GP5 : Formation des gaz biogéniques et transfert des polluants

Intiluté complet du GP5 : Fonctionnement bio-géochimique des environnements de la surface – Rôle dans la formation des gaz biogéniques et la transformation et le transfert des polluants

Fatima Laggoun-Défarge (CNRS-ISTO), Francis Garrido (BRGM), Catherine Hénault (INRA)

Les interactions entre microorganismes et substrat carboné et leurs rôles sur les émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O…) seront étudiées dans les tourbières à sphaigne. En effet, ces écosystèmes concentrent sur une surface réduite 1/3 du stock de carbone des sols mondiaux. Elles peuvent rétroagir fortement sur la température de l’air en amplifiant celle-ci par une augmentation accrue des GES provenant des activités microbiennes. Dans ces milieux, on prédit en raison du changement climatique, une augmentation du recouvrement par les plantes vasculaires affectant la dégradabilité des litières et promouvant des symbioses avec des champignons mycorhiziens modifiant la capacité des tourbières à séquestrer le carbone.

Nos recherches viseront à

  1. tester les effets respectifs de la température et de l’humidité (à partir notamment de simulations expérimentales sur sites instrumentés) sur la chaîne de réactions entre activités enzymatiques – fonctionnement et structure des communautés microbiennes – carbone labile et récalcitrant, et à modéliser cette chaîne de réactions ;
  2. étudier la dynamique des communautés microbiennes impliquées dans ces réactions ;
  3. améliorer notre connaissance des champignons mycorhiziens et des microorganismes associés dans la rhizosphère.

Additionnellement les études du couplage des cycles du carbone et de l’azote et leurs conséquences sur la qualité de l’environnement aquatique et atmosphérique seront conduites sur ce type d’écosystème et étendues à d’autres écosystèmes générateurs de GES comme les sols agricoles et forestiers.
Nous proposons de développer l’étude des mécanismes biogéochimiques à l’origine de la formation des formes réactives de l’azote, solubles (NO3– par exemple) et gazeuses (NH3, NOx, N2O), et du carbone (molécules à l’état dissous ou gazeux : CO2, CH4), et plus particulièrement des mécanismes qui couplent ces deux cycles.
En effet, les formes réactives de l’azote sont généralement produites au cours de réactions d’oxydoréduction, catalysées par des microorganismes, impliquant des composés azotés et carbonés (dénitrification par exemple). Le stock de carbone dans les milieux peut aussi évoluer en fonction de la disponibilité en azote.

Pour cela, la connaissance des micro-organismes et de leurs activités associées au sein des systèmes « sols – eaux – milieux aquatiques» sera déterminante pour définir l’évolution de ces environnements sous contrainte anthropique élevée. Cette compréhension permet de plus d’envisager des moyens de remédiation des milieux pollués (sols, sédiments, environnements industriels et miniers).
L’originalité de ce travail consistera en la réalisation d’expériences conçues pour caractériser les processus microbiologiques et biogéochimiques prépondérants qui interviennent dans la transformation et la mobilité des polluants organiques et/ou métalliques et pour l’acquisition de données pouvant servir comme données d’entrée dans les modèles numériques simulant les flux de transfert de polluants dans des environnements naturels.

Cet axe a pour objectif d’étudier

  1. le comportement des micro-organismes des environnements contaminés (sols/sédiments) et/ou du sous-sol qui agissent comme catalyseur de processus géochimiques (cycle Fe, S et N, essentiellement) et de (trans)formation de phases minérales, dans le but d’améliorer la prédiction des transferts et des transformations des substances toxiques (inorganiques et organiques) dans le sol, le sous-sol et les aquifères ;
  2. identifier et sélectionner des micro-organismes et des processus biochimiques d’intérêt pouvant ensuite être exploités dans des bioprocédés, des biocapteurs (outils métrologiques), ou comme bio-indicateurs de la qualité des milieux. Ces études se baseront dans un premier temps sur des études expérimentales de laboratoire, en système statique (batchs, aquariums) où la remobilisation et la transformation des polluants sont assurées par l’activité des microorganismes ; et dynamique (oedomètres, colonnes du dm3 au m3) adapté au flux de transfert de polluants dans les sols.

La caractérisation de la biosphère en conditions extrêmes sera menée via l’étude du métabolisme des bactéries soumises à des conditions de vie particulières (pression, température et salinité). L’étude de la biosphère profonde (estimation 6 à 40%) renseignera sur leur rôle dans les cycles biogéochimiques du carbone et du soufre en particulier, ainsi que dans la mobilité des métaux, d’éléments traces et d’éléments à risques.
Par ailleurs, l’étude de milieux naturels hypersalés (>70 g/l) renseignera sur le rôle des biofilms sur les interactions entre microorganismes et précipitations minérales. Ces écosystèmes benthiques spécifiques (cyanobactéries et bactéries photosynthétiques anoxygéniques) produisant de grandes quantités d’O2 et s’alimentant des CO2 et H2S issus de la respiration et de la sulfato-réduction sont extrêmement sensibles aux variations du niveau de l’eau, donc du climat.

Là aussi, ces études s’appuieront sur des dispositifs expérimentaux innovants qui permettent de réaliser au laboratoire la mise en culture d’échantillons d’eaux, de roches ou de consortia microbiens in situ dans des conditions représentatives en terme de pression (jusqu’à 200 bar), de température (jusqu’à 120 °C) et/ou de conditions chimiques typiques des systèmes étudiés.

Résultats :

Résultats du GP 5