Réduction des émissions issues des engrais azotés : Les micro-organismes du sol pourraient détenir la solution

Pour nourrir une population toujours plus importante, les engrais sont une nécessité. Les engrais azotés apportent au sol l'azote indispensable à la croissance des cultures, ce qui est une bonne chose. Mais ils accélèrent également les processus naturels du cycle de l'azote et aggravent la pollution de l'air et de l'eau, ce qui n'est pas bon. Cette situation crée un véritable dilemme : comment produire suffisamment de denrées alimentaires tout en minimisant les effets nocifs de l'excès d'azote ? Titulaire d’une chaire AXA, le professeur Graeme Nicol, du groupe de génomique microbienne environnementale de l'École centrale de Lyon, a passé les cinq dernières années à étudier comment des organismes minuscules présents dans le sol pourraient détenir la solution. Lorsque l'azote disponible dans le sol augmente en raison de l'utilisation d'engrais, les micro-organismes du sol qui transforment l'azote se mettent en surrégime, ce qui peut entraîner une surproduction de diverses formes polluantes d'azote. En découvrant les caractéristiques physiologiques de base de ces micro-organismes et leur rôle dans le cycle de l'azote, les travaux du professeur Nicol pourraient contribuer à réduire considérablement la pollution environnementale causée par l'utilisation d'engrais azotés. 

Quelles sont les conséquences de l'utilisation d'engrais azotés, et pourquoi cette recherche est-elle si urgente ?

L'azote, un composant essentiel de tous les organismes vivants, favorise la croissance des cultures. Les engrais azotés artificiels sont le produit du procédé "Haber-Bosch" : l'azote atmosphérique est "fixé" à de l'hydrogène pour produire de l'ammoniac, que les agriculteurs ajoutent ensuite au sol pour stimuler la croissance des plantes. Si l'on estime que 50 % de l'azote consommé par l'ensemble des humains provient des engrais, l'utilisation de ces derniers accélère également les processus naturels du cycle de l'azote avec des conséquences néfastes. Par exemple, si l'on augmente la quantité d'azote dans le sol en ajoutant des engrais, l'excès de nitrate - une forme mobilisable d'azote produite par la transformation microbienne de l'ammoniac - peut être rejeté dans les cours d'eau et l'océan, entraînant une surabondance de nutriments à l'origine de la prolifération d'algues, qui tue les poissons, ou de la pollution de l'eau potable par les nitrates.

La transformation de l'azote en protoxyde d'azote, un gaz qui se répand dans l'atmosphère, est également accélérée. Le protoxyde d'azote a une durée de vie dans l'atmosphère supérieure à 100 ans et son potentiel de réchauffement global est 265 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. Il sera également le principal composé responsable de l'appauvrissement de la couche d'ozone au XXIe siècle. Notre dépendance à l'égard des engrais ne fera qu'augmenter avec la croissance de la population mondiale, tout comme notre contribution au réchauffement de la planète, ce qui rend la situation aussi urgente que la réduction des émissions de dioxyde de carbone. Nous devons trouver le moyen de nourrir une population humaine croissante tout en minimisant les conséquences négatives de l'utilisation d'engrais artificiels à base d'azote.

Qu'ont révélé vos travaux des cinq dernières années sur la transformation biogéochimique de l'azote ?

Nous avons cherché à comprendre la contribution relative des différents organismes présents dans le sol aux processus du cycle de l'azote. Les bactéries et les archées sont des organismes qui se ressemblent au microscope, mais qui sont séparés par 3 milliards d'années d'évolution. Leurs trajectoires évolutives ont donc divergé il y a très, très longtemps. Les scientifiques n'ont découvert les archées qu'à la fin des années 1970. Avant cela, elles étaient simplement considérées comme des bactéries en raison de leur ressemblance. Plus récemment, il y a seulement 17 ans, on a découvert une abondance d'archées "oxydant l'ammoniac", qui sont des archées capables de transformer l'ammoniac en nitrite, lequel est ensuite transformé en nitrate polluant par d'autres bactéries du sol.

L'une de nos principales découvertes est que les bactéries oxydant l'ammoniac produisent deux fois plus de protoxyde d'azote que les archées. Elles contribuent donc bien plus à la pollution atmosphérique. Nous avons également découvert que ces bactéries, les " méchantes ", utilisent les engrais synthétiques à base d'ammoniac, alors que les archées utilisent des sources d'azote plus organiques, comme les matières en décomposition provenant de plantes et d'animaux morts. Cela pourrait permettre de fabriquer des engrais auxquels les bactéries polluantes ont plus de mal à accéder.

Quelles sont les implications plus larges de vos recherches ?

L’objectif majeur est de trouver un moyen de nourrir la population humaine avec des aliments abordables et nutritifs, tout en minimisant la production de protoxyde d'azote et de nitrate. Il existe deux moyens possibles d'augmenter la capacité des cultures à absorber les engrais azotés tout en réduisant la pollution associée aux engrais : en réduisant l'activité des microorganismes qui transforment l'ammoniac et en utilisant des engrais "intelligents" à libération lente. Les engrais à libération lente sont des engrais formulés pour empêcher la libération rapide d'ammoniac dans le sol. Cette libération lente réduit la capacité de certains micro-organismes à convertir l'azote en des formes nocives qui peuvent s'infiltrer dans les cours d'eau sous forme de nitrate ou être converties en protoxyde d'azote. Elle permet également aux plantes de mieux absorber l'azote.

Quel a été l’impact de vos découvertes sur la communauté scientifique ?

Notre travail d'identification des modes de fonctionnement des micro-organismes pourrait alimenter de futures recherches systémiques et de modélisation qui testeraient, par exemple, nos résultats dans différents écosystèmes et pour différentes cultures. Sur le plan méthodologique, nous avons révélé l'importance de l'échelle spatiale dans l'étude des mécanismes écologiques qui influencent les structures des communautés microbiennes du sol. Nous avons également démontré à la communauté scientifique qu'un seul test, ou "essai", ne devrait pas être utilisé pour caractériser des communautés microbiennes très complexes, car les sols contiennent des organismes différents avec des physiologies différentes.

Comment la Chaire AXA a-t-elle facilité l'acquisition de nouvelles connaissances via les collaborations internationales ?

La plupart des publications issues du Fonds AXA pour la Recherche avait un contributeur international. Avec des collègues chinois de l'Académie des sciences de Chine, où les problèmes environnementaux sont nombreux, nous avons étudié le cycle de l'azote dans des sols spécifiquement chinois, comme les sols dédiés à la culture du thé qui sont très acides. Nous avons également collaboré avec les universités de Vienne et d'Aberdeen, qui étudient différents représentants des oxydants de l'ammoniac du sol, afin de caractériser et de trouver un consensus de caractéristiques entre différents groupes évolutifs d'archées et de bactéries oxydant l'ammoniac. Grâce à ces collaborations, nous avons maintenant une bonne compréhension de la physiologie des oxydants d'ammoniac de différents sols.

Votre travail a-t-il réussi à toucher l'industrie ou des décideurs ?

Nous n'avons pas encore approché l'industrie, mais c'est une chose à laquelle nous pensons. Nous avons déjà partagé nos données sur le potentiel des engrais à libération lente à réduire les émissions de protoxyde d'azote et de nitrates avec les entreprises qui produisent des engrais. Dans nos installations en laboratoire, nous constatons une réduction de 50 % des émissions de protoxyde d'azote lorsque nous utilisons des engrais à libération lente par rapport aux engrais synthétiques traditionnels. Bien que ces résultats doivent être validés sur le terrain, ils montrent le potentiel de réduction considérable des émissions, simplement en comprenant la physiologie des organismes qui transforment l'azote.

Quel a été l’impact de ce financement de 5 ans sur votre parcours professionnel ?

La Chaire AXA m'a permis de quitter l'université d'Aberdeen, en Ecosse, pour m'installer à Lyon. Cela m'a offert la possibilité de transférer ma recherche en France et de me concentrer exclusivement dessus. J'avais un poste permanent en Écosse et, ce qui est vraiment formidable, c'est que j'ai obtenu un poste permanent de directeur de recherche au CNRS après mon arrivée à Lyon. Sans le Fonds AXA pour la Recherche, je n'aurais pas pu effectuer cette transition, qui a donc fondamentalement changé ma carrière.

De quelle manière la Chaire AXA a-t-elle contribué au développement des jeunes chercheurs de votre laboratoire ?

La Chaire m'a permis de financer plusieurs post-doctorants et doctorants et d'augmenter la visibilité des recherches de mon laboratoire par le biais de publications et de conférences. Elle a été bénéfique pour la carrière d'au moins quatre personnes. Deux d'entre elles sont aujourd'hui post-docs à Berlin (Dr Christoph Keuschnig) et à l'université de Hanovre (Dr Linda Hink), une autre est maintenant chef de projet dans une nouvelle société de biotechnologie spécialisée dans l'analyse de cellules individuelles, et l'un de mes doctorants (Dr Sungeun Lee) est maintenant post-doc dans notre groupe. Grâce au Fonds AXA pour la Recherche, j'ai pu développer un axe de recherche totalement nouveau - le travail que nous avons effectué sur les virus du sol - et obtenir des appareils essentiels, comme des séquenceurs d'ADN, pour effectuer des recherches de pointe en génomique.

Et maintenant, quelles sont les prochaines étapes ?

Trois nouveaux axes de recherche ont vu le jour suite à cette recherche financée par AXA. Tout d'abord, nous avons récemment reçu une subvention de 1,5 million d'euros de l'université de Thessalie et de l'université de Vienne, appelée ACTIONr, pour étudier l'effet et la sécurité des "inhibiteurs de nitrification" synthétiques, qui sont des composés réduisant l'activité de nitrification. Dans un deuxième volet de recherche, financé par la Fondation Grantham, nous essayons de mieux connaître les inhibiteurs de nitrification biologiques produits par les plantes. L'utilisation de ces inhibiteurs de nitrification biologiques permettrait d'éviter les inconvénients des inhibiteurs de nitrification synthétisés artificiellement. Troisièmement, grâce à un nouveau programme financé par l'ANR, nous étudions l'impact des virus des oxydants de l'ammoniac sur la nitrification du sol, dont nous ne savons presque rien. Mieux comprendre ces virus pourrait nous permettre de contrôler l'activité de nitrification à l'aide d'une approche naturelle et très ciblée sans nous soucier des impacts des produits chimiques sur la santé du sol.

Novembre 2022

En savoir plus sur le projet de recherche du Prof Nicol