Comment la dispersion des bactéries du sol loin des zones concentrées en carbone organique peut-elle favoriser la dégradation de ce dernier ?

Article dans Soil Biology and Biochemistry
dispersion des bactéries

Les sols contribuent à assurer une grande partie des besoins humains essentiels. Le carbone organique présent dans les sols est l'un des éléments clés de leur fonctionnement. De ce fait, la dégradation des molécules organiques par les microorganismes présents au sein des sols est un processus impliqué dans la qualité agronomique et écologique des sols, leur impact sur le climat, la remédiation des polluants organiques... De nombreux facteurs jouent sur ce processus de dégradation, comme le climat, la nature du sol... ou encore la localisation des microorganismes et des molécules organiques (appelées "substrats"). Cette dernière question est particulièrement délicate à étudier, du fait de la difficulté à observer les mécanismes en jeu dans un milieu spatial aussi complexe qu'un sol et à une échelle aussi fine que celle des microorganismes.

Une étude finalisée le 22 novembre 2021 dans la revue Soil Biology and Biochemistry par des scientifiques de Géosciences Rennes, de Stanford University (Earth systems), de Mistea, d’Ecosys et de l’iEES Paris a cherché à comprendre comment les processus de transport et les répartitions spatiales de bactéries et de substrat organique soluble au sein du sol influençaient la dégradation de ce substrat par les bactéries.

La confrontation d'expériences numériques et d'expériences en colonnes réduites de sol reconstitué a montré que cette question à première vue d'ordre spatial ne pouvait pas être résolue sans connaître les traits biologiques des bactéries. Les bactéries des sols font en effet preuve d'une grande diversité de métabolismes et de comportements pour acquérir leurs ressources. En fonction de l'efficacité des bactéries à consommer leur substrat, leur activité peut être principalement limitée tantôt par la dilution du substrat, tantôt par la compétition exercée par les autres bactéries.

Équilibre dilution-compétition

La dilution constitue en effet un frein important à la dégradation. Les bactéries trop éloignées de la zone de provenance de leur substrat sont exposées à des concentrations en substrat trop diluées pour que leur activité biologique soit significative. A l'opposé, les bactéries trop proches de la zone de provenance du substrat se retrouvent dans des zones soumises à une forte compétition. A l'échelle millimétrique, cette compétition se traduit par un effet "d'écran", privant une partie des bactéries du substrat consommé par les bactéries mieux placées. Un peu comme lorsque la prolifération de certaines espèces aquatiques en surface d'un lac finit par priver d'oxygène les espèces au fond du lac. Le modèle prédit alors l'apparition de certaines zones de sol dépourvues en substrat, malgré un flux diffusif de substrat vers ces zones (Fig. 1).

Fig. 1 : Profils de concentrations en substrat (rouge) et en bactéries (vert) prédits après 6 jours de diffusion et dispersion. Pour des bactéries peu efficaces (A et B), les zones les plus concentrées en substrat restent relativement proches de l’origine. Pour des bactéries efficaces (C et D), le regroupement des bactéries entraîne un épuisement de la majeure partie de la zone occupée. Malgré un nombre total de bactéries dans le système similaire dans les 4 situations, la dégradation totale est largement plus élevée dans la dernière situation (D).

Pour limiter la compétition, les bactéries ont alors intérêt à être dispersée sur des volumes plus larges, se retrouvant ainsi pour certaines dans des zones éloignées vers lesquelles le substrat diffuse progressivement. Car même lorsque les bactéries sont efficaces et regroupées à l’endroit de provenance du substrat, elles n'interceptent qu'une petite fraction du substrat, et le reste diffuse dans le sol voisin.  Ainsi, contre-intuitivement au premier abord, la dispersion des bactéries vers des zones initialement plus pauvres (à la fois en substrat et en bactéries) favorise finalement la dégradation sur le long terme. À condition que cette dispersion reste modérée, au risque sinon pour les bactéries de se retrouver dans des zones trop diluées car trop lointaines.

Rôle des traits biologiques bactériens

Il découle de ce numéro d’équilibriste une "dispersion optimale" des bactéries du sol, ni trop étalées ni trop regroupées. La valeur de cette dispersion optimale dépend essentiellement de l'efficacité des bactéries à consommer leur substrat. Les bactéries qui peuvent capturer leur substrat le plus efficacement sont en effet à la fois les plus compétitives et les moins sensibles à la dilution du substrat. Il en découle une relation croissante entre l’efficacité des bactéries et leur dispersion optimale (autrement dit, leur intérêt à être dispersées). Étant donnée la forte efficacité des bactéries généralement rencontrées dans les sols nus, la relation précédente prédit un rôle accru à la compétition bactérienne dans ces environnements, et met en lumière une activité inattendue des zones « pauvres » du sol.

Plus généralement, ces résultats permettent d’esquisser une relation théorique entre la mobilité des molécules organiques dans le sol, la mobilité des bactéries, leur localisation optimale dans le sol et leur efficacité de consommation des molécules organiques.

Référence : Competition within low-density bacterial populations as an unexpected factor regulating carbon decomposition in bulk soil. Alexandre Coche, Tristan Babey, Alain Rapaport Laure Vieublé Gonod, Patricia Garnier, Naoise Nunan, Jean-Raynald de Dreuzy. Soil Biology and Biochemistry. 2022, 164, art n°108423. DOI: 10.1016/j.soilbio.2021.108423

Accès gratuit à l'article : https://authors.elsevier.com/a/1e7Kq8g13Q0VS