Animateurs : Eric BLANCHART, Claude PLASSARD

Participants : 14 chercheurs et 14 ingénieurs et techniciens

Le fonctionnement et la contribution des sols aux services écosystémiques reposent en grande partie sur les fonctions réalisées par les organismes du sol et les racines des végétaux dans les processus écologiques. Ces fonctions majeures, telles que la décomposition de la matière organique, la minéralisation/immobilisation des nutriments, la bioturbation, la modification des cycles hydrologiques, affectent en effet les services écosystémiques que sont le recyclage des nutriments, la production primaire, le stockage de C et la régulation du climat.

Au cours des dernières décennies, les activités humaines, et en particulier l’agriculture, ont fortement dégradé les écosystèmes. Les sols sont fortement affectés dans la plupart des agro-écosystèmes par rapport aux écosystèmes naturels : baisse de la biodiversité, baisse des teneurs en matière organique, érosion, compaction… Un défi scientifique majeur est de concevoir des systèmes de culture à bas niveaux d’intrants à la fois productifs, durables et respectueux de l’environnement.

Ces systèmes de culture alternatifs redonnent une place centrale aux processus écologiques fondés sur les fonctions des organismes du sol et des racines des végétaux. On parle alors d’intensification écologique, d’agriculture de conservation, d’agriculture biologique ou d’agro-écologie.
La conception de pratiques agronomiques capables de promouvoir les processus écologiques nécessite une amélioration des connaissances actuelles du fonctionnement biologique du sol, en particulier du rôle des organismes, des interactions trophiques ou non trophiques et de la biodiversité. L’objectif du thème de recherche Sols, activités et réseaux biologiques d’Eco&Sols est ainsi de décrire, comprendre et utiliser les processus biologiques de régulation de (i) la dynamique des nutriments N et P, et leur biodisponibilité pour les plantes, (ii) la séquestration de C et (iii) l’éco-dynamique des contaminants biologiques.

Les domaines fonctionnels de régulation d’activité microbienne que sont la rhizosphère, la détritusphère, les tubes digestifs et déjections des invertébrés (structures biogéniques) seront particulièrement étudiés. L’originalité majeure au sein de ce Thème consistera à confronter ces domaines fonctionnels et à évaluer comment ils interagissent entre eux et comment ils déterminent les flux à une échelle plus globale, i.e. profil de sol. L’originalité de nos travaux réside aussi dans la prise en compte des interactions (i) entre organismes dans les processus de symbiose, de facilitation, de prédation et de compétition (réseaux multi-trophiques), et (ii) entre organismes et leur environnement physico-chimique à l’échelle des microsites.

Les expérimentations sont conduites en laboratoire (micro et mésocosme) et sur le terrain. Ces expérimentations différencient les populations d’organismes du sol afin d’étudier les processus liés à leur présence.

La modélisation des cycles biogéochimiques ne prennent actuellement que peu en compte de façon explicite les activités biologiques. Le développement de nouveaux modèles sont en cours avec INRIA ou avec IMMISCO, i.e. modèle SWORM – Blanchart et al., 2009 – et modèle MIOR– Masse et al., 2007.

 










 

Questions et hypothèses de recherche du thème Sols, activités et réseaux biologiques

1. Processus biologiques de régulation de la dynamique des nutriments N et P, et de leur biodisponibilité pour les plantes.

Ce point est mené en lien avec le thème 2 « Nutriments et Intensification biologique ».

• Quels sont les processus biologiques mis en jeu dans la mobilisation du P organique qui peut constituer jusqu’à 90% du pool de P total du sol ? Notre hypothèse est que les microorganismes associés aux racines (champignons mycorhiziens, bactéries rhizosphériques) ou non (bactéries associées aux champignons mycorhiziens, bactéries de la détritusphère, du tube digestif ou des déjections des invertébrés) présentent des capacités variées de production de phosphatase en termes de spécificité et d’activité.
• Quelles sont les conditions biophysiques locales qui contrôlent l’activité des communautés microbiennes responsables des différentes étapes de la dynamique de l’azote (ammonification, nitrification et dénitrification) ? En quoi ces facteurs biotiques sont génériques et spécifiques des différents domaines fonctionnels de régulations ?
• Quelle est l’importance du P sur la fixation symbiotique de l’N ? La sélection de généotypes de légumineuses à forte efficacité pour l’utilisation du P ou de souche rhizobiennes performantes pour ces légumineuses doivent optimiser la fixation symbiotique de l’azote. La question de recherche inverse est aussi étudiée: quelle est l’importance de l’N sur la mobilisation du P par les plantes ? Le processus de facilitation entre une plante annuelle ou pérenne non fixatrice et une légumineuse modifie la disponibilité de N dans chacune des rhizosphères et affecte en retour la mobilisation de P (par des effets directs ou indirects comme une modification du pH). D’autre part la prédation des bactéries rhizosphériques par des bactérivores modifie la dynamique couplée de N et P et leur biodisponibilité pour la plante.

2. Processus biologiques de régulation de la séquestration de C.

Ce point est mené en lien avec le thème 3 « Carbone et changements globaux ».
La dynamique du carbone organique du sol est déterminée par des facteurs abiotiques tels que le type de sol, l’humidité et la température du sol, mais aussi par le type de matière organique fraîche apportée et les communautés microbiennes du sol.

• Est-ce que la modification des déterminants abiotiques (température, humidité du sol) entraîne des modifications de communautés microbiennes du sol en même temps que des modifications de minéralisation du C organique du sol ?
• Est-ce que la stimulation de la minéralisation de la matière organique du sol suite à un apport de matière organique fraîche, « priming effect », est dépendante de la nature de l’apport organique, de la minéralogie des sols, de la composition fonctionnelle des communautés microbiennes ? l’importance de la disponibilité de N et P dans le sol sur le priming effect est aussi envisagée.
• Quelles sont les conditions biophysiques locales qui contrôlent l’activité des communautés microbiennes responsables des flux de N2O ? En quoi ces facteurs biotiques sont génériques et dans les différents domaines fonctionnels de régulations ?

3. Processus biologiques de régulation de de l’éco-dynamique des contaminants biologiques.

Les contaminants biologiques de nature protéique d’origine biologique ont un pouvoir pathogène dépendant de leur conformation. Or, dans le sol, ces protéines s’adsorbent sur diverses surfaces organo-minérales entraînant ainsi d’éventuelles modifications de leur conformation. Par ailleurs, ces phénomènes d’adsorption jouent sur les transferts de ces contaminants et leur résistance à la biodégradation par les microorganismes. Nos questions de recherche sont :

• quelle est la persistance de ces contaminants dans les sols ? et
• quelle est la hiérarchisation des facteurs biotiques et abiotiques de cette persistance  ?

Nos cibles d’études sont les protéines prion, les protéines insecticides Bt des plantes génétiquement modifiées et le virus de la grippe aviaire. Les domaines fonctionnels de régulation d’intérêt pour ces contaminants sont leur point d’entrée dans l’environnement:

• pour la protéine prion – la détritusphère (déjections animales, placenta, farines animales, effluents d’abattoir)
• pour Bt – la détritusphère (décomposition de résidus de culture OGM) et la rhizosphère (rhizodépôts)
• pour le virus de la grippe aviaire - la détritusphère (fientes d’oiseaux).

Pour tous ces contaminants, un autre domaine fonctionnel de régulation important est le tube digestif des vers de terre. L’hypothèse est que l’activité protéolytique dans le tube digestif des vers de terre est susceptible d’affecter le pouvoir pathogène de ces contaminants et, ainsi, les conséquences de leur dissémination spatiale par bioturbation.