Contribution des 'comammox' à la nitrification dans les sols – COMICONS

Échantillonnage de sol
Des expériences en microcosme seront d'abord établies avec le profilage de la cinétique de nitrification, des propriétés physico-chimiques et des communautés microbiennes. Nous utiliserons le réseau SOERE-PRO (Systèmes d'expérimentation et de suivi de la recherche environnementale) qui a été mis en place pour déterminer l'effet de différentes applications de résidus organiques (boues, fumier, compost). Des microcosmes seront établis pour déterminer si les bactéries comammox peuvent utiliser et rivaliser avec l'AOA et l'AOB pour les sources d'ammonium inorganiques et organiques.

Culture de bactéries comammox.
Des cultures d'enrichissement (dans le but d'obtenir un isolement éventuel) seront établies en utilisant un milieu salin minimal basé sur ceux utilisés pour la culture des bactéries aquatiques comammox.

Séquençage d'ADN à haut débit.
L'analyse des séquences des amplicons PCR et des séquences génomiques sera effectuée à l'aide de la plate-forme de séquençage interne d'Ampère pour profiler les communautés de comammox. Pour le séquençage du génome des isolats de comammox, l'ADN génomique sera isolé et séquencé à l'aide d'Illumina MiSeq et d'Oxford Nanopore MinION. D'après notre expérience, l'analyse des séquences de séquençage des deux plates-formes facilite la production de génomes de projet complets ou presque fermés.

Mésocosmes et mesure du N2O
Des mésocosmes de sol seront établis à l'aide de 5 sols et les émissions de N2O seront déterminées à l'aide d'un nouveau système d'analyse de gaz autonome pour les microcosmes de sol. Des microcosmes de sol seront établis et incubés avec différents inhibiteurs de nitrification pour moduler la croissance de différents groupes de nitrifiants.

Résultats terminés jusqu'à présent

À l'aide d'un sol agricole modèle, nos travaux récents ont démontré que le comammox Nitrospira clade B peut être plus abondant que les autres communautés AO dans un sol à pH presque neutre où ils possèdent des niches écologiques distinctes des archées canoniques oxydant l'ammoniac (AOA) et des bactéries (AOB). Plus précisément, alors que l'AOA et l'AOB poussaient dans un sol aéré (environ 60 % d'espace interstitiel rempli d'eau) en utilisant du N organique minéralisé (AOA) ou de l'ammonium inorganique ajouté (AOA et AOB), le comammox Nitrospira ne poussait qu'en utilisant de l'ammoniac dérivé de N organique minéralisé à une eau plus élevée. leur contenu, indiquant que la disponibilité en oxygène peut être un facteur contrôlant leur activité. Pour tester l'hypothèse selon laquelle l'activité du comammox Nitrospira augmente vers des conditions microaérophiles, des microcosmes ont été établis avec une augmentation de l'espace poreux rempli d'eau ou une diminution de la concentration en oxygène de l'espace libre. Plus précisément, un sol à pH 7,5 a été incubé pendant 30 jours avec du 12C- ou du 13C-CO2 à 30 %, 40 % ou 50 % de teneur en eau du sol (p/p) avec une concentration initiale d'oxygène dans l'espace de tête de 21 %, ou avec une teneur initiale de 21 %, 10,5% ou 2,1% de concentration en oxygène dans l'espace de tête et une teneur en eau de 30%. L'ADN-SIP combiné à la PCR quantitative des gènes amoA spécifiques au groupe a été utilisé pour évaluer la croissance et l'activité de l'AOA, de l'AOB et du comammox. L'AOA et l'AOB étaient respectivement actifs et inactifs dans toutes les conditions, mais le comammox Nitrospira a démontré une croissance et une incorporation de 13C uniquement à une teneur en eau de 40 % ou à 2,1 % d'oxygène dans l'espace de tête. Ces résultats démontrent que la disponibilité réduite de l'oxygène dans la matrice du sol peut être un facteur important dans le contrôle de l'activité de Nitrospira comammox.

Nous avons fait des progrès significatifs dans la compréhension des conditions dans lesquelles les bactéries comammox sont actives dans le sol. Nous prévoyons que les bactéries comammox ne seront pas des contributeurs majeurs à la perte d'engrais dans les systèmes agricoles conventionnels. Cependant, dans les systèmes de sols naturels non gérés (qui représentent la plus grande proportion de la surface de la Terre), ils peuvent apporter des contributions majeures au cycle de l'azote et à la production d'oxyde nitreux.

En comprenant les contributions des différents groupes d'oxydants d'ammoniac (AOA, AOB et comammox), le projet a le potentiel de fournir des avantages économiques, grâce à une utilisation plus efficace des engrais à base d'azote, et des avantages environnementaux, améliorant la qualité de vie grâce à des réductions d'ammoniac et d'azote. les émissions d'oxydes dans l'atmosphère et les réductions des niveaux de nitrates dans les eaux souterraines et les rivières.

Deux présentations de conférence et un manuscrit en préparation

La transformation de l'azote (N) dans l'environnement repre´sente sans doute le cycle bioge´ochimique le plus anthropise´ sur Terre. L'apport d’N par les engrais (100 Tg / an) et le de´po^t d’N atmosphe´rique (25 Tg / an) de´passe maintenant celui la fixation naturelle de l'N (110 Tg / an) et l’utilisation d'engrais devrait encore augmenter avec l’accroissement de la population mondiale. En plus d'entrai^ner des conse´quences environnementales ne´fastes sur les ecosyste`mes terrestres et aquatiques, l’apport d'azote re´actif sous forme d’engrais contribue a` l’augmentation des e´missions de l'oxyde nitreux (N2O), un gaz a` effet de serre e´galement implique´ dans la destruction de l'ozone stratosphe´rique. Un processus cle´ de la conversion de l'azote dans l'environnement est le processus de nitrification par lequel l'ammonium est oxyde´ en nitrate via le nitrite. Alors que l'ammonium est retenu dans le sol, le nitrate est tre`s mobile et facilement lessivable. L'oxydation de l'ammonium par nitrification est ainsi responsable d’une perte estime´e de 67% des engrais applique´s avec un cou^t e´conomique global de 15,9 milliards de dollars.

Ce processus de nitrification est traditionnellement conside´re´ comme e´tant re´alise´ par deux groupes microbiens physiologiquement distincts, l'ammonium oxyde´ en nitrite par les microorganisms nitrosants (AO) et le nitrite en nitrate par les bacte´ries nitratantes (NOB). Jusqu'a` re´cemment, deux grands groupes, les archaea (AOA) et les bacte´ries (AOB) oxydant l’ammonium ont e´te´ conside´re´s comme les seuls capables d’utiliser l'ammonium comme seul source d'e´nergie. Au cours de la dernie`re de´cennie, des diffe´rences de niche au sein des AOA et AOB mais aussi entre ces deux groupes ont été démontrés, ainsi que des diffe´rences dans leurs contributions relatives a` la perte d'engrais azote´s et aux pollutions associe´es. Cependant, en 2015, deux e´tudes ont conduit a` un changement de paradigme en re´ve´lant que les bacte´ries appartenant au phylum Nitrospira sont capables d’effectuer les deux e´tapes du processus de nitrification i.e. d’oxyder comple`tement l'ammonium en nitrate, ou «comammox». Cette de´couverte e´tait surprenante car toutes les souches de Nitrospira connues e´taient capables d’effectuer uniquement que la seconde e´tape de nitrification. Il est toutefois important de noter que l'abondance des communaute´s de Nitrospira dans de nombreux environnements, y compris le sol, est ge´ne´ralement supe´rieure a` celle des AOA ou des l'AOB, ce qui indique qu'elles peuvent contribuer significativement a` l'oxydation de l'ammonium. Il est donc urgent de de´terminer leur importance fonctionnelle dans les sols et si ces microorganisms contribuent de manie`re significative aux perte d'azote et a` la pollution liée aux engrais.

COMICONS propose une approche pluridisciplinaire combinant des expertises en microbiologie, e´cologie mole´culaire, ge´nomique, bioge´ochimie et modelisation pour caracte´riser la physiologie, la ou les niche (s) e´cologique (s) des bacte´ries comammox et leur contribution globale aux processus du cycle de l'azote dans le sol. Plus pre´cise´ment, nous de´terminerons dans quelles conditions les bacte´ries comammox sont actives dans le sol et quelles sont les sources d'azote utilise´es pour la croissance. Nous caracte´riserons leur activite´ in situ dans le sol, et nous conduirons une analyse physiologique de´taille´e des nouvelles souches obtenues en laboratoire. De plus, nous quantifierons e´galement leur contribution aux transformations d’N dans le sol en lien avec l'ajout d'engrais, leur contribution aux e´missions d'oxyde nitreux et leurs niches e´cologiques par rapport aux autres groupes caracte´rise´s oxydants l’ammonium. Ce projet de recherche me`nera a` une perce´e fondamentale dans la compre´hension des principaux acteurs du cycle de l'azote pour de´velopper des approches visant a` atte´nuer la pollution associe´e a` la nitrification.