Près d'un tiers du dioxyde de carbone rejeté dans l'atmosphère chaque année peut être attribué à des bactéries vivant dans le sol, où ils décomposent les matières végétales et animales en énergie.

Pour la plupart des microbes du sol, cette transformation nécessite de l'oxygène. Mais une nouvelle étude révèle que minuscule, les populations dispersées de bactéries vivant dans le sol manquent d'oxygène et ont un effet sous-estimé sur la quantité de ce puissant gaz à effet de serre qui est libérée dans l'air.

La recherche, publié vendredi, 24 novembre dans le journal Communication Nature et dirigé par Scott Fendorf de Stanford et l'ancien postdoctorant Marco Keiluweit, constate que ces poches de sol sans oxygène sont vulnérables aux perturbations dues au changement climatique et à certaines pratiques agricoles. Les scientifiques ont déclaré que ce travail pourrait aider à modéliser les futures émissions de carbone en donnant de meilleures prévisions de la quantité de CO2 pouvant être libérée du sol.

"Heureusement, les modélisateurs climatiques nous mettent en parallèle, " dit Fendorf, qui est le professeur de la famille Huffington en sciences de la Terre à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement. "Ils ont besoin d'apprécier cela et ils le sont."

Protection carbone

Le sol contient trois fois plus de carbone que l'atmosphère. Une partie de ce carbone reste piégé sous terre par des réactions chimiques avec des minéraux. Cependant, la plupart se présentent sous la forme de matières végétales et animales en décomposition, quels micro-organismes se décomposent pour créer de l'énergie et du CO2 - l'équivalent de notre alimentation et de notre respiration.

Ce processus de décomposition nécessite normalement de l'oxygène, mais dans les petites poches de sol qui manquent d'oxygène, appelés microsites anaérobies, les bactéries ont évolué pour extraire l'énergie de la matière organique sans oxygène, bien que moins efficace. Ces microbes privés d'oxygène produisent beaucoup moins de CO2 et sont également incapables de décomposer certaines biomolécules riches en carbone telles que les cires et les lipides.

« Les microsites anaérobies jouent un rôle protecteur dans la mesure où ils préservent certains composés organiques abondants dans les sols du monde entier, augmenter le stockage de carbone et diminuer les émissions de CO2 des sols, " dit Keiluweit, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université du Massachusetts à Amherst.

Mais même si les scientifiques connaissent depuis longtemps l'existence de microsites anaérobies, leur prévalence et leur contribution globale au cycle global du carbone – les échanges de carbone entre l'atmosphère terrestre, océans et systèmes terrestres – n'était pas bien compris et n'était pas pris en compte dans les modèles écosystémiques qui alimentent les projections climatiques futures.

"La perception générale a été que les habitats qui sont complètement sous l'eau tels que les zones humides et les marécages sont anaérobies, et qui n'a pas été inondé, ou en montagne, les sols sont majoritairement aérobies, " a déclaré Fendorf. "Ce que nous montrons dans cette étude, c'est qu'il y a en fait un volume très important de sol des hautes terres qui se trouve dans des environnements anaérobies."

Microsites en laboratoire

Dans la nouvelle étude, Keiluweit et ses collègues ont créé des microsites anaérobies en laboratoire en manipulant minutieusement le flux d'oxygène vers les échantillons de sol, puis ont mesuré leur production de CO2 ainsi que leurs concentrations en lipides et en cire.

Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'à mesure que l'oxygène se raréfiait, les microbes du sol sont passés d'une respiration aérobie à une respiration anaérobie de moins en moins efficace. Par conséquent, moins de molécules de lipides et de cire riches en carbone ont été décomposées et la production de CO2 a diminué d'un facteur 10.

En tant que contrôle réel de leurs résultats, les chercheurs ont également examiné le sol de sites agricoles en Oregon. Les résultats en laboratoire et sur le terrain ont montré des tendances remarquablement cohérentes, indiquant que, contrairement aux idées reçues, les sols des hautes terres contiennent en fait des volumes élevés de microsites anaérobies qui protègent des types spécifiques de molécules de carbone.

« Sur la base de nos résultats de laboratoire, nous nous attendrions à ce que les sols riches en microsites anaérobies aient beaucoup de lipides et de cires, et c'est ce que nous avons trouvé dans les champs, ", a déclaré Keiluweit.

Sensible aux perturbations

Les nouvelles découvertes mettent en évidence les nombreuses façons dont le changement climatique et certaines pratiques agricoles pourraient modifier ces microsites et modifier la quantité de CO2 libérée par le sol.

Le réchauffement du sol, par exemple, est susceptible d'augmenter la quantité de CO2 rejetée dans l'atmosphère. "Comme chez nous, quand tu réchauffes des microbes, vous augmentez leur activité métabolique, " a déclaré Fendorf. Dans les régions du sol avec de l'oxygène, les bactéries résidentes consommeront plus de cet oxygène abondant et produiront du CO2 plus rapidement et plus efficacement.

Le changement climatique devrait rendre certaines régions plus humides et d'autres plus sèches à mesure que les conditions météorologiques changent. Ces deux tendances ont des impacts différents sur les microbes du sol. Les zones qui reçoivent plus de pluie – ou plus d'irrigation par l'agriculture – contiendront moins d'oxygène et donc produiront probablement moins de CO2.

Un sol plus sec a généralement plus d'oxygène et les microbes qu'il contient produiront plus de CO2. Cependant, dans des conditions très sèches, la productivité chute à la fois pour les microbes aérobies et anaérobies, car l'eau est essentielle à la vie.

"Les changements d'humidité du sol résultant de l'irrigation ou des régimes climatiques vont donc modifier la répartition des métabolismes microbiens et le taux de production de CO2, " a déclaré Fendorf.

En outre, descellement fréquent, ou labourer, des sols aère le sol, transformer les microsites anaérobies en aérobie et augmenter la libération de CO2. "Nos résultats mettent en évidence un avantage des pratiques de faible labour et d'autres pratiques d'utilisation des terres qui limitent l'augmentation de l'aération du sol, " a déclaré Fendorf.