SOLS - Microbiologie

SOLS - Microbiologie

Tous les types de micro-organismes existent dans les sols. Ce sont soit des eucaryotes (champignons, algues et protozoaires), soit des procaryotes (bactéries et cyanobactéries). Leur biodiversité est considérable. Leur distribution est fonction non seulement de la présence de substrats énergétiques (essentiellement des résidus végétaux) et d’éléments minéraux, mais aussi de nombreux facteurs physiques et chimiques caractérisant chaque sol, notamment la structure, l’aération, le pH, la température et la teneur en eau. En général, les champignons contribuent pour plus de la moitié de la biomasse microbienne dans le sol. Mais, dans les sols hydromorphes, les algues ont tendance à proliférer en surface et les bactéries anaérobies en profondeur. Les virus sont souvent associés aux argiles à partir desquelles ils peuvent pénétrer dans les racines des plantes par des blessures. Le sol renferme aussi des enzymes libres, qui sont soit intracellulaires, c’est-à-dire incluses dans des cellules encore vivantes ou mortes, soit extracellulaires, c’est-à-dire à l’état libre ou adsorbées sur les colloïdes argileux. En plus de la microflore, le sol héberge une microfaune composée de nématodes, vers de terre et autres invertébrés (en particulier des insectes) qui peuvent aussi jouer un rôle considérable.

La microbiologie du sol est une des branches de l’écologie microbienne qui a essentiellement pour objectif l’étude du rôle des micro-organismes dans le sous-écosystème (dénommé système sol-plante) constitué par le sol, la microflore, la faune du sol et les plantes. Les micro-organismes du sol y jouent deux rôles essentiels: d’une part, ils sont responsables de maintes transformations chimiques et même physiques qui se déroulent dans les sols; d’autre part, ils agissent directement ou indirectement sur la nutrition des plantes. En fait, il existe tout un réseau d’interactions complexes entre les micro-organismes du sol, les plantes, la faune du sol et les composantes chimiques et physiques du système sol-plante (fig. 1), de sorte qu’il est souvent difficile d’élucider le comportement d’un micro-organisme donné dans de tels systèmes. Toutefois, on dispose désormais d’une masse suffisante d’informations, dans certains cas tout au moins, pour maîtriser les activités microbiennes dans les sols en vue d’améliorer la productivité végétale.

1. Transformations microbiennes des propriétés des sols

Dans tout écosystème terrestre, les éléments nécessaires à la vie (éléments biogènes) sont successivement incorporés dans les différentes composantes vivantes (plantes, animaux, microflore), puis libérés. On dit qu’il y a renouvellement ou turnover des éléments. Ces transformations cycliques subies par les éléments constituent le cycle de la matière. Tout comme l’apport continu d’énergie, fournie par le soleil et captée par les organismes photosynthétiques, principalement les plantes, ces transformations cycliques (cf. cycles BIOGÉOCHIMIQUES) sont indispensables au maintien de la vie sur la Terre.

L’importance de l’intervention des micro-organismes dans le cycle de la matière varie suivant l’élément considéré. Dans le cas de carbone (C), d’azote (N), de soufre (S), elle est capitale, puisque l’absence, voire l’inactivité des micro-organismes, entraînerait un arrêt de l’approvisionnement naturel des sols en azote et un blocage du turnover de C, N, S se traduisant par l’accumulation de ces éléments sous forme organique inutilisable par les végétaux. Dans le cas des autres éléments, tels que le phosphore (P), l’intervention microbienne est beaucoup plus discrète. Lorsqu’on fait le bilan d’un élément dans le cadre d’un écosystème sol-végétation (atmosphère non comprise), on constate que les transformations microbiennes peuvent contribuer à l’enrichir ou à l’appauvrir; à ces gains et pertes d’origine biologique peuvent s’ajouter des gains ou pertes d’origine non biologique. Lorsque l’écosystème est à l’équilibre, les gains d’origine biologique et non biologique compensent les pertes.

Cycle du carbone

Le dioxyde de carbone (CO²) atmosphérique est fixé essentiellement par les organismes autotrophes photosynthétiques (végétaux chlorophylliens) et, accessoirement, par les micro-organismes chimiosynthétiques.

Les résidus végétaux et les cellules microbiennes s’incorporent au sol avec les résidus animaux pour y constituer le compartiment de la matière organique non humifiée dont une partie est ultérieurement minéralisée et réabsorbée par les plantes et une autre partie humifiée. Les composés de néosynthèse ou résiduels constituant la matière organique humifiée ^{[cf. HUMUS]} sont progressivement associés aux particules minérales du sol pour constituer le compartiment organo-argileux qui joue un rôle majeur dans les sols dont la teneur en argile est supérieure à 10 p. 100 (fig. 2).

L’oxydation microbienne de la matière organique humifiée est beaucoup plus lente que celle de la matière organique non humifiée. Dans l’écosystème sol-végétation, les gains de carbone résultent essentiellement de l’activité photosynthétique, alors que les pertes proviennent de la respiration (ou des phénomènes de fermentation) des agents (plantes, animaux, micro-organismes) qui constituent la biocénose; à ces pertes peuvent s’ajouter des pertes d’origine non biologique: exportation par les récoltes et les feux, le lessivage, l’érosion.

Cycle de l’azote

L’atmosphère constitue la principale réserve azotée utilisable par la biosphère. Mais l’azote atmosphérique ne peut être utilisé tel quel par la plupart des organismes vivants qui ont besoin d’azote combiné, minéral ou organique. Seuls font exception à cette règle les micro-organismes fixateurs d’azote libres (par exemple, Azotobacter , Beijerinkia , Clostridium , Klebsiella , Azospirillum , Herbaspirillum , Acetobacter ; et certaines cyanobactéries) ou vivant en symbiose avec les plantes vertes (par exemple, Rhizobium , Frankia , Nostoc , Anabaena ).

Chez les plantes qui ne sont pas associées symbiotiquement avec ces derniers micro-organismes, et qui constituent la majorité du monde végétal, la nutrition azotée doit se faire exclusivement sous forme nitrique ou ammoniacale. Étant donné que les réserves azotées des sols sont essentiellement sous forme organique, sauf dans le cas de l’application massive d’engrais azotés minéraux, il est nécessaire que cet azote organique soit minéralisé pour pouvoir être utilisé par les plantes. Ce sont uniquement des micro-organismes qui effectuent cette minéralisation ; celle-ci comporte deux étapes: l’ammonification et la nitrification ^{[cf. AMMONIFICATION]}. Parallèlement, une fraction des micro-organismes entre en compétition avec les plantes pour consommer l’azote minéral du sol: c’est le processus d’immobilisation , aussi appelé réorganisation . L’azote nitrifié peut être réduit en azote (N²) ou en oxyde d’azote (N²O) par les micro-organismes de la dénitrification, l’azote gazeux ainsi formé rejoignant le pool de l’azote atmosphérique. Ces différentes transformations microbiennes contribuent à l’enrichissement ou à l’appauvrissement en azote de l’écosystème sol-végétation; les gains résultent de la fixation de ² par la microflore fixatrice, et les pertes sont dues à la dénitrification (fig. 3).

Ces processus biologiques se superposent aux processus non biologiques: apports par les eaux météoriques ou d’irrigation, engrais et semences, adsorption de l’ammoniac atmosphérique; pertes par volatilisation de l’ammoniac et réactions chimiques de dénitrification, exportation par les récoltes ou les feux, par le lessivage et par l’érosion.

Cycle du soufre

La réserve de soufre de la biosphère se trouve dans les roches sédimentaires (sulfates) ou éruptives (sulfures). Les plantes et la plupart des micro-organismes utilisent directement le soufre sous forme de sulfate. Le soufre retourne au sol avec les protéines contenues dans les résidus et cadavres végétaux, animaux et microbiens; il s’intègre à la fraction organique non humifiée, puis en partie à l’humus. Le soufre organique du sol est ensuite minéralisé plus ou moins rapidement sous forme de sulfure d’hydrogène (H²S) par de nombreux micro-organismes. H²S est oxydé à son tour et donne des sulfates sous l’action de bactéries chimiolithotrophes appartenant essentiellement au genre Thiobacillus ^{[cf. THIOBACTÉRIALES]}. Les transformations consistant dans l’utilisation des sulfates par la microflore sont, comme dans le cas de l’azote, désignées sous le terme d’immobilisation. De même que les nitrates peuvent être réduits par voie microbienne (dénitrification), de même les sulfates ou le soufre élémentaire peuvent être réduits en H²S. Ce processus, désigné sous le nom de sulfatoréduction , est le fait de micro-organismes appartenant à différents genres dont Desulfovibrio , Desulfotomaculum et Desulfomonas . L’écosystème sol-plante s’enrichit ou s’appauvrit en soufre essentiellement au travers de processus non biologiques: apports par les eaux météoriques et les engrais, pertes par exportation par les récoltes, le lessivage, l’érosion; les pertes d’origine biologique (émission d’H²S) sont en général insignifiantes.

Autres transformations

Comme la plupart des précédentes, les transformations microbiennes concernant le phosphore, le fer ^{[cf. SIDÉROBACTÉRIALES]}, le manganèse, peuvent se classer en quatre catégories: 1) minéralisation de la matière organique non humifiée et humifiée; 2) immobilisation des composés inorganiques par la microflore; 3) oxydation; 4) réduction. Il faut y ajouter des processus encore mal connus, solubilisation des minéraux des sols par les complexes d’origine végétale ou microbienne, précipitation par voie microbienne des minéraux solubilisés, accumulation sur les surfaces microbiennes ou dans les cellules de certains éléments (Mn, Fe, P) et, parfois, fractionnement isotopique.

2. Interactions entre micro-organismes non symbiotiques et plantes

Influence des plantes sur les micro-organismes

La microflore du sol est, pour une grande part, constituée d’organismes hétérotrophes, c’est-à-dire d’organismes exigeant la fourniture de composés organiques qui leur servent de source énergétique et de source de carbone. Étant donné que ces composés constituent le principal facteur limitant de l’activité microbienne et qu’ils sont apportés au sol essentiellement par la végétation, on comprend l’importance de l’étude des relations entre la microflore du sol et les plantes qui y vivent. Ces relations peuvent se manifester avec une intensité remarquable dans les sites préférentiels que constituent la rhizosphère, la spermosphère, la phyllosphère et la litière.

Par rhizosphère , on désigne l’ensemble des microrégions du sol en contact avec les racines des plantes supérieures. Le sol rhizosphérique diffère considérablement du sol non rhizosphérique, d’abord par une teneur beaucoup plus élevée en composés organiques utilisables comme substrats par la microflore, ensuite par une composition particulière de l’atmosphère interne du sol. Les composés organiques proviennent non seulement de l’apport de résidus racinaires divers, mais aussi de l’exsorption (exsudation) racinaire. Les substances exsudées sont très variées: hydrates de carbone (dont certains polymères de substances pectiques, abondants au niveau de la coiffe), acides aminés, vitamines, acides organiques, enzymes. On pense que les exsudats représenteraient environ de 1 à 10 p. 100 de la biomasse végétale. L’exsudation dépend, entre autres, de l’activité photosynthétique des plantes et de la translocation des photosynthétats des organes aériens vers les racines. C’est pourquoi les facteurs climatiques tels que la lumière ou la température, qui régissent ces deux derniers processus, commandent également l’exsudation et, par cet intermédiaire, la densité et l’activité microbiennes au niveau des racines. En ce qui concerne l’atmosphère du sol rhizosphérique, elle est, en général, plus pauvre en ² et plus riche en C² que celle du sol «témoin» en raison de la consommation élevée d’oxygène par la microflore et les racines; mais ce n’est pas toujours le cas: c’est ainsi que, dans la rhizosphère de plantes poussant dans des sols hydromorphes (le riz, par exemple), la teneur en O² est plus élevée que dans le sol non rhizosphérique, en raison de l’exsorption, par les racines, d’air venu des feuilles jusqu’aux organes souterrains de la plante.

Ces particularités de l’habitat rhizosphérique entraînent, en général, un accroissement considérable de la biomasse microbienne et de l’activité effective (par exemple, accroissement de la vitesse de solubilisation microbienne du phosphate). On observe parfois, mais plus rarement, une inhibition de l’activité microbienne (inhibition de la nitrification, entre autres exemples), par des exsudats toxiques, en général de nature phénolique.

La spermosphère et la phyllosphère sont deux habitats homologues de la rhizosphère, le premier étant localisé à la périphérie des graines, le second sur les feuilles et gaines foliaires. Dans la spermosphère, la microflore se développe aux dépens des exsudats libérés en grande quantité par la graine, quand celle-ci germe. Dans la phyllosphère, les substrats sont parfois assez abondants pour le développement d’une microflore active; la microflore phyllosphérique peut jouer un rôle important dans les écosystèmes tropicaux humides.

La végétation exerce une influence décisive sur la microflore du sol non seulement par l’intermédiaire des exsudats et des résidus racinaires ou des exsudats de graines, mais aussi par l’apport au sol des résidus des organes aériens morts (feuilles, fleurs, bois) qu’on désigne habituellement sous le terme de litière , et des pluviolessivats (produits de percolation des eaux pluviales à travers les feuilles).

Les litières fournissent à la microflore tellurique hétérotrophe des quantités de substrats énergétiques parfois considérables: ces apports de carbone par hectare et par an sont de l’ordre de 2 à 4 tonnes dans les forêts tempérées et peuvent atteindre 8 tonnes dans les forêts tropicales humides. Les apports dus aux pluviolessivats sont quantitativement beaucoup plus faibles; ils jouent cependant un rôle important, car ils sont constitués de composés facilement métabolisables (acides aminés, sucres).

Si les litières fournissent aux micro-organismes telluriques les substrats organiques qui leur sont nécessaires, on constate que, dans nombre de stations, ces composés sont biodégradés beaucoup plus lentement qu’on ne pourrait le supposer a priori, car l’activité microbienne dans les litières et les horizons sous-jacents est limitée. Cette limitation est la conséquence de la résistance intrinsèque à la biodégradation (récalcitrance) des résidus végétaux, de l’intervention de facteurs environnementaux défavorables, notamment de substances antimicrobiennes d’origine végétale ou microbienne, dont l’action est renforcée par l’acidité. La récalcitrance des litières résulte notamment de la stabilisation des protéines végétales par intégration dans des complexes lignines-protéines ou tannins-protéines; de l’enrobage par la lignine des celluloses et hémicelluloses des tissus végétaux; de l’adsorption sur les argiles des hydrates de carbone et des protéines. La microflore et les enzymes peuvent également être inhibées directement par des composés antimicrobiens, libérés progressivement par les litières (ce sont de véritables antibiotiques d’origine végétale), ou par des composés antimicrobiens synthétisés par certains micro-organismes telluriques (champignons ou actinomycètes). Les composés inhibiteurs d’origine végétale (composés phénoliques pour la plupart) sont très actifs vis-à-vis des bactéries nitrifiantes. Il en résulte que, dans les sols forestiers, la nitrification est, en général, insignifiante, ce blocage de la nitrification ayant pour conséquence la réduction des pertes en azote des écosystèmes forestiers. En revanche, les litières de certaines formations telles que les savanes arborées et diverses forêts subtropicales ^{[cf. BIOCÉNOSES]} constituent des milieux très favorables à la nitrification. Lorsque les processus tendant au blocage de l’activité biologique prédominent dans les sols forestiers, la matière organique s’accumule pour former un horizon A⁰ désigné sous le terme de mor (humus brut); par contre, lorsque les litières se décomposent activement, cet horizon A⁰ n’apparaît pas: on est en présence d’un mull (cf. HUMUS; SOLS - Biodynamique).

Influence des micro-organismes sur les plantes

On vient de voir comment la végétation influe sur les micro-organismes non symbiotiques du sol. Inversement, ces micro-organismes affectent directement la croissance et le développement des plantes. Cette action peut être bénéfique ou nuisible.

Sont bénéfiques pour les plantes les processus suivants:

– l’apport d’azote résultant de la fixation d’azote par des bactéries rhizosphériques (fixation d’azote dite associative) appartenant notamment aux genres Azospirillum , Herbaspirillum , Acetobacter ; mais cet apport est faible ou négligeable: il est au maximum de l’ordre de 5 à 10 kilogrammes d’azote fixé par hectare et par an, sauf dans le cas de certaines cultures tropicales telles que la canne à sucre;

– la solubilisation de certains éléments majeurs, comme le phosphore, ou mineurs, comme le manganèse ou le fer, par l’intermédiaire d’agents chélatants;

– la synthèse de phytohormones (auxines, gibbérellines, cytokinines, éthylène);

– l’antagonisme vis-à-vis des agents pathogènes;

– la contribution à la stabilisation des agrégats (les champignons et certains éléments de la microfaune jouent un rôle important dans ce domaine).

Sont nuisibles pour les plantes les processus suivants:

– l’immobilisation des éléments nutritifs, un exemple classique de cette compétition étant connu des agronomes sous le nom de «faim d’azote» (ce phénomène, qui apparaît après l’incorporation au sol de grandes quantités de paille, résulte de la prolifération des populations microbiennes qui utilisent l’azote minéral aux dépens des plantes);

– la synthèse de substances phytotoxiques telles qu’acides organiques, antibiotiques, sulfure d’hydrogène (ainsi l’accumulation d’H²S dans la rhizosphère de la fève ou du riz entraîne le dépérissement brutal de ces plantes lorsqu’elles poussent sur des sols salins – riches en sulfates – et engorgés, et lorsque l’exsudation racinaire est stimulée par une forte insolation; l’activité des bactéries sulfato-réductrices, normalement inactives, est alors déclenchée par la conjonction de trois facteurs favorables: l’anaérobiose, la présence en abondance d’un accepteur d’électrons, sous la forme de sulfate, et d’une source d’électrons, sous la forme d’exsudats racinaires);

– l’antagonisme vis-à-vis de bactéries utiles telles que des Rhizobium (ainsi, au Brésil, l’inoculation du soja avec Bradyrhizobium japonicum a échoué dans un sol préalablement cultivé en pommes de terre parce que les résidus de cette culture avaient favorisé le développement de Bacillus polymyxa , antagoniste du Bradyrhizobium ).

Pratiquement, il faut chercher à réduire le nombre et l’activité des micro-organismes nuisibles et, au contraire, stimuler l’activité des micro-organismes utiles, groupe auquel appartiennent les bactéries rhizosphériques désignées par les initiales P.G.P.R. (plant growth promoting rhizobacteria ). Cette maîtrise de la microflore est acquise par la mise en œuvre des techniques présentées au paragraphe consacré aux applications.

3. Symbioses plantes - micro-organismes

Certains micro-organismes fixateurs d’azote peuvent s’associer symbiotiquement aux plantes vertes; on en connaît trois groupes: les Rhizobium , bactéries associées aux légumineuses (et aussi au genre tropical Parasponia ); les Frankia , actinomycètes associés aux plantes actinorhiziennes (par exemple Alnus , Casuarina ); les cyanobactéries (Nostoc , Anabaena ) associées à des plantes supérieures (cycadales) ou à de petites fougères aquatiques (Azolla ).

Quel que soit le système considéré, la fixation d’azote est catalysée par un complexe enzymatique connu sous le nom de nitrogénase qui réduit l’azote atmosphérique (azote moléculaire) en ammoniac, cette forme d’azote combiné étant ensuite assimilée par la plante hôte suivant des voies métaboliques bien connues.

L’intérêt majeur des symbioses fixatrices d’azote réside dans le fait qu’elles permettent aux légumineuses et plantes actinorhiziennes de croître normalement dans des sols carencés en azote, sans qu’il soit nécessaire d’apporter des engrais azotés coûteux et souvent source de pollution. Lorsque la fixation d’azote est assez intense et que les exportations d’azote par les récoltes sont réduites, les plantes fixatrices d’azote peuvent enrichir suffisamment les sols en azote pour restaurer leur fertilité.

La première phase de l’établissement de la symbiose entre la légumineuse et la bactérie fixatrice d’azote (Rhizobium ) consiste dans l’infection de la racine. Cette infection repose sur un dialogue moléculaire entre la plante hôte et la bactérie: la plante hôte exsude des molécules de flavonoïdes et isoflavonoïdes qui provoquent, chez les gènes de nodulation (gènes nod ) de la bactérie, la synthèse et l’excrétion de produits qui stimulent l’infection de la plante et provoquent la formation des structures spécialisées appelées nodules (ou nodosités). La pénétration des Rhizobium se fait par des voies qui diffèrent en fonction des espèces végétales: par les poils absorbants ou par insertion entre les cellules corticales. Les Rhizobium se multiplient dans le nodule en cours de développement et, chez la plupart des espèces, sont relâchés dans le cytoplasme des cellules du nodule. C’est une fois qu’ils sont dans le nodule que les Rhizobium fixent l’azote. Les nodules se forment en général sur les racines, mais ils peuvent aussi apparaître sur les tiges de certaines légumineuses: on les appelle nodules caulinaires ou nodules aériens (fig. 4). Les nodules des légumineuses ligneuses peuvent être pérennes et atteindre 10 centimètres de diamètre (fig. 5).

Dans la famille des légumineuses qui comprend trois sous-familles, les papilionacées, les mimosacées et les césalpiniacées, l’aptitude à former des nodules, et donc à fixer l’azote, n’est pas générale. Elle est très fréquente chez les papilionacées et les mimosacées, mais beaucoup plus rare chez les césalpiniacées. En outre, au sein des espèces fixatrices d’azote, il existe une variabilité inter- et intraspécifique parfois considérable de l’aptitude à fixer l’azote.

Au milieu des années 1990, on connaît plus de deux cents espèces actinorhiziennes réparties dans huit familles. Ce sont presque toujours des espèces ligneuses. Les modalités de nodulation et de fixation d’azote sont comparables, sans être identiques, à ce que l’on connaît chez les légumineuses. Les nodules sont généralement pérennes et peuvent atteindre de grandes dimensions (jusqu’à 50 cm de diamètre chez une casuarinacée, Allocasuarina verticillata ). Le potentiel fixateur d’azote peut être aussi élevé que chez les légumineuses (jusqu’à 40 g d’azote fixé par arbre et par an dans les premières années, soit 120 kg par hectare et par an pour une plantation de 3 000 arbres à l’hectare).

Quelle que soit la symbiose considérée, on constate que sa potentialité fixatrice d’azote s’exprime dans son intégralité seulement en l’absence de l’intervention de facteurs limitants. Cette loi écologique fondamentale est parfois ignorée, car il est difficile d’identifier le ou les facteurs limitant l’activité symbiotique dans une situation donnée. On peut cependant donner une liste des principaux facteurs limitants susceptibles d’intervenir in situ:

– facteurs liés au sol: humidité excessive ou insuffisante; acidité; carence en certains éléments majeurs notamment P, ou en oligo-éléments tels que B, Cu, Mo; excès d’azote combiné;

– facteurs climatiques: température insuffisante ou excessive; intensité lumineuse insuffisante;

– facteurs biotiques: absence dans le sol de l’endophyte (Rhizobium ou Frankia ) spécifique et fixant activement l’azote; présence de souches compétitives fixant mal ou ne fixant pas l’azote; présence de parasites, des racines notamment.

À côté des symbioses fixatrices à azote, les plantes peuvent s’associer symbiotiquement avec des champignons mycorhiziens, les deux principales symbioses mycorhiziennes étant les symbioses ectomycorhiziennes qui intéressent essentiellement des espèces ligneuses et les symbioses endomycorhiziennes qui intéressent la plupart des plantes.

Les symbioses mycorhiziennes confèrent aux plantes une aptitude remarquable à utiliser certains éléments (P notamment mais aussi Zn, Cu...) dans les sols qui en sont mal pourvus. Les plantes ligneuses capables de s’associer symbiotiquement à la fois à des micro-organismes fixateurs d’azote et à des champignons mycorhiziens colonisent facilement les sols jeunes (par exemple, sols dunaires) ou dégradés par l’homme (par exemple, sols miniers). De telles plantes (par exemple, Alnus ou Casuarina ) sont aussi utilisées comme productrices de biomasse dans les sols trop appauvris pour porter d’autres cultures.

Tout comme les symbioses fixatrices d’azote, les symbioses mycorhiziennes sont exposées à l’impact des facteurs limitants. Mais la liste de ces facteurs est sensiblement plus réduite: il s’agit essentiellement d’un excès d’humidité, d’un excès de phosphore ou d’éléments majeurs, de la présence de certains pesticides (notamment fongicides); de l’intervention de micro-organismes antagonistes. En ce qui concerne le problème de la présence des champignons mycorhiziens dans les sols, il faut distinguer le cas des champignons ectomycorhiziens, qui sont absents de nombreux sols, notamment de sols non forestiers, des champignons endomycorhiziens, beaucoup plus ubiquistes.

4. Microbiologie appliquée à l’agronomie et à la sylviculture

Une des tâches de l’agronome consiste à orienter l’activité microbienne dans les sols, de façon à accroître les rendements et à améliorer la qualité des récoltes. Il s’agit, en fait, de ralentir les activités excessives nuisibles à la plante, ou, au contraire, de stimuler les activités bénéfiques mais trop faibles. Pour parvenir à ces résultats, on fait appel aux techniques dont les principes sont exposés ci-après.

Introduction de souches actives

On introduit dans le sol, la rhizosphère ou la spermosphère, une ou plusieurs souches particulièrement actives. Il peut s’agir de micro-organismes fixateurs d’azote (Rhizobium ou Frankia ), de champignons mycorhiziens, de cyanobactéries libres ou en association avec Azolla et, enfin, de micro-organismes rhizosphériques, en particulier bactéries non symbiotiques bénéfiques telles que les P.G.P.R. On désigne parfois sous le terme d’engrais biologiques les diverses cultures microbiennes utilisées en agriculture.

Dans le cas des Rhizobium , cette opération, appelée inoculation, est pratiquée depuis longtemps. L’inoculation est parfois indispensable à l’établissement de nouvelles cultures (soja; Leucaena leucocephala ). Mais il convient de souligner que l’inoculation ne peut avoir un effet positif sur les rendements de la légumineuse considérée que si les deux conditions suivantes sont remplies: il n’existe dans le sol aucune souche de Rhizobium compétitive; il n’y a intervention d’aucun autre facteur limitant.

L’effet de l’inoculation de plantes actinorhiziennes avec Frankia peut être spectaculaire, à condition bien entendu que l’endophyte spécifique soit absent du sol, ce qui est le cas notamment pour les Casuarina (fig. 6). La fixation d’azote peut atteindre 200 kilogrammes par hectare et par an dans les cas favorables.

En ce qui concerne l’inoculation par les champignons mycorhiziens (mycorhization), elle est vivement recommandée, en particulier dans les cas d’inoculation avec des champignons ectomycorhiziens des plants ligneux destinés au reboisement de sols dépourvus de champignons ectomycorhiziens et d’inoculation avec des champignons endomycorhiziens de plantes (notamment agrumes) cultivés dans des sols préalablement stérilisés pour les raisons exposées au paragraphe suivant.

Les critères de sélection des micro-organismes symbiotiques ou rhizosphériques non symbiotiques sont multiples. En ce qui concerne les bactéries fixatrices d’azote, on doit attacher une importance particulière à leur effectivité (aptitude à fixer l’azote), à leur compétitivité et à leur aptitude à coloniser la rhizosphère, sans oublier leur tolérance aux nombreuses contraintes de l’environnement. L’amélioration des performances des différents micro-organismes utilisés comme engrais biologique ou pour la lutte biologique est obtenue par criblage des souches sauvages, ou grâce aux techniques du génie génétique.

Pratiquement, les cultures des souches de Rhizobium , Frankia ou champignons mycorhiziens sont appliquées aux graines ou au sol après avoir été adsorbées sur un support comme la tourbe stérile ou des résidus de récolte broyés ou bien incluses dans un polymère comme l’alginate. Ce dernier inoculum se présente sous forme de billes que l’on peut utiliser après les avoir traitées pour en faire une pseudo-solution. Les inoculums d’endomycorhize et de Frankia ainsi préparés se conservent pendant plusieurs années et sont particulièrement faciles à transporter.

En Extrême-Orient l’inoculation des sols de rizière avec le système symbiotique Azolla-Anabaena est pratiqué avec succès depuis des siècles, l’effet de cette inoculation équivalant en moyenne à l’application de 40 à 50 kilogrammes d’azote-engrais à l’hectare.

Amélioration des plantes fixatrices d’azote

Le potentiel fixateur d’azote étant sous la double dépendance du génome de la bactérie symbiotique et de celui de la plante hôte, il est possible d’accroître considérablement la fixation chez les associations symbiotiques en améliorant chez les plantes hôtes deux caractéristiques essentielles: l’aptitude à fixer l’azote en symbiose et la tolérance aux contraintes de l’environnement. L’exploitation de la variabilité génétique des arbres en ce qui concerne ces caractéristiques est d’autant plus prometteuse que les méthodes modernes de micropropagation permettent de multiplier rapidement les génotypes les plus performants. Les méthodes de transformation génétique, qui commencent à être explorées, pourront à l’avenir permettre le transfert aux plantes hôtes des gènes de résistance indispensables à l’expression de la fixation de l’azote dans des milieux jusqu’à présent hostiles.

Stérilisation partielle

La stérilisation partielle par voie physique (chaleur, notamment) ou chimique a pour but essentiel d’éliminer des organismes nuisibles. Il peut s’agir de micro-organismes pathogènes qui sont, pour la plupart, détruits par la chaleur à 75 ⁰C. Il peut s’agir aussi de micro-organismes non pathogènes, tels que les nitrificateurs, dont l’activité excessive entraîne l’eutrophisation des sols et des eaux, ou des pertes d’azote par lessivage ou dénitrification ; les inhibiteurs de nitrification applicables dans ce cas sont très efficaces, mais malheureusement d’un prix de revient trop élevé. À côté de son effet principal (élimination de micro-organismes nuisibles), la stérilisation partielle exerce un effet secondaire, qui consiste en des modifications de l’équilibre biologique du sol, favorisant la prolifération et l’activité de certains groupes ou espèces microbiennes. Dans certains cas, les conséquences sont bénéfiques, dans d’autres, elles ne le sont pas: c’est ainsi que la stérilisation partielle, par la chaleur, de sols de serre peut amener des accidents secondaires dus à une ammonification trop intense.

Modification des propriétés physiques et chimiques des sols

Il n’y a pas lieu de revenir ici sur les techniques culturales utilisées pour modifier les propriétés physiques et chimiques des sols, telles que labour, drainage et irrigation (cf. EAU - L’eau en agriculture), applications d’engrais minéraux ^{[cf. ENGRAIS]}. On se contentera de signaler que les modifications des propriétés des sols ainsi obtenues concernent non seulement les plantes supérieures, mais aussi (on l’oublie trop souvent) les micro-organismes du sol. C’est ainsi que le chaulage des sols acides favorise les Rhizobium des légumineuses tempérées; en aérant les sols mal structurés, le labour améliore la fixation symbiotique de ² chez l’arachide; le drainage prévient les accidents dus à l’activité des bactéries sulfatoréductrices. Suivant leur nature, les engrais minéraux peuvent stimuler ou inhiber certains secteurs de la microflore du sol: alors que les engrais phosphatés favorisent la fixation microbienne de ², les engrais azotés minéraux inhibent cette activité par répression de la synthèse de la nitrogénase chez les micro-organismes fixateurs; le placement localisé des engrais ammoniacaux en rizière augmente les rendements en bloquant la nitrification, notamment par élévation de la tension osmotique, ce qui entraîne la suppression des pertes d’azote par dénitrification et lessivage.

Les amendements organiques apportent à la microflore qu’on désire stimuler les substrats, source d’énergie et de carbone, qui lui sont nécessaires; pratiquement, les amendements utilisés jusqu’à présent en agriculture ont été des composts, des fumiers, des engrais verts. Cette méthode a été employée avec succès pour stimuler la microflore antagoniste de pathogènes des racines (lutte biologique) et pour détoxifier les sols: c’est ainsi que, pour lever la fatigue des sols provoquée par la culture de sorgho, on a eu recours à des applications de fumier, cet engrais organique servant de substrat aux micro-organismes capables de cométaboliser des substances phytotoxiques apportées par les résidus de sorgho.

Recherche de nouveaux systèmes symbiotiques fixateurs d’azote

Longtemps, les possibilités offertes par les symbioses entre les plantes et les micro-organismes symbiotiques ont été encore peu exploitées. C’est ainsi que sur les dix-huit mille espèces de légumineuses existant sur Terre, une centaine seulement sont utilisées. Progressivement, on développe la culture de nouvelles espèces, telles que le pois ailé (Psophocarpus tetragonolobus ) en agriculture ou le Leucaena leucocephala en foresterie. On a découvert que certaines légumineuses tropicales pouvaient porter des nodules fixateurs d’azote non seulement sur les racines (cas des espèces connues), mais aussi sur les tiges, d’où le nom de légumineuses à nodules caulinaires (fig. 4). Une de ces légumineuses, Sesbania rostrata , est remarquable par son aptitude à fixer très activement l’azote (100 kg d’azote fixé par hectare en 50 jours) et sa tolérance à des doses élevées d’azote combiné dans le sol. Cette tolérance, qui résulte de la position des nodules sur les tiges, confère à S. rostrata la propriété d’absorber l’azote minéral du sol et de fixer simultanément l’azote de l’air, alors que les autres légumineuses connues ne peuvent fixer l’azote de l’air en présence d’azote minéral. L’obtention de nouvelles légumineuses à nodulation caulinaire par manipulation de la plante hôte constituerait un progrès considérable puisqu’elle libérerait ces systèmes fixateurs d’un facteur limitant particulièrement gênant, à savoir l’azote minéral du sol.

D’un autre côté, on tente de construire de nouveaux systèmes fixateurs d’azote en faisant appel à deux approches:

– Induction de paranodules et de nodules de racines latérales sur des non-légumineuses, notamment céréales. Par paranodules, on désigne les excroissances obtenues sur les racines de diverses plantes (riz, blé, etc.) par traitement chimique (notamment application de l’herbicide 2,4-dichlorophénoxyacétique ou d’enzymes). Mais l’infection de ces nodules par Rhizobium ou Azospirillum n’a pu, jusqu’à présent, induire la fixation de l’azote; il est à noter en outre que ces bactéries se cantonnent dans les espaces intercellulaires et ne pénètrent pas à l’intérieur des cellules, comme c’est le cas pour les nodules des légumineuses fixatrices d’azote ou des plantes actinorhiziennes. On a pu également obtenir des nodules en infectant simplement des racines de riz, de maïs et de colza par certaines souches de Rhizobium ayant la propriété de pénétrer au point d’émergence des racines latérales (Rhizobium d’Aeschynomene ou Sesbania ). Les observations ultramicroscopiques ont révélé la présence de ces Rhizobium aussi bien entre des cellules de ces nodules de racines latérales qu’à l’intérieur, ce qui est encourageant. Mais, jusqu’à présent et, pas plus que dans le cas des paranodules, on n’a pu obtenir des structures fixatrices d’azote.

– Transfert des gènes de fixation d’azote aux céréales. Cette approche a été abandonnée depuis plusieurs années pour des raisons théoriques et pratiques. Le fait qu’il n’existe aucun organisme eucaryote fixateur d’azote n’est évidemment pas de nature à stimuler les recherches dans cette voie.

Vers une nouvelle forme d’agriculture

On a cherché depuis peu à promouvoir, plus particulièrement sous les tropiques, une nouvelle forme d’agriculture capable d’assurer des rendements soutenus dans le temps. Cette forme d’agriculture, que l’on a proposé de désigner sous le terme d’agriculture intégrée ou par d’autres termes tels qu’agriculture durable ou viable à long terme (en anglais sustainable agriculture ), devrait présenter en outre les caractéristiques suivantes: respectueuse de l’environnement et de la santé humaine, et équilibrée sur le plan social et économique. Pour atteindre ces objectifs (cf. tableau), il est indispensable de réduire les intrants (engrais, pesticides) et de développer l’application des technologies fondées sur la maîtrise des micro-organismes (fixation d’azote, engrais biologiques, lutte biologique ou intégrée).

Réhabilitation des sols et dépollution de l’environnement

La microbiologie du sol peut contribuer efficacement à accélérer la réhabilitation des sols dégradés par l’homme et la dépollution de l’environnement (bioremédiation). De plus en plus souvent, les travaux de terrassement de toutes sortes (autoroutes, remblaiements divers), les exploitations minières et les carrières aboutissent à l’apparition de sols squelettiques stériles où la végétation a du mal à se réinstaller. Pour assurer la revégétalisation rapide de tels sites, on est amené à inoculer les plantes que l’on souhaite installer avec des micro-organismes utiles: microflore symbiotique compatible (Rhizobium ou Frankia ) dans le cas d’espèces fixatrices d’azote, champignons mycorhiziens dans tous les cas et, éventuellement, bactéries rhizosphériques non symbiotiques. Cette technique a été utilisée avec succès dans de nombreux pays: en Australie, en France, en Afrique, au Brésil.

Les procédés biologiques s’appliquent depuis longtemps au traitement des eaux usées. Devant l’ampleur des autres types de pollution des eaux et des sols, notamment par les hydrocarbures et les pesticides, on développe actuellement des méthodes biologiques fondées sur l’introduction de souches microbiennes biodégradant les composés toxiques, conjuguées à l’addition d’éléments nutritifs capables de favoriser la prolifération et l’activité de ces souches microbiennes exogènes. Bien que la composition des cultures commerciales de micro-organismes dépolluants reste toujours secrète, on sait que les produits renferment essentiellement des souches sélectionnées de bactéries communes isolées du sol, telles que Pseudomonas putida , P. fluorescens , Bacillus subtilis .

Encyclopédie Universelle. 2012.