DNRA stimulates aerobic microbial processes and restructures the surface planktonic community in the Chilean OMZ
En intégrant la réduction dissimilatrice du nitrate en ammonium (DNRA) dans un modèle biogéochimique de la zone de minimum d'oxygène de la côte chilienne, l'étude révèle que, bien que la DNRA redirige principalement l'azote vers le recyclage avec un impact minimal sur les niveaux d'oxygène, elle abaisse de manière inattendue les concentrations de nitrite et d'ammonium par une nitrification accrue, stimulant ainsi la croissance du grand phytoplancton et du zooplancton dans les eaux de surface.
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L'océan n'est pas un bassin d'eau statique, mais un vaste moteur respirant, animé par le mouvement des nutriments. Au cœur de ce moteur se trouve l'azote, un élément chimique essentiel à toute vie marine, du plus petit phytoplancton unicellulaire à la plus grande des baleines. Dans de nombreuses parties du monde, l'océan est affamé d'azote, et sa disponibilité dicte la quantité de vie que la mer peut soutenir. Cependant, dans certaines régions connues sous le nom de zones de minimum d'oxygène, l'histoire devient plus complexe. Ce sont des couches d'eau profondes où l'oxygène est consommé plus rapidement qu'il ne peut être remplacé, créant un environnement de quasi-asphyxie. Dans ces royaumes sombres et pauvres en oxygène, un ensemble de règles différentes s'applique. Les microbes prennent le relais, décomposant la matière organique sans oxygène, un processus qui dépouille souvent l'océan de son azote utilisable, le transformant en un gaz qui s'échappe dans l'atmosphère. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que ces zones étaient principalement des lieux où l'azote était perdu à jamais, un cul de sac biologique qui limitait la productivité de l'océan.
Une équipe de chercheurs vient de remettre en question cette vision de longue date en se concentrant sur un processus microbien spécifique appelé réduction dissimilatrice du nitrate en ammonium, ou RDNA. Bien que le nom paraisse technique, le mécanisme est simple : en l'absence d'oxygène, certaines bactéries convertissent le nitrate, une forme d'azote, directement en ammonium, une autre forme que les plantes peuvent utiliser. Contrairement à d'autres processus qui retirent l'azote du système, la RDNA le maintient en circulation. En construisant un modèle informatique sophistiqué des eaux côtières du centre du Chili, foyer de l'une des zones de minimum d'oxygène les plus intenses de la Terre, les scientifiques ont simulé ce qui se passe lorsque ce processus de recyclage est actif. Ils ont découvert que la RDNA ne se contente pas d'ajouter plus d'ammonium au mélange ; elle déclenche au contraire une réaction en chaîne qui réorganise fondamentalement l'écosystème entier, transformant une zone de perte d'azote en une zone de conservation de l'azote et de croissance nouvelle et surprenante.
Les chercheurs ont construit un jumeau numérique de la côte chilienne, une région où des eaux froides et riches en nutriments remontent des profondeurs, alimentant de massives floraisons de plancton. Ils ont programmé ce modèle pour inclure le processus de RDNA, qui avait été observé dans l'océan réel mais n'avait jamais été pleinement intégré dans des simulations à grande échelle. Ils ont ensuite lancé deux scénarios : l'un où la RDNA est absente, représentant la vision traditionnelle du fonctionnement de ces eaux, et un autre où la RDNA est active. Les résultats sont contre-intuitifs. Les scientifiques s'attendaient à ce qu'en produisant plus d'ammonium, la RDNA augmente simplement la concentration de ce nutriment dans l'eau. Au lieu de cela, le modèle a montré que la présence de la RDNA faisait en réalité chuter les niveaux d'ammonium et de nitrite de manière significative, respectivement par des facteurs de deux et de cinq, par rapport au groupe témoin.
Ce paradoxe s'est produit parce que l'ammonium produit par la RDNA est immédiatement saisi par un groupe différent de microbes : les bactéries nitrifiantes. Ces organismes aérobies, qui nécessitent de l'oxygène, oxydent rapidement le nouvel ammonium pour le transformer à nouveau en nitrate. Cela a créé une boucle serrée et efficace où l'azote est constamment recyclé entre différentes formes chimiques plutôt que de s'accumuler ou de s'échapper. Le nitrate produit par ce recyclage rapide est ensuite transporté vers la couche de surface ensoleillée par les courants océaniques. Là, il agit comme un puissant engrais, mais avec une nuance. Cet excès de nitrate ne nourrit pas les petits algues unicellulaires qui dominent habituellement ces eaux. Au lieu de cela, il stimule la croissance de plus grands phytoplanctons, tels que les diatomées, qui sont les fondations d'un réseau trophique plus complexe.
Le changement à la base de la chaîne alimentaire s'est répercuté vers le haut. À mesure que le grand phytoplancton prospérait, il soutenait un essor de grand zooplancton, ces minuscules crustacés qui les broutent. Inversement, les populations de petits phytoplanctons et de petits zooplanctons ont décliné. Le modèle a révélé que l'écosystème entier se restructure autour de ce nouveau flux de nutriments. Le processus a également modifié l'équilibre de la perte d'azote. Dans le scénario traditionnel sans RDNA, l'océan perdait des quantités importantes d'azote fixé grâce à des processus qui le convertissent en gaz. Avec la RDNA active, ces voies de perte sont supprimées. La compétition pour les nutriments signifie que moins d'azote est disponible pour les bactéries qui l'extraient du système, piégeant ainsi l'azote au sein du réseau trophique océanique et le rendant à nouveau disponible pour la vie.
L'étude a également mis en évidence le rôle critique des courants océaniques physiques dans cette danse biologique. Le mouvement ascendant de l'eau, entraîné par le vent et la rotation de la Terre, a transporté le nitrate recyclé des couches profondes et pauvres en oxygène vers la surface. Ce transport physique fut le pont qui a permis à l'activité microbienne profonde d'influencer l'écosystème de surface. Les chercheurs ont constaté que ce couplage était robuste ; même lorsqu'ils ont ajusté les paramètres de leur modèle pour tenir compte de l'incertitude quant à la vitesse de travail des bactéries ou à la quantité exacte d'oxygène nécessaire pour déclencher le processus, le résultat principal restait le même. Le système basculait systématiquement vers un état de conservation de l'azote, le processus de recyclage profond stimulant la productivité de surface.
Ces conclusions suggèrent que l'image classique des zones de minimum d'oxygène comme de simples déserts de perte d'azote pourrait être incomplète. Dans les zones où la RDNA est active, ces zones pourraient au contraire fonctionner comme des moteurs de recyclage interne, soutenant des niveaux de productivité plus élevés qu'on ne le pensait auparavant. L'étude ne prétend pas avoir résolu tout le mystère du cycle mondial de l'azote, ni suggère que ce processus se produit partout. Cependant, elle fournit un argument convaincant basé sur la simulation montrant que négliger la RDNA conduit à une sous-estimation significative de la quantité d'azote retenue dans l'océan et de la façon dont le réseau trophique est structuré. Les chercheurs soulignent que leurs travaux indiquent la nécessité de mesures plus fréquentes et détaillées dans l'océan réel, particulièrement concernant les niveaux d'ammonium dans les eaux de surface et de fond, afin de confirmer si la nature se comporte exactement comme leur modèle numérique le prédit. En révélant comment un processus microscopique peut remodeler l'abondance de la vie, des profondeurs de la mer jusqu'à la surface, l'étude offre un nouveau regard pour appréhender la machinerie complexe et interconnectée de l'océan.
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