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Transformations microbiennes des propriétés des sols

Dans tout écosystème terrestre, les éléments nécessaires à la vie (éléments biogènes) sont successivement incorporés dans les différentes composantes vivantes (plantes, animaux, microflore), puis libérés. On dit qu'il y a renouvellement ou turnover des éléments. Ces transformations cycliques subies par les éléments constituent le cycle de la matière. Tout comme l'apport continu d'énergie, fournie par le soleil et captée par les organismes photosynthétiques, principalement les plantes, ces transformations cycliques (cf. cyclesbiogéochimiques) sont indispensables au maintien de la vie sur la Terre.

L'importance de l'intervention des micro-organismes dans le cycle de la matière varie suivant l'élément considéré. Dans le cas de carbone (C), d'azote (N), de soufre (S), elle est capitale, puisque l'absence, voire l'inactivité des micro-organismes, entraînerait un arrêt de l'approvisionnement naturel des sols en azote et un blocage du turnover de C, N, S se traduisant par l'accumulation de ces éléments sous forme organique inutilisable par les végétaux. Dans le cas des autres éléments, tels que le phosphore (P), l'intervention microbienne est beaucoup plus discrète. Lorsqu'on fait le bilan d'un élément dans le cadre d'un écosystème sol-végétation (atmosphère non comprise), on constate que les transformations microbiennes peuvent contribuer à l'enrichir ou à l'appauvrir ; à ces gains et pertes d'origine biologique peuvent s'ajouter des gains ou pertes d'origine non biologique. Lorsque l'écosystème est à l'équilibre, les gains d'origine biologique et non biologique compensent les pertes.

Cycle du carbone

Le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique est fixé essentiellement par les organismes autotrophes photosynthétiques (végétaux chlorophylliens) et, accessoirement, par les micro-organismes chimiosynthétiques.

Les résidus végétaux et les cellules microbiennes s'incorporent au sol avec les résidus animaux pour y constituer le compartiment de la matière organique non humifiée dont une partie est ultérieurement minéralisée et réabsorbée par les plantes et une autre partie humifiée. Les composés de néosynthèse ou résiduels constituant la matière organique humifiée sont progressivement associés aux particules minérales du sol pour constituer le compartiment organo-argileux qui joue un rôle majeur dans les sols dont la teneur en argile est supérieure à 10 p. 100.

Sols : cycle du carbone

Dessin : Sols : cycle du carbone

Cycle du carbone. On a représenté par un trait plein les transformations de nature microbienne et par un trait interrompu les transformations non microbiennes. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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L'oxydation microbienne de la matière organique humifiée est beaucoup plus lente que celle de la matière organique non humifiée. Dans l'écosystème sol-végétation, les gains de carbone résultent essentiellement de l'activité photosynthétique, alors que les pertes proviennent de la respiration (ou des phénomènes de fermentation) des agents (plantes, animaux, micro-organismes) qui constituent la biocénose ; à ces pertes peuvent s'ajouter des pertes d'origine non biologique : exportation par les récoltes et les feux, le lessivage, l'érosion.

Cycle de l'azote

L'atmosphère constitue la principale réserve azotée utilisable par la biosphère. Mais l'azote atmosphérique ne peut être utilisé tel quel par la plupart des organismes vivants qui ont besoin d'azote combiné, minéral ou organique. Seuls font exception à cette règle les micro-organismes fixateurs d'azote libres (par exemple, Azotobacter, Beijerinkia, Clostridium, Klebsiella, Azospirillum, Herbaspirillum, Acetobacter ; et certaines cyanobactéries) ou vivant en symbiose avec les plantes vertes (par exemple, Rhizobium, Frankia, Nostoc, Anabaena).

Cycle de l'azote

Vidéo : Cycle de l'azote

Gazeux, minéral ou organique, l'azote est au centre d'un système d'échanges fondamental pour la biosphère : le cycle de l'azote.L'azote gazeux constitue 78 p. 100 des gaz atmosphériques. Il est un élément indispensable à tous les organismes vivants qui l'utilisent pour synthétiser les... 

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Chez les plantes qui ne sont pas associées symbiotiquement avec ces derniers micro-organismes, et qui constituent la majorité du monde végétal, la nutrition azotée doit se faire exclusivement sous forme nitrique ou ammoniacale. Étant donné que les réserves azotées des sols sont essentiellement sous forme organique, sauf dans le cas de l'application massive d'engrais azotés minéraux, il est nécessaire que cet azote organique soit minéralisé pour pouvoir être utilisé par les plantes. Ce sont uniquement des micro-organismes qui effectuent cette minéralisation ; celle-ci comporte deux étapes : l'ammonification et la nitrification. Parallèlement, une fraction des micro-organismes entre en compétition avec les plantes pour consommer l'azote minéral du sol : c'est le processus d'immobilisation, aussi appelé réorganisation. L'azote nitrifié peut être réduit en azote (N2) ou en oxyde d'azote (N2O) par les micro-organismes de la dénitrification, l'azote gazeux ainsi formé rejoignant le pool de l'azote atmosphérique. Ces différentes transformations microbiennes contribuent à l'enrichissement ou à l'appauvrissement en azote de l'écosystème sol-végétation ; les gains résultent de la fixation de N2 par la microflore fixatrice, et les pertes sont dues à la dénitrification.

Sols : cycle de l'azote

Dessin : Sols : cycle de l'azote

Cycle de l'azote (activités microbiennes en traits pleins). On n'a pas fait figurer sur ce schéma les pertes et gains d'azote d'origine non biologique (cf. texte). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ces processus biologiques se superposent aux processus non biologiques : apports par les eaux météoriques ou d'irrigation, engrais et semences, adsorption de l'ammoniac atmosphérique ; pertes par volatilisation de l'ammoniac et réactions chimiques de dénitrification, exportation par les récoltes ou les feux, par le lessivage et par l'érosion.

Cycle du soufre

La réserve de soufre de la biosphère se trouve dans les roches sédimentaires (sulfates) ou éruptives (sulfures). Les plantes et la plupart des micro-organismes utilisent directement le soufre sous forme de sulfate. Le soufre retourne au sol avec les protéines contenues dans les résidus et cadavres végétaux, animaux et microbiens ; il s'intègre à la fraction organique non humifiée, puis en partie à l'humus. Le soufre organique du sol est ensuite minéralisé plus ou moins rapidement sous forme de sulfure d'hydrogène (H2S) par de nombreux micro-organismes. H2S est oxydé à son tour et donne des sulfates sous l'action de bactéries chimiolithotrophes appartenant essentiellement au genre Thiobacillus. Les transformations consistant dans l'utilisation des sulfates par la microflore sont, comme dans le cas de l'azote, désignées sous le terme d'immobilisation. De même que les nitrates peuvent être réduits par voie microbienne (dénitrification), de même les sulfates ou le soufre élémentaire peuvent être réduits en H2S. Ce processus, désigné sous le nom de sulfatoréduction, est le fait de micro-organismes appartenant à différents genres dont Desulfovibrio, Desulfotomaculum et Desulfomonas. L'écosystème sol-plante s'enrichit ou s'appauvrit en soufre essentiellement au travers de processus non biologiques : apports par les eaux météoriques et les engrais, pertes par exportation par les récoltes, le lessivage, l'érosion ; les perte [...]

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Interaction entre la microflore et les autres composantes

Interaction entre la microflore et les autres composantes
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Sols : cycle du carbone

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Cycle de l'azote

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Sols : cycle de l'azote

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  • : directeur de recherche émérite au C.N.R.S. ingénieur agronome, ingénieur des Eaux et Forêts

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Yvon DOMMERGUES, « SOLS - Microbiologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/sols-microbiologie/