Kate Scow, professeur de science du sol et d'écologie microbienne du sol à l'UC Davis, garde des sacs en plastique remplis de terre sur son bureau.

Nous nous réunissons dans son bureau à l'usine et le bâtiment des sciences de l'environnement sur le campus, pas à Russell Ranch, où elle est directrice du centre de recherche unique de 300 acres de l'université qui étudie les impacts à long terme des pratiques de gestion et du climat sur la durabilité agricole. La Californie est enfin de nouveau pluvieuse. "Nos sols sont détrempés et c'est un peu difficile de s'y déplacer en ce moment, " dit Scow.

L'un des sacs est rempli de terre friable brun clair qui se tient en petites touffes. Il provient d'un champ de tomates en gestion biologique. Un autre sac contient un presque solide, bloc de terre grise, comme une brique de ciment.

"C'est parce qu'il a été labouré quand il était mouillé. La structure s'est complètement effondrée." Elle attrape le sac et le tient. "Mais vous pourriez être surpris que même ce rocher contienne des micro-organismes. Ils sont partout."

L'écologie microbienne est l'un des principaux domaines de recherche de Scow. Ce qu'elle cherche à comprendre, c'est comment recentrer les pratiques agricoles « sous-sol » et renforcer l'activité des micro-organismes bénéfiques. Quelques-uns de ses récents projets de recherche portent sur la sensibilité des bactéries et des champignons au travail du sol et aux cultures de couverture, et les impacts des engrais minéraux sur les systèmes agricoles gérés et non gérés.

Même si les microbes du sol sont essentiels à la vie sur terre, les scientifiques admettent volontiers qu'ils en savent encore relativement peu à leur sujet. Ce qu'ils savent, c'est qu'ils sont très, très copieux et très, très diversifiée.

"Un gramme de terre - environ un quart de cuillère à café - peut facilement contenir un milliard de cellules bactériennes et plusieurs kilomètres de filaments fongiques, " dit Scow.

Et combien de types différents d'organismes pourraient se trouver dans le sol ? « Le sol est extrêmement diversifié, avec environ 10, 000 à 50, 000 taxons différents dans une cuillère à café de terre. Ces chiffres sont difficiles à deviner et continuent d'être ajustés à mesure que nous en apprenons davantage sur le microbiome du sol grâce aux efforts de séquençage, " dit Scow, référencer le séquençage génomique, qui identifie les organismes par leurs traits génétiques uniques.

Un écosystème vivant

Contrairement à Scow, quand la plupart d'entre nous passons devant un champ agricole fraîchement labouré, nous voyons de la saleté. On peut imaginer la présence de quelques bugs, peut-être des vers, mais essentiellement, la plupart d'entre nous considèrent le sol comme un substrat inanimé dans lequel poussent les plantes.

Mais le sol est en réalité une entité vivante, un écosystème diversifié qui est l'un des plus complexes de la planète. Et c'est celui qui est essentiel à la vie humaine à travers toutes les fonctions qu'il fournit - production alimentaire, purification de l'eau, réduction des gaz à effet de serre, et dépollution, pour n'en nommer que quelques-uns.

"Beaucoup de processus qui sont vraiment importants dans le sol, comme la décomposition de la matière organique, va dans la construction de la structure du sol - les agrégats - qui sont les unités structurelles du sol, " dit Scow. " Ces agrégats déterminent la qualité de l'évacuation de l'eau lorsqu'il pleut, à quel point il est retenu lorsqu'il sèche. Et l'échange de gaz, comme la capacité d'apporter de l'oxygène aux racines des plantes, est déterminé par la structure du sol. »

Ce que vous voyez lorsque vous retournez une pelletée de terre saine n'est pas le fruit du hasard. "Les microbes sont les architectes qui construisent cette structure, " dit Scow. Et elle souligne que la façon dont nous gérons les sols de notre ferme peut déterminer si nous aidons ou entraînons ces ingénieurs structurels microscopiques.

Des sols sains pourraient aider à atténuer le changement climatique

Les microbes intestinaux ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années alors que les chercheurs continuent de découvrir la relation complexe entre la santé humaine et ce qui vit dans nos intestins.

Pour les humains, il existe des prébiotiques et des probiotiques utiles. Il s'avère que les bactéries Lactobacillus bulgaricus et Streptococcus thermophiles dans le yaourt sont bonnes pour nous. Mais existe-t-il des « bonnes bactéries » similaires pour les plantes et les sols ?

Je demande à Radomir Schmidt, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kate Scow, cette question. Il rit. "C'est la question à un million de dollars. Nous savons qu'il y a beaucoup de microbes du sol mais nous ne savons pas ce que font beaucoup d'entre eux. Pas encore, De toute façon."

Il explique qu'il y a des microbes utiles dans le sol, mais que les chercheurs ne savent pas encore comment les interactions entre les microbes du sol conduisent à différents résultats pratiques.

Les microbes ont des fonctions incroyablement diverses dans le sol. Il existe des microbes nitrifiants qui convertissent l'ammonium en nitrite, puis nitrate. Il existe des microbes capables de métaboliser les engrais, les pesticides et même les polluants. Mais même si les propriétés de certains microbes du sol sont connues, il y a encore beaucoup à apprendre, comme l'importance du travail d'équipe entre différents organismes dans la fourniture de ces services.

Séquestration du carbone dans le sol

J'avais rencontré Schmidt lorsqu'il participait à un atelier sur le microbiome sur le campus parrainé par l'Office of Research pour aider les chercheurs de l'UC Davis à se mettre en réseau sur d'éventuels projets interdisciplinaires de microbiome. Il était là pour réfléchir à des projets comme la séquestration du carbone.

Le sol est devenu une priorité pour la recherche de moyens d'atténuer le changement climatique. Un sol sain est plus résilient dans un environnement changeant. Il nourrit également les plantes, qui permet aux plantes d'éliminer le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, de l'atmosphère.

Et le sol lui-même est également un réservoir massif de carbone :il abrite les composés carbonés des plantes et des animaux en décomposition, ainsi que tout ce qui vit dans le sol, des microbes aux vers en passant par les racines des arbres. Et le carbone est essentiel pour que les microbes du sol puissent prospérer.

Des recherches ont montré que des changements dans les pratiques agricoles pourraient augmenter le carbone stocké dans le sol. Une étude de 20 ans à Russell Ranch a révélé que l'ajout de compost et de cultures de couverture aux champs qui cultivaient des tomates en rotation avec du maïs augmentait la quantité de carbone du sol de 37%.

Kate Scow a également participé à un projet à long terme dirigé par Jeff Mitchell, un spécialiste de la vulgarisation coopérative agricole et des ressources naturelles de l'Université de Californie, qui a examiné l'impact de l'agriculture de conservation sur la quantité de carbone dans le sol. L'étude de huit ans dans la vallée de San Joaquin a révélé que les pratiques d'agriculture de conservation pourraient augmenter la quantité de carbone séquestré dans le sol d'environ 45 pour cent.

L'État de Californie est tellement intéressé par le potentiel du sol pour atténuer le changement climatique que le département californien de l'Alimentation et de l'Agriculture a alloué 7,5 millions de dollars à la Healthy Soils Initiative, qui a pour objectifs de construire du carbone dans les sols et de réduire les gaz à effet de serre agricoles.

Des études explorent l'impact des techniques agricoles sur les microbes

Le doctorat de Schmidt. est en génétique bactérienne. Il a commencé dans le laboratoire de Scow à faire du séquençage génétique et est progressivement passé à travailler plus directement avec l'agriculture. Il aime sortir du labo. « Le principal projet sur lequel je travaille actuellement concerne les effets de l'agriculture sans labour et des cultures de couverture sur le microbiome. Nous connaissons assez bien les effets généraux du non-labour et de la culture de cultures de couverture, mais nous en savons beaucoup moins sur les effets sur des membres de la communauté microbienne, " dit Schmidt.

Par exemple, il rappelle que les champignons sont particulièrement sensibles aux perturbations physiques provoquées par le travail du sol, alors que de nombreuses bactéries ne sont pas aussi affectées. Pour les bactéries, ce qui importait le plus, c'était la nourriture—que la culture de couverture soit là, il n'y en a pas. Il peut y avoir des compromis avec les différentes pratiques, ce qui est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles la recherche est si importante.

Et parfois, les résultats de la recherche sont inattendus. Quand Kelly Gravuer, puis un doctorat. étudiant au laboratoire de Scow, a fait une étude sur l'ajout de compost de volaille à trois types de sol différents, elle était à peu près sûre que la diversité microbienne dans le sol pauvre en nutriments augmenterait. Il n'a pas. C'est descendu

"Clairement, nous avons encore beaucoup à apprendre sur la façon de traduire les connaissances acquises grâce aux expériences sur les plantes et les animaux dans le monde très différent des microbes, " dit Gravuer.

Leçons de la déforestation et de la régénération en Amazonie

Jorge L. Mazza Rodrigues, professeur au département des terres de l'UC Davis, Ressources en air et en eau, étudie l'impact de la déforestation dans la forêt amazonienne depuis 2008.

Son premier projet était à Rondônia, un état proche de la frontière bolivienne et avec la particularité d'avoir le taux de déforestation le plus élevé d'Amazonie. Plus tard, Rodrigues a ajouté un deuxième projet de recherche, dans l'état du Pará, du côté nord de l'Amazonie. "Ils ont de grandes différences dans la quantité de pluie qu'ils reçoivent, " dit Rodrigues.

Il est dans l'hémisphère nord la plupart de l'année, et ce trimestre, il enseigne un séminaire sur les méthodes de recherche sur le microbiome. Nous nous rencontrons dans son bureau du Pavillon des sciences végétales et environnementales. Des dizaines de cordons de badges nominatifs provenant des diverses conférences auxquelles il a assisté pendent de son porte-manteau sous son casque de vélo.

Rodrigues étudie les modifications du microbiome du sol lorsque les forêts primaires sont converties en pâturages. « Il y a très peu de forêts primaires aux États-Unis. nous travaillons avec des systèmes tropicaux ces jours-ci parce que c'est la prochaine frontière dans les systèmes agricoles."

Environ 20 pour cent de la forêt amazonienne a été détruite et convertie en pâturages pour élever du bétail. Le Brésil se classe parmi les quatre premiers exportateurs mondiaux de bœuf. Le fait que les États-Unis aient si peu de forêts primaires est l'une des raisons pour lesquelles Rodrigues essaie d'éviter de porter un jugement sur la déforestation en Amazonie malgré son impact sur l'environnement.

« Depuis ma position privilégiée, je ne vais pas dire à quelqu'un de ne pas faire ce que les États-Unis ont fait. » Il considère que son rôle est d'aider à leurs décisions. « Nous pourrions aider les gens si nous disons : nous vous aidons à réaliser ce que vous voulez réaliser. »

Pour convertir la forêt tropicale vierge en pâturage, les arbres anciens sont abattus et vendus, et puis tout ce qui reste est brûlé. Il dit que la combustion peut durer des semaines.

Les changements dans la diversité des écosystèmes sont évidents et dramatiques après la conversion. « Vous avez supprimé toutes les plantes et les arbres et vous avez peut-être une herbe. Vous passez d'un grand nombre d'espèces animales à peut-être une ou deux espèces - des vaches et très peu d'oiseaux, " dit Rodrigues.

Changements sous la surface

Mais ce qu'il est là pour étudier, c'est ce qui n'est pas si visible :il veut savoir ce qui est arrivé aux micro-organismes du sol.

Il donne, par exemple, Acidobactéries. Les acidobactéries sont une grande, phylum diversifié de bactéries. "Comme le nom le suggère, ils aiment plus un environnement acide, des sols à pH plus bas comme ceux que l'on trouve dans la forêt amazonienne, " dit Rodrigues.

Mais après que la forêt a été brûlée, toutes les cendres fertilisent le sol et augmentent le pH, le rendant plus alcalin. "Ces gars n'aiment pas ça, " dit-il. Les acidobactéries qui étaient dans la forêt ne se retrouvent pas dans les pâturages. " Elles sont parties parce que l'environnement a changé. "

Rodrigues a publié de nombreuses études sur le microbiome. L'un s'est penché sur la perte de diversité fongique en Amazonie. Un autre article récent a examiné le cycle azote-méthane en Amazonie sur la base des communautés microbiennes qui lui sont associées. En autre, il a travaillé avec des chercheurs en microbiome de Chine, qui subit le même type de déforestation en Amazonie.

Et il est aussi impliqué dans des projets plus près de chez lui, y compris un projet en Californie avec Kate Scow mesurant les taux d'émission microbienne de méthane qui sont libérés dans les fermes utilisant du fumier laitier pour le compost. "Ce que nous avons appris à faire en Amazonie, nous l'appliquons aux fermes laitières californiennes, " dit Rodrigues.

Parce que les pâturages convertis en Amazonie ne sont pas fertilisés, ils se retrouvent avec un sol de mauvaise qualité et sont généralement abandonnés au bout de sept à 10 ans. Un signe d'espoir qu'il voit pour la récupération environnementale en Amazonie est ce qui se passe ensuite.

« Si vous avez encore de la forêt autour de ce pâturage, la forêt recommencera à coloniser. Cela commence comme un pâturage sale - quelques buissons, des arbres ici et là, puis ça reprend le dessus. Ce n'est pas aussi beau et gros que le primaire à cause de la taille des arbres—il faut 350 ans pour qu'un gros arbre pousse—mais il revient à ce système. Et nous avons vu que les fonctions microbiennes reviennent aussi, " dit Rodrigues.

Il souligne qu'une forêt secondaire se développe et peut capturer plus de carbone que la forêt primaire qui avait atteint son apogée n'a pu en capturer.

"Tant que nous maintenons des corridors et maintenons les superficies de forêt primaire, il peut réensemencer cette zone. Les animaux peuvent entrer et sortir. Nous pouvons maintenir la biodiversité, et la structure de l'environnement.

La ténacité des microbes

Lorsque nous parlons de la capacité des microbes à survivre dans des environnements si différents, il décrit comment il avait aidé un collègue à isoler des microbes qui vivaient profondément sous terre dans le pergélisol gelé en Sibérie. Vivre dans la glace.

"Ils étaient vivants, mais ils attendaient juste d'obtenir une certaine quantité de nutriments. » Il décrit comment un autre collègue a isolé des microbes viables à partir des restes congelés d'un mammouth de la dernière période glaciaire. « Ils sont revenus à la vie. Ils étaient encore viables, " dit Rodrigues.

"On estime que les microbes sont ici depuis 3,8 milliards d'années sur la planète. La planète vers 4,8 milliards d'années et les premières indications de vie microbienne vers 3,8 milliards d'années, " dit Rodrigues.

Le travail de Rodrigues avec les microbes lui a donné un immense respect pour les organismes. "Je les admire." Il sourit. "Ces gars peuvent survivre."