De nombreuses complexités du processus de séquestration du carbone restent mal comprises, malgré des années de recherche et l'impact significatif de ce processus sur le climat mondial.

Maintenant, trois scientifiques ont proposé une nouvelle approche pour mieux comprendre le rôle de la matière organique du sol dans le stockage à long terme du carbone et sa réponse aux changements du climat mondial et de la chimie atmosphérique. Le trio, dont Julie Jastrow du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), ont publié leurs idées dans le numéro d'août de Microbiologie naturelle .

L'article arrive à un moment où l'on s'inquiète de plus en plus du problème croissant de la dégradation des sols, et le concept émergent de la sécurité des sols (la stabilisation et l'amélioration des ressources mondiales en sols).

"Le sol est important pour la vie sur Terre telle que nous la connaissons, " dit Jastrow, écologiste terrestre principal et chef de groupe à la Division des sciences de l'environnement d'Argonne. "Les sols, et en particulier la matière organique du sol, sont essentiels à de nombreux services et fonctions essentiels fournis par les sols. »

"Les spécialistes de la matière organique du sol ont longtemps cru que les restes de matière végétale en décomposition étaient les principaux composants du carbone du sol stabilisé, " a déclaré Chao Liang de l'Institut d'écologie appliquée de l'Académie chinoise des sciences, auteur principal de l'article Nature Microbiology et ancien chercheur postdoctoral à Argonne. "Mais l'évolution des approches analytiques a conduit les chercheurs à s'orienter vers l'idée que la biomasse microbienne morte et d'autres résidus microbiens pourraient contribuer de manière encore plus significative à des pools de carbone stables."

"Je suis d'accord avec Chao sur le fait que nous assistons à un changement de paradigme. Nous n'avons peut-être pas encore les outils ou les données pour soutenir ou quantifier pleinement cela, mais notre pensée évolue, " dit Jastrow.

Les idées présentées dans le Microbiologie naturelle article ont été affinés lorsque co-auteur, Josué Schamel, un éminent écologiste microbien du sol de l'Université de Californie, Santa Barbara, a visité le laboratoire de Liang en 2015. Liang a ensuite invité Jastrow pour les aider à affiner leurs idées.

« Le cadre conceptuel et les idées décrites dans cet article peuvent nous donner des pistes pour mieux stabiliser et renouveler les sols vulnérables ou dégradés, ", a déclaré Liang. "Cela donne également un aperçu des origines des différentes formes de matière organique du sol."

"Cette nouvelle idée est essentielle pour nos discussions nationales et mondiales sur la vulnérabilité des sols et la durabilité des sols pour la production d'aliments et de biocarburants, durabilité écologique, politique de la santé environnementale et du climat, " il a dit.

Dans le cycle du carbone, le carbone se déplace parmi les plantes, animaux, sols, l'écorce terrestre, eau fraiche, les océans et l'atmosphère. Le carbone séquestré est du carbone qui reste stocké à long terme. Le carbone du sol croît et décroît, en fonction de l'équilibre entre les entrées de nouvelles matières organiques et les sorties. Les pertes se produisent principalement par décomposition, mais aussi par lessivage dans les eaux souterraines ou l'érosion de surface.

Les études se sont longtemps concentrées sur la façon dont la litière végétale - principalement les feuilles mortes, tiges et racines — se décompose et se transforme en matière organique du sol. La contribution de la biomasse vivante des microbes au carbone du sol, qui ne représente que 1 à 5 pour cent du carbone total du sol, a reçu beaucoup moins d'attention, toutefois.

"Lorsque les chercheurs ont comparé la quantité de biomasse microbienne vivante avec les apports annuels des plantes, il semblait naturel de penser que la majeure partie de la matière organique du sol devait provenir de la litière végétale, " a noté Jastrow.

Même si la biomasse vivante des microbes est faible, ces organismes grandissent, vivre et mourir à un rythme rapide. Cela signifie que les apports microbiens à la matière organique du sol peuvent être beaucoup plus importants qu'on ne le pensait auparavant, en particulier lorsqu'une partie importante de ces intrants est stabilisée plutôt que décomposée. Mais même avec de nouvelles connaissances et des améliorations dans les outils utilisés pour étudier la matière organique du sol, de nombreuses questions et inconnues persistent.

« Les chercheurs savent depuis plusieurs décennies que la matière organique du sol comprend des résidus microbiens, mais ils ont réalisé l'ampleur potentielle de ces contributions plus récemment, " a déclaré Jastrow. Elle et ses collègues suggèrent que deux types d'activité métabolique microbienne contrôlent en grande partie l'ampleur des contributions microbiennes à la formation de matière organique du sol.

Par l'activité catabolique, les microbes décomposent les molécules complexes pour en former des plus simples, qui libère du carbone sous forme de dioxyde de carbone. Grâce à l'activité anabolique, les microbes synthétisent des molécules complexes à partir de molécules plus simples, qui contribue au stockage du carbone.

Les scientifiques suggèrent d'adopter une approche basée sur un concept appelé pompe à carbone microbien du sol pour aider à stimuler de nouvelles recherches fructueuses dans ce domaine. Les chercheurs marins ont d'abord soulevé le concept de pompe à charbon microbien. La pompe à charbon microbien marin séquestre le carbone en le transférant profondément dans les océans. Grâce à ce processus, les bactéries contribuent de manière significative au stockage à long terme du carbone et à la régulation du dioxyde de carbone atmosphérique.

« Exploiter le concept de pompe à carbone microbien issu de la littérature marine fournit simplement un moyen d'organiser et de réfléchir à toutes les diverses complexités associées au rôle de l'anabolisme microbien dans la formation de la matière organique du sol, " dit Jastrow.

Dans leur papier, Jastrow et ses collègues lient la pompe à carbone microbienne à la capacité des composés synthétisés par voie microbienne à se stabiliser par des associations physiques et chimiques intimes avec les minéraux du sol. Ils appellent ce dernier phénomène « l'effet d'enfouissement ». La pompe à charbon microbien du sol renforce cet effet, notamment via le processus de renouvellement in vivo, soutiennent les scientifiques. Avec le chiffre d'affaires in vivo, les micro-organismes transforment métaboliquement les matières végétales pour générer de la biomasse. Quand ces microbes meurent, leurs résidus sont plus susceptibles d'être "enfouis" que les résidus végétaux, l'amélioration du réservoir de carbone persistant du sol.

L'interaction entre les processus catabolique et anabolique joue un rôle clé dans l'inclinaison de l'équilibre entre l'effet d'enfouissement et son revers, l'effet d'amorçage, qui aide à libérer le carbone de la matière organique stable. Lorsqu'il est frais, les résidus faciles à décomposer pénètrent dans le sol, cette source d'énergie facilement disponible peut « amorcer » les activités cataboliques des microbes et stimuler la décomposition de pools de matière organique du sol plus complexes et plus stables.

Ainsi, ajout de nouveau, le carbone produit à l'extérieur peut augmenter la production de dioxyde de carbone en amorçant la décomposition microbienne de la matière organique du sol existante, et en même temps, cela peut conduire à un enfouissement plus important des résidus microbiens.

"Mais, les chercheurs auront besoin de meilleurs outils d'analyse pour quantifier plus précisément la masse de matières microbiennes mortes et de résidus dans les sols, et de comprendre les facteurs contrôlant l'équilibre entre les effets d'ensevelissement et d'amorçage, " a noté Liang.

"Peu de données existent actuellement qui informent directement notre quantification et notre compréhension des mécanismes derrière le concept de pompe à carbone microbien du sol, " il a dit.

Même maintenant, de nombreuses méthodes et instruments d'analyse qui fournissent de nouvelles informations sur la matière organique du sol sont encore insuffisants.

"Néanmoins, les nouvelles connaissances commencent à changer notre perception de la matière organique du sol et de sa formation, dégradation et dynamique, " dit Jastrow.

"En organisant ces connaissances autour du concept de pompe à carbone microbien du sol, " a ajouté Liang, "nous espérons inspirer de nouvelles recherches visant le rôle des micro-organismes dans la création de la matière organique du sol et sa résilience aux perturbations ou aux conditions environnementales changeantes."