Bien que l'azote soit essentiel pour tous les organismes vivants - il représente 3 % du corps humain - et constitue 78 % de l'atmosphère terrestre, il est presque ironiquement difficile pour les plantes et les systèmes naturels d'y accéder.

L'azote atmosphérique n'est pas directement utilisable par la plupart des êtres vivants. Dans la nature, des microbes spécialisés dans les sols et les plans d'eau convertissent l'azote en ammoniac, une forme cruciale d'azote à laquelle la vie peut facilement accéder, grâce à un processus appelé fixation de l'azote. En agriculture, le soja et d'autres légumineuses qui facilitent la fixation de l'azote peuvent être plantés pour restaurer la fertilité du sol.

Un obstacle supplémentaire dans le processus de mise à disposition de l'azote pour les plantes et les écosystèmes qui en dépendent est que les « fixateurs » d'azote microbiens incorporent une protéine complexe appelée nitrogénase qui contient un noyau riche en métaux. Les recherches existantes se sont concentrées sur les nitrogénases contenant un métal spécifique, molybdène.

La quantité extrêmement faible de molybdène trouvée dans le sol, cependant, a soulevé des inquiétudes quant aux limites naturelles de la fixation de l'azote sur les terres. Les scientifiques se sont demandé quelles restrictions la rareté du molybdène impose à la capacité de la nature à restaurer la fertilité des écosystèmes à la suite de perturbations d'origine humaine, ou alors que les gens recherchent de plus en plus de terres arables pour nourrir une population croissante.

Des chercheurs de l'Université de Princeton ont trouvé des preuves que d'autres métaux peuvent faciliter la fixation de l'azote lorsque le molybdène est rare, ce qui suggère que le processus peut être plus résilient qu'on ne le pensait auparavant, selon une étude publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences . Travaillant dans une étendue de 372 milles (600 kilomètres) de forêt boréale au Canada, les chercheurs ont découvert que la fixation de l'azote à l'échelle de l'écosystème peut également être catalysée par le métal vanadium, en particulier dans les régions nordiques où les apports naturels d'azote sont limités.

"Ce travail incite à une révision majeure de notre compréhension de la façon dont les micronutriments contrôlent l'état de l'azote et la fertilité des écosystèmes, " a déclaré l'auteur principal Xinning Zhang, professeur adjoint de géosciences et du Princeton Environmental Institute.

« Nous devons en savoir plus sur la façon dont la fixation de l'azote se manifeste en termes de budgets nutritifs, vélo et biodiversité, " a-t-elle dit. " Une conséquence de cette découverte est que les estimations actuelles de la quantité d'azote entrant dans les forêts boréales par la fixation peuvent être considérablement sous-estimées. C'est un enjeu majeur pour notre compréhension des besoins en nutriments des écosystèmes forestiers, qui fonctionnent actuellement comme un important puits de carbone anthropique.

Premier auteur Romain Darnajoux, un associé de recherche postdoctoral dans le groupe de recherche de Zhang, a expliqué que les résultats valident une hypothèse de longue date dans la communauté scientifique selon laquelle différentes variantes métalliques de la nitrogénase existent afin que les organismes puissent faire face aux changements dans la disponibilité des métaux. Les chercheurs ont découvert que la fixation de l'azote à base de vanadium n'était importante que lorsque les niveaux de molybdène dans l'environnement étaient faibles.

"Il semblerait que la nature ait développé des méthodes de sauvegarde pour maintenir la fertilité de l'écosystème lorsque l'environnement est variable, " a déclaré Darnajoux. "Chaque étape du cycle de l'azote implique une enzyme qui nécessite des métaux traces particuliers pour fonctionner. Le molybdène et le fer font généralement l'objet d'études scientifiques car ils sont considérés comme essentiels dans l'enzyme fixatrice d'azote, la nitrogénase. Cependant, il existe également une nitrogénase à base de vanadium, mais l'apport d'azote par cette enzyme a malheureusement été largement ignoré."

Darnajoux et Zhang ont travaillé avec Nicolas Magain et François Lutzoni à l'Université Duke et Marie Renaudin et Jean-Philippe Bellenger à l'Université de Sherbrooke au Québec.

Les résultats des chercheurs suggèrent que les estimations actuelles de l'apport d'azote dans les forêts boréales par fixation sont terriblement faibles, ce qui sous-estimerait la demande en azote pour une croissance robuste des plantes, dit Darnajoux. Les forêts boréales contribuent à atténuer les changements climatiques en agissant comme un puits de carbone anthropique. Bien que ces forêts du nord ne voient pas autant de visiteurs humains que même la métropole la plus peu peuplée, les activités humaines peuvent encore avoir des impacts majeurs sur la fertilité des forêts par le transport atmosphérique de la pollution atmosphérique chargée d'azote et de métaux tels que le molybdène et le vanadium.

"Les activités humaines qui modifient considérablement la qualité de l'air peuvent avoir une influence considérable sur le fonctionnement même des écosystèmes éloignés, ", a déclaré Zhang. "Les résultats soulignent l'importance de la pollution de l'air dans la modification de la dynamique des micronutriments et des macronutriments. Parce que l'air est un bien commun mondial, le lien entre les métaux et le cycle de l'azote et la pollution de l'air a des dimensions politiques et de gestion intéressantes."

Les résultats des chercheurs pourraient aider au développement de modèles climatiques plus précis, qui ne contiennent pas explicitement d'informations sur le molybdène ou le vanadium dans les simulations du flux global d'azote à travers les terres, océan et atmosphère.

L'importance de la fixation d'azote induite par le vanadium s'étend à d'autres régions de haute latitude, et le plus probable aux systèmes tempérés et tropicaux, Darnajoux et Zhang ont dit. Le seuil de la quantité de molybdène dont un écosystème a besoin pour activer ou désactiver la fixation d'azote au vanadium qu'ils ont trouvé dans leur étude était remarquablement similaire aux besoins en molybdène de la fixation d'azote trouvés pour des échantillons couvrant divers biomes.

Les chercheurs poursuivront la recherche d'une fixation d'azote à base de vanadium dans les latitudes septentrionales. Ils ont également tourné leurs regards vers des zones plus proches de chez eux, initier des études sur la dynamique des micro et macronutriments dans les forêts tempérées du New Jersey, et ils prévoient d'étendre leur travail aux systèmes tropicaux.

Le papier, "Seuil de molybdène pour l'activité alternative de la vanadium nitrogénase à l'échelle de l'écosystème dans les forêts boréales, " a été publié par le Actes de l'Académie nationale des sciences en ligne avant l'impression le 11 novembre.