Les Enzymes du Sol

par LUGLIA Mathieu

Bioindicateurs de l’évolution de la matière organique, des relations fonctionnelles et des interactions sol-microorganisme-plante, et de la vulnérabilité des fonctions microbiennes des sols

Introduction

Les enzymes sont des protéines dont le rôle universel est de catalyser les transformations d’une multitude de composés chimiques. De fait, elles interviennent à tous les niveaux trophiques des différents écosystèmes de la biosphère en permettant aux organismes d’assurer les fonctions essentielles de fixation, de transformation et de minéralisation des différents bioéléments constitutifs de la matière vivante.
Dans les écosystèmes terrestres, le sol occupe une place particulière car il constitue une interface complexe en interaction avec la lithosphère, l’hydrosphère, l’atmosphère et la biosphère. Les sols sont ainsi des systèmes multiphasiques dans lesquels les enzymes assurent des fonctions primordiales dans les principaux cycles biogéochimiques tels que ceux du carbone, de l’azote, du phosphore ou encore du soufre.
Parmi les fonctions assurées par ces enzymes, celles permettant de transformer et de recycler les éléments constitutifs de la matière organique méritent une attention particulière. En effet, à l’échelle mondiale, les matières organiques assurent de nombreuses fonctions agronomiques et environnementales vitales à l’ensemble de la vie terrestre, car agissant notamment sur la structuration, la biodiversité et la fertilité des sols. Ces matières organiques sont issues principalement de la transformation des résidus végétaux par les organismes du sol, parmi lesquels les microorganismes et leur équipement enzymatique jouent un rôle prépondérant. Comprendre de manière fondamentale les mécanismes microbiens et biochimiques impliqués dans ces processus de transformation, mais aussi leur vulnérabilité face au changement global et aux pressions anthropiques sans cesse croissantes, apparaît plus que jamais comme une nécessité permettant d’envisager à long terme la pérennité de la qualité des sols et le développement durable des sociétés humaines.
C’est dans ce cadre thématique que s’inscrivent mes recherches, dont l’objectif est d’étudier et de comprendre la variabilité des fonctions microbiennes en relation avec la qualité intrinsèque des sols, les pressions anthropiques auxquelles ils peuvent être soumis et la nature du couvert végétal.
Ces recherches se déclinent en 2 axes principaux. Le premier vise à comprendre comment évoluent et se structurent les fonctions microbiennes au cours de l’intégration de la matière organique au sol. En pratique, il s’agit d’étudier la dynamique d’un certain nombre d’activités enzymatiques en relation avec les cycles biogéochimiques du C, N, P et S. Le second axe découle naturellement du premier et vise à explorer la vulnérabilité des fonctions microbiennes face à des contraintes ou des stress liés au changement d’occupation et d’usage des sols et aux poly-contaminations d’origine anthropique, et par là même à développer des bioindicateurs de la qualité et du fonctionnement des sols.

Recherches actuelles et perspectives

Suite à l’obtention de mon Doctorat, j’ai été recruté à Aix-Marseille Université/OSU Institut Pythéas et affecté à l’IMBE en qualité d’ATER. En parallèle de mes enseignements, j’ai développé mes recherches relatives à l’enzymologie des sols et des sédiments, notamment en y intégrant des aspects liés à la vulnérabilité des fonctions microbiennes et au développement de bioindicateurs de la qualité des sols.

Actuellement affecté à l’IMBE en tant que Chargé de Recherches CNRS, je m’intéresse aux dépôts terrestres de résidus de bauxite issus des activités sidérurgiques passées et actuelles d’extraction de l’alumine en Provence. Conséquence directe de ces activités, un certain nombre de crassiers et de bassins de stockage de résidus de bauxite ont été édifiés et sont à l’origine de nombreux questionnements de la part de la société civile et de la communauté scientifique concernant leurs impacts environnementaux. Au sein de l’équipe « Vulnérabilité des Écosystèmes à l’Échelle Microbienne » de l’IMBE, mes objectifs sont (i) d’établir une typologie des différents dépôts, reposant sur la détermination de leurs principales caractéristiques physico-chimiques, biologiques et sur un diagnostic de leur toxicité potentielle, constituant un « État Zéro » pour des suivis à moyen/long terme ; (ii) d’évaluer les effets des différents résidus de bauxite sur les réponses et la structuration des composantes pédo-biologiques ; et (iii) d’envisager des solutions de valorisation des dépôts en place et de préconiser des mesures de gestion des dépôts en cours et à venir.

Globalement, mes travaux de recherche se structurent autour de la problématique suivante :

  • Comment les fonctions microbiennes sont-elles exprimées dans les sols et les sédiments ?
  • Déterminer et hiérarchiser les facteurs environnementaux contribuant à la variabilité et à la structuration de ces réponses fonctionnelles.
  • Connaissant ces réponses, identifier et quantifier l’impact des pressions anthropiques sur les fonctions microbiennes et en estimer le degré de vulnérabilité dans les écosystèmes.
  • Peut-on utiliser les activités microbiennes comme bioindicateurs de perturbation du fonctionnement et de la qualité des sols et des sédiments ?

Pour répondre à ces questions, différents modèles d’étude sont à développer afin d’appréhender la variabilité d’expression des activités microbiennes dans des conditions écosystémiques variées, allant de milieux naturels pas ou peu anthropisés, tels que les litières et les sols forestiers, jusqu’à des milieux présentant des pressions anthropiques croissantes, tels que les zones littorales, voire extrêmes à l’instar des sols de friches industrielles.
De plus, diverses échelles d’observation, allant du microcosme de laboratoire jusqu’au paysage, seront utilisées au cours des différentes études. Ce dernier aspect est particulièrement important en enzymologie des sols, car des études se cantonnant uniquement à des expériences de laboratoire ne peuvent se substituer à une vision plus globale de la fonctionnalité des pédosystèmes, impliquant de fait des changements d’échelle pouvant être importants. Néanmoins, les expérimentations en conditions contrôlées restent indispensables, d’une part pour les développements méthodologiques, et d’autre part afin de répondre ponctuellement à des questions précises pouvant constituer des verrous à la compréhension globale de l’expression et de la régulation d’une activité microbienne dans un sol ou un sédiment.