microbes du sol sont variés et peu connus
2.2.1 La phylogénie donne peu d’information sur les fonctions agricoles
2.2.2 L’étude des microbiotes des sols a besoin d’outils de caractérisation fonctionnelle
2.3 Conclusion
3 Etat de l’art sur la solubilisation du phosphate en agriculture
3.1 Le phosphore est nécessaire à la vie
3.2 Les plantes ont besoin de phosphore pour se développer
3.3 Seule une fraction du phosphore des sols est accessible aux plantes
3.3.1 Le phosphore minéral se lie avec des ions métalliques du sol
3.3.2 Les formes organiques se lient avec les ions métalliques du sol et doivent être hydrolysées
3.4 Le phosphore épandu n’est pas toujours intégré au sol
3.5 Les microorganismes du sol ont une influence sur la disponibilité du phosphore
3.5.1 La production d’acides organiques et autres chélatants rend le phosphate disponible
3.6 Comment déterminer qu’un microbe solubilise le phosphate ?
3.6.1 La voie de la génétique
3.6.2 La détection de halos après culture
3.7 Conclusion sur la solubilisation du phosphate en agriculture
4 Présentation de notre dispositif millifluidique
4.1 Qu’est-ce que la millifluidique/microfluidique de goutte ?
4.1.1 Généralités
4.1.2 La microfluidique multi-phases
4.2 Notre dispositif d’étude : la millifluidique de gouttes MilliDrop
4.3 Génération d’un train de gouttes dans une machine MilliDrop
4.3.1 Préparation de la plaque
4.3.2 Génération des gouttes (durée totale : environ une heure)
4.3.3 L’incubation (jusqu’à 50h environ)
4.3.4 Traitement des données
4.3.5 Récupération de gouttes d’intérêt (facultatif)
4.4 Les intérêts de notre dispositif
5 Validation de la technologie sur l’énumération de microorganismes du sol
5.1 L’estimation de la biomasse microbienne du sol
5.1.1 La mesure d’un nombre de cellules microbiennes
5.1.2 La mesure de la masse de carbone digestible
5.1.3 La mesure d’une activité métabolique
5.1.4 La mesure de la quantité d’ADN microbien
5.1.5 Conclusion sur ces méthodes
5.2 Comment cultiver et détecter des microorganismes en gouttes ?
5.2.1 Choix du milieu
5.2.2 Comment détecter les microbes qui poussent en goutte ?
5.3 Comment estimer le nombre de cellules cultivables dans une suspension ?
5.3.1 Calcul d’espérance pour λ = 1
5.3.2 Afin de couvrir une gamme de concentrations large, nous avons réalisé des dilutions successives
5.3.3 Conclusion
5.4 Validation de la méthode de comptage en gouttes avec quelques souches de laboratoire
5.4.1 Préparation des milieux de culture
5.4.2 Protocole
5.4.3 Résultats
5.5 Transfert à des échantillons de microbes du sol
5.5.1 Protocole
5.5.2 Résultats
5.5.3 Variabilité entre les sols
5.6 Analyse des paramètres de croissance
5.6.1 Protocole d’analyse des courbes
5.6.2 Présentation des résultats
5.7 Conclusion sur l’évaluation de la biomasse en gouttes
6 Transfert en gouttes des tests de solubilisation du phosphate
6.1 Le test classique sur boîtes de Petri
6.2 Adaptation du test en milieu liquide
6.2.1 Phase I : recherche d’une taille de particules suffisamment faible
6.2.2 Phase II : recherche d’un dispersant biocompatible
6.2.3 Phase III : Stérilisation de notre milieu
6.2.4 Toxicité du polyacrylate
6.2.5 Conclusion
6.3 La dissolution de l’hydroxyapatite est en théorie contrôlée par le pH et la présence de chélatants
6.3.1 Simulation
6.3.2 Mesure du pH en gouttes
6.3.3 Lien entre pH et état des particules
6.4 La biomasse fait augmenter le signal de scattering, mais dans des proportions
négligeables face aux particules minérales
6.5 Analyse des sols
6.5.1 Notre dispositif expérimental permet de distinguer les sols selon leur capacité à faire diminuer le signal de scattering
6.5.2 Étude du lien entre scattering et pH
6.6 Les concentrations trouvées sont-elles comparables avec les concentrations en
solubilisateurs d’après la méthode sur boîte de Petri ?
6.6.1 Choix d’une durée d’incubation sur boîte de Petri
6.6.2 La corrélation halos/chutes du signal de scattering est beaucoup moins bonne que pour la biomasse.
6.7 Conclusion sur le phosphate
7 Conclusion générale
8 Annexes

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