Une nouvelle étude aide à démêler le rôle des microbes du sol dans le cycle mondial du carbone

Lorsque les microbes du sol mangent de la matière végétale, la nourriture digérée suit l’une des deux voies suivantes. Soit le microbe utilise la nourriture pour construire son propre corps, soit il respire sa nourriture sous forme de dioxyde de carbone (CO₂) dans l'atmosphère.

Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par l'Université Northwestern a, pour la première fois, suivi le cheminement d'un mélange de déchets végétaux à mesure qu'ils se déplacent dans le métabolisme des bactéries pour contribuer au CO atmosphérique.₂. Les chercheurs ont découvert que les microbes respirent trois fois plus de CO₂ à partir de carbones de lignine (unités aromatiques non sucrées) par rapport aux carbones de cellulose (unités de sucre de glucose), qui ajoutent à la fois structure et support aux parois cellulaires des plantes.

Ces résultats aident à démêler le rôle des microbes dans le cycle du carbone du sol – des informations qui pourraient aider à améliorer les prévisions sur la manière dont le carbone du sol affectera le changement climatique.

L'étude intitulée « Un efflux disproportionné de dioxyde de carbone dans les voies métaboliques bactériennes pour différents substrats organiques conduit à une contribution variable à l'efficacité de l'utilisation du carbone », a été publiée le 11 juin dans la revue Sciences et technologies environnementales.

“Le réservoir de carbone stocké dans le sol est environ 10 fois supérieur à celui de l'atmosphère”, a déclaré Ludmilla Aristilde de l'Université Northwestern, qui a dirigé l'étude.

” Ce qui arrive à ce réservoir aura un impact énorme sur la planète. Parce que les microbes peuvent libérer ce carbone et le transformer en CO atmosphérique.₂, il existe un énorme intérêt à comprendre comment ils métabolisent les déchets végétaux. À mesure que les températures augmentent, davantage de matières organiques de différents types deviendront disponibles dans le sol. Cela affectera la quantité de CO₂ qui est émis par les activités microbiennes.

Experte en dynamique des matières organiques dans les processus environnementaux, Aristilde est professeure agrégée de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern et membre du Centre de biologie synthétique et de l'Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l'énergie. Caroll Mendonca, ancienne doctorante. candidat dans le laboratoire d'Aristilde, est le premier auteur de l'article. L'étude inclut des collaborateurs de l'Université de Chicago.

« Tous les parcours ne sont pas créés de la même manière »

La nouvelle étude s'appuie sur les travaux en cours dans le laboratoire d'Aristilde pour comprendre comment le sol stocke ou libère du carbone. Bien que les chercheurs précédents aient généralement suivi la façon dont les composés décomposés de la matière végétale se déplacent individuellement à travers les bactéries, l'équipe d'Aristilde a plutôt utilisé un mélange de ces composés pour représenter à quoi les bactéries sont exposées dans l'environnement naturel.

Ensuite, pour suivre la manière dont différents dérivés végétaux se déplaçaient dans le métabolisme d'une bactérie, les chercheurs ont marqué des atomes de carbone individuels avec des marqueurs isotopiques.

“Le marquage isotopique nous a permis de suivre les atomes de carbone spécifiques à chaque type de composé à l'intérieur de la cellule”, a déclaré Aristilde. “En suivant les routes du carbone, nous avons pu capturer leurs chemins dans le métabolisme. C'est important car tous les chemins ne sont pas créés de la même manière en termes de production de dioxyde de carbone.”

Les carbones du sucre dans la cellulose, par exemple, empruntaient les voies glycolytique et pentose-phosphate. Ces voies conduisent à des réactions métaboliques qui convertissent la matière digérée en carbones pour fabriquer de l'ADN et des protéines, qui constituent la propre biomasse du microbe. Mais les carbones aromatiques et non sucrés de la lignine ont emprunté un chemin différent : à travers le cycle de l’acide tricarboxylique.

“Le cycle de l'acide tricarboxylique existe dans toutes les formes de vie”, a déclaré Aristilde. “Il existe chez les plantes, les microbes, les animaux et les humains. Si ce cycle produit également des précurseurs de protéines, il contient plusieurs réactions qui produisent du CO₂. La majeure partie du CO₂ ce qui est respiré par le métabolisme provient de cette voie. »

Élargir les résultats

Après avoir suivi les voies métaboliques, Aristilde et son équipe ont effectué une analyse quantitative pour déterminer la quantité de CO₂ produit à partir de différents types de matières végétales. Après avoir consommé un mélange de matières végétales, les microbes respiraient trois fois plus de CO₂ des carbones dérivés de la lignine par rapport aux carbones dérivés de la cellulose.

“Même si les microbes consomment ces carbones en même temps, la quantité de CO₂ généré à partir de chaque type de carbone est disproportionné”, a déclaré Aristilde. “C'est parce que le carbone est traité via deux voies métaboliques différentes.”

Lors des premières expériences, Aristilde et son équipe ont utilisé Pseudomonas putida, une bactérie commune du sol dotée d’un métabolisme polyvalent. Curieux de voir si leurs découvertes s'appliquaient à d'autres bactéries, les chercheurs ont étudié les données d'expériences antérieures dans la littérature scientifique. Ils ont trouvé la même relation qu’ils ont découverte entre la matière végétale, le métabolisme et le CO.₂ manifesté dans d’autres bactéries du sol.

“Nous proposons une nouvelle perspective guidée par le métabolisme pour réfléchir à la manière dont les différentes structures carbonées accessibles aux microbes du sol sont traitées”, a déclaré Aristilde. “Cela sera essentiel pour nous aider à prédire ce qui se passera avec le cycle du carbone dans le sol avec le changement climatique.”