Les traits stœchiométriques des espèces et des communautés microbiennes pour prédire la réponse des écosystèmes d’eau douce aux changements globaux – StoichioMic

Après avoir réfléchi conceptuellement les causes et les conséquences de la plasticité élémentaire de la biomasse microbienne, la composition élémentaire de plusieurs souches d’hyphomycètes aquatiques (champignons aquatiques) a été évaluée expérimentalement en manipulant les apports en éléments minéraux dans les milieux de culture, avec diverses sources de carbone (dissous ou particulaire). Dans un second temps, afin de comprendre l’impact de la composition élémentaire des microorganismes sur les processus de minéralisation des détritus, des assemblages microbiens et des communautés naturelles ont été mises à incuber en conditions contrôlées le long de gradients d’azote ou de phosphore inorganique. Ces incubations ont été réalisées en conditions plus ou moins stressantes (températures ambiantes ou échauffées, présence ou absence de contaminants antifongiques – cuivre), permettant d’estimer l’effet de ces stresseurs sur les processus de recyclage. Enfin, des expériences ont été réalisées dans des rivières artificielles dans lesquelles nutriments et température ont été manipulées, en présence ou en absence de compétiteurs (microalgues benthiques) et de prédateurs (invertébrés détritivores).

Les résultats de ce projet mettent en évidence que les microorganismes sont plastiques en termes de composition élémentaire – plus pour le phosphore que pour l’azote - mais que les microorganismes possèdent un ratio élémentaire optimal maximisant leur activité. Ces ratios optimaux sont significativement impactés par les stresseurs environnementaux testés (voir Figure présentant la décomposition de la cellulose en présence de Cuivre), modifiant de manière prédictible les besoins des microorganismes. Ces résultats permettront de paramétrer de manière plus fiable les modèles de prédiction du cycle du carbone, mais aussi plus largement les modèles de fonctionnement d’écosystèmes.

Les résultats du projet StoichioMic offrent une vision nouvelle des déterminants et des conséquences de la plasticité stoechiométrique des microorganismes décomposeurs dans le fonctionnement des écosystèmes. Ces résultats seront sans nul doute utilisables pour paramétrer les modèles de recyclage et de stockage de la matière organique, tant dans les sols que dans les milieux aquatiques. Ce projet a également ouvert de nombreuses nouvelles questions, parmi lesquelles la question du développement des approches par traits bio-écologiques pour les champignons aquatiques et les questions relatives aux formes sous lesquelles sont recyclées les matières détritiques par les décomposeurs.

Les résultats de ce projet Jeune Chercheur ont permis à ce jour la publication de 5 articles scientifiques et la formation de plusieurs étudiants (2 Master 2 et une thèse de doctorat). Ce projet a aussi permis d’initier des collaborations internationales, avec notamment la construction d’une base de données de traits des champignons aquatiques en cours à l’échelle européenne.

Dans les écosystèmes, les plantes et les décomposeurs microbiens sont généralement considérés comme les deux composantes biologiques les plus importantes des écosystèmes, les plantes fournissant du carbone organique et de l'énergie à toutes les composantes des réseaux trophiques et les décomposeurs permettant de recycler la matière organiques morte. Malgré son importance fondamentale pour le fonctionnement de l'écosystème, la minéralisation microbienne des détritus reste difficilement prédictible, probablement parce que les décomposeurs microbiens sont également capables, selon les conditions environnementales, d'immobiliser les nutriments inorganiques de leur environnement pour satisfaire leurs besoins élémentaires. À ce jour, la plupart des modèles visant à prédire le recyclage des éléments assuré par les décomposeurs ont utilisé des ratios élémentaires fixes. Pourtant, des études ont montré que les décomposeurs (y compris des bactéries et des champignons) étaient largement plastiques dans leur composition élémentaire. Dans ce contexte, la détermination du bilan entre l'immobilisation des nutriments et la minéralisation réalisée par les communautés microbiennes apparaît loin d'être triviale. Le développement d'approches basées sur les traits stœchiométriques des espèces microbiennes et des communautés pourrait représenter un moyen prometteur de résoudre cette question.
Axé sur les décomposeurs microbiens des litières dans les cours d’eau (des hyphomycètes aquatiques, puis des communautés naturelles complexes), le projet StoichioMic vise d'abord à comprendre la plasticité élémentaire des décomposeurs, au niveau spécifique, puis au niveau des communautés, et ses conséquences sur le bilan entre immobilisation et minéralisation (Tâche 1). Dans un deuxième temps, StoichioMic fournira des données importantes pour prédire la réponse de la plasticité élémentaire des décomposeurs à une sélection de paramètres du changement global (Tâche 2). Parmi ces paramètres, l'augmentation de la température, les changements de qualité du carbone et la présence de contaminants seront spécifiquement étudiés, ces facteurs de stress étant certainement parmi les plus importants affectant actuellement les processus microbiens. Enfin, StoichioMic permettra d'étudier comment ces réponses sont modulées par la présence de compétiteurs (plantes) et de prédateurs (détritivores), rendant les résultats du projet plus réalistes (Tâche 3).
StoichioMic apportera de nouvelles connaissances en écologie microbienne et, en particulier, sur le déterminisme de la structure de la communauté microbienne et sur les processus écologiques assurés par les micro-organismes. StoichioMic devrait fournir des preuves expérimentales et théoriques de l'importance de la plasticité élémentaire des micro-organismes sur l'intensité de la minéralisation et de l'immobilisation des nutriments. Ces paramètres devraient être intéressants pour évaluer les services écosystémiques assurés par les micro-organismes dans les écosystèmes, en particulier la rétention et le recyclage des nutriments. StoichioMic devrait également fournir des informations pratiques pour les gestionnaires d'écosystèmes, comme un potentiel bioindicateur de la biodisponibilité de l’azote et du phosphore dans les cours d'eau, et des informations sur la nature des espèces ripariennes dont les feuilles mortes maximiseront la rétention des nutriments dans les cours d'eau. StoichioMic fournira également des informations fondamentales pour prédire les conséquences de changements globaux, y compris le changement climatique, l'eutrophisation et les contaminations, sur les communautés microbiennes et les cycles des nutriments. Ce projet s’intègre dans le cadre conceptuel de la stœchiométrie écologique, approche qui permet de relier la physiologie de l'organisme aux structures des communautés, et qui considère explicitement le contenu élémentaire des organismes pour prédire les conséquences sur les cycles des éléments.