L’adaptation des communautés microbiennes en réponse à l’évolution physicochimique des surfaces minérales

Jeudi, 31 mai 2018

Le renouvellement des stocks de nutriments inorganiques des sols - menacés sur le long terme par l’activité humaine - pourrait ne pas être maintenu par la seule dissolution des minéraux des roches, car celle-ci décroît à mesure que les surfaces minérales "vieillissent". Ce processus est-il inexorable ? Des chercheurs issus de deux laboratoires(1) ont exploré la piste microbienne et démontré que, malgré un effet significatif sur le processus de dissolution et des signes tangibles d’adaptation au substrat minéral, les bactéries issues d’un sol forestier ne parviennent pas à rétablir en quelques semaines la vitesse de dissolution initiale de minéraux vieillis.
Évolution des vitesses de dissolution de l’olivine (A, B) et de la labradorite (C, D). Ces vitesses sont normalisées par rapport à la surface spécifique initiale et basées sur le relargage de magnésium en solution pour l’olivine et de calcium pour la labradorite. Les symboles verts et rouges représentent respectivement les expériences en milieu biotique et abiotiques. Les symboles vides correspondent aux minéraux vieillis, couverts d’une couche passivante. Les zones colorées représentent l’erreur estimée sur les vitesses de dissolution.
L’altération des minéraux constitutifs des roches joue un rôle central dans le cycle des éléments au sein de la zone critique(2) en libérant, entre-autres, une partie des nutriments inorganiques à la base du développement des écosystèmes de surface. L’anthropisation croissante du milieu naturel et son exploitation tendent à diminuer les ressources nutritives des sols, menaçant notamment la pérennité de certains systèmes forestiers.

Nous nous sommes intéressés à l’effet de deux facteurs qui influencent fortement le renouvellement des stocks de nutriments inorganiques dans les sols. Il est en effet connu que la vitesse de dissolution des silicates en contexte naturel décroît avec le temps, et que l’évolution physicochimique – ou "vieillissement" – des surfaces minérales constitue l’un des principaux mécanismes de cette décroissance. A contrario, il est admis que les micro-organismes peuvent accroître les vitesses d’altération. Au point cependant de contrebalancer l’impact des processus de vieillissement des surfaces ? Nous avons cherché à quantifier l’importance relative de ces deux facteurs antagonistes afin de pouvoir mieux prédire l’évolution à long terme de la fertilité des sols.

Nous avons  dans un premier temps démontré que la présence de fines couches superficielles, formées naturellement à la surface des silicates lors de leur dissolution par un fluide acide, diminue bien la vitesse de dissolution des minéraux primaires. Nous avons ensuite confronté des microorganismes prélevés dans un sol forestier continental (bassin versant du Strengbach, observatoire hydro-géochimique de l'environnement, OHGE) à une sélection de silicates "modèles" présentant de telles couches de surface. Si ces organismes se révèlent incapables de compenser la baisse de réactivité liée à la formation des couches superficielles, une augmentation de la dissolution d’origine biotique liée à l’exploitation du Fer (II) contenu dans certains des silicates testés a pu être mise en évidence après seulement quelques semaines d’expérience. Nous avons également observé le développement de communautés bactériennes spécifiquement associées à chaque type de minéral étudié indépendamment de son état de surface, ciblant en priorité les brèches de la couche superficielle de ces minéraux.


A, E : Images de microscopie électronique à balayage (MEB) de cellules bactériennes se développant sur des portions de surfaces d’olivine vieillies dépourvues de couches superficielles. Les lignes rouges indiquent les profils de découpe par faisceau d’ions focalisés des lames minces présentées en B et F. B, F : Image de microscopie électronique en transmission (MET) de l’interface minéral-bactérie vue en coupe. Les flèches indiquent les endroits où les images C, D, G et H ont été acquises. C, G, D, H : Images MET haute résolution des interfaces minéral-bactérie (C, G) et minéral-coating (D, H). Pt = platine ; C = carbone.
Le maintien à long terme de l’approvisionnement de la zone critique en nutriments inorganiques ne semble donc pas pouvoir être assuré par la seule action de processus chimiques ou biochimiques. Des processus physiques ou mécaniques – d’origine biotique ou non – dégradant l'intégrité des couches superficielles des minéraux apparaissent nécessaires pour assurer le renouvellement de surfaces minérales fraîches dans les sols et devront être étudiés suivant des protocoles originaux encore à définir.

Note(s): 
  1. Le Laboratoire d’hydrologie et de géochimie de Strasbourg (LHyGeS/EOST, CNRS / Université de Strasbourg / ENGEES) et l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS / Sorbonne université / IRD / MNHN)
  2. La Zone Critique désigne la pellicule la plus externe de la planète Terre, celle qui est le siège d’interactions entre la lithosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère.
Source(s): 

DOI 10.1130/G40283.1

Contact(s):
  • Bastien Wild, LHyGeS/EOST
    bwild [at] princeton [dot] edu, 03 68 85 05 56

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