The nitrification inhibitor DMPP preferentially suppresses ammonia-oxidising bacteria and reduces nitric oxide emissions in an archaeal-dominated grassland soil

Le sol sous nos pieds est une usine bouillonnante de chimie invisible, transformant constamment les nutriments que nous ajoutons à nos champs en formes que les plantes peuvent utiliser. L'un des processus les plus critiques se déroulant dans ce monde souterrain est la nitrification, où des microbes spécifiques transforment l'ammonium, une forme courante d'engrais, en nitrate. Bien que cette transformation nourrisse les cultures, elle a un effet secondaire : elle libère des gaz dans l'air. Deux de ces gaz sont particulièrement importants. Le protoxyde d'azote est un puissant gaz à effet de serre qui piège la chaleur dans l'atmosphère, tandis que le monoxyde d'azote joue un rôle majeur dans la formation du smog et des pluies acides, affectant la qualité de l'air et la santé humaine. Depuis des décennies, les scientifiques savent que deux types différents de vie microscopique — les bactéries et les archées — pilotent ce processus. Dans de nombreux sols agricoles modernes, les archées sont de loin plus nombreuses, ce qui a conduit les chercheurs à supposer qu'elles sont les principaux moteurs des émissions de gaz. Cependant, le rôle exact des bactéries, moins communes, dans la libération de ces gaz spécifiques est resté un mystère, laissant les agriculteurs et les scientifiques incertains de la meilleure façon d'arrêter ces émissions sans nuire à la croissance des cultures.

Pour résoudre cette énigme, une équipe de chercheurs a porté son attention sur un sol de prairie au Royaume-Uni où les archées surpassent nettement les bactéries en nombre. Ils ont mis en place une expérience contrôlée pour observer ce qui se passait lorsqu'ils ajoutaient de l'urée, un engrais azoté standard, au sol. Ils voulaient voir si les archées dominantes ou les bactéries rares étaient responsables de la libération de monoxyde d'azote et de protoxyde d'azote. Pour tester cela, ils ont introduit deux inhibiteurs chimiques différents, des substances conçues pour ralentir le processus de nitrification. L'un de ces inhibiteurs, un composé appelé DMPP, est connu pour être particulièrement efficace pour cibler les bactéries. En comparant le sol traité avec de l'engrais seul par rapport au sol traité avec de l'engrais plus l'inhibiteur, l'équipe a pu observer quels microbes faisaient le gros du travail en ce qui concerne la production de gaz. Ils ont surveillé le sol en continu pendant vingt-huit jours, mesurant le flux de gaz s'échappant de la surface et suivant l'évolution des populations de ces communautés microscopiques au fil du temps.

Les résultats ont révélé un rebondissement surprenant dans l'histoire de la chimie du sol. Même si les archées constituaient environ les deux tiers de la communauté d'oxydation de l'ammoniac dans le sol, les bactéries étaient celles qui étaient proportionnellement responsables de la libération de monoxyde d'azote. Lorsque les chercheurs ont appliqué l'inhibiteur DMPP, celui-ci a réussi à supprimer la population de bactéries tout en laissant les archées largement intactes. Cette action sélective a entraîné une chute spectaculaire des émissions de monoxyde d'azote, qui ont diminué de pas plus de soixante-quinze pour cent à certains moments de l'expérience. Le fait que l'arrêt des bactéries ait provoqué un déclin aussi marqué de la production de gaz, malgré leur petit nombre, suggère que ces microbes rares sont extrêmement efficaces pour produire du monoxyde d'azote. Il semble que les bactéries agissent comme une source puissante et à haut rendement de ce gaz, tandis que les archées, plus nombreuses, contribuent beaucoup moins à cette émission spécifique.

L'histoire était différente pour le protoxyde d'azote. Bien que l'inhibiteur DMPP ait réduit la libération de ce gaz, l'effet était beaucoup plus modeste, avec des réductions allant de presque rien à environ vingt-sept pour cent. Cette différence souligne que les deux gaz proviennent de sources et de voies différentes au sein du sol. Le monoxyde d'azote semble être étroitement lié à l'activité des bactéries ; quand les bactéries sont ralenties, le gaz s'arrête. Le protoxyde d'azote, cependant, est produit par une plus grande variété de processus, incluant les activités des archées et d'autres organismes du sol que l'inhibiteur n'a pas stoppés. Comme l'inhibiteur ne ciblait qu'un groupe spécifique, les autres voies ont continué à libérer du protoxyde d'azote, empêchant un arrêt total des émissions. Cette découverte suggère que la gestion d'un gaz ne résout pas automatiquement le problème de l'autre, car ils sont pilotés par des mécanismes biologiques différents.

L'étude a également confirmé que l'inhibiteur DMPP était plus efficace et plus durable qu'un autre inhibiteur courant, la dicyandiamide. Le sol traité avec le DMPP a retenu davantage d'azote de l'engrais sous sa forme d'ammonium pendant une période plus longue, ce qui est bénéfique pour les cultures car cela signifie que les plantes ont plus de temps pour absorber les nutriments avant qu'ils ne soient perdus dans l'air ou emportés par le lessivage. Cette meilleure rétention d'azote, combinée à la réduction significative du monoxyde d'azote, indique un avantage clair à l'utilisation de cet inhibiteur spécifique en agriculture. La recherche démontre que le simple comptage du nombre de chaque microbe présent dans le sol ne suffit pas à prédire quels gaz seront libérés. Au contraire, l'activité fonctionnelle des bactéries, moins communes, est le moteur clé des émissions de monoxyde d'azote. Cette intuition offre une nouvelle cible aux agriculteurs et aux scientifiques : en se concentrant sur la suppression de ces voies bactériennes spécifiques, il pourrait être possible de réduire drastiquement la pollution par le monoxyde d'azote sans nécessairement affecter les autres gaz, menant ainsi à un air plus propre et à une utilisation plus efficace des engrais.