Incidences d'interactions racines-microorganismes-état hydrique sur la mobilisation et redistribution de métaux dans des sols nickelifères

Les Ferralsols Néo-Calédoniens sont naturellement riches en Cr, Co et Ni, concentrés principalement dans les oxyhydroxydes de Fe et Mn. Ils sont libérés lors de la dissolution des minéraux par réduction bactérienne du fer. Connaître les cycles biogéochimiques de Fe, Mn et éléments en traces associés est donc d'un intérêt fondamental dans les sols et la rhizosphère des plantes cultivées. Le but de ce travail est de déterminer l'incidence de la rhizosphère, des microorganismes et de l'état hydrique du sol, sur l'altération des oxydes de Fe et de Mn et la mobilisation d'éléments en traces. Des dispositifs de cultures de maïs en pots ou colonnes axéniques et en cuves en conditions contrôlées ont été utilisés. Des communautés bactériennes ferri- et mangani-réductrices ont été isolées de la rhizosphère du maïs. L'altération des phases minérales des sols a été évaluée par le transfert aux plantes, la dissolution des éléments et leur redistribution vers les différents compartiments, du plus disponible (éléments hydrosolubles) au plus stable (oxydes de fer). Les résultats mettent en évidence une altération des phases minérales qui se traduit par une mobilisation des éléments depuis les oxydes et leur redistribution vers des compartiments du sol soit plus disponibles soit plus stables. La présence de la plante, de communautés bactériennes ferri- et mangani-réductrices, ainsi que de périodes d'engorgement au cours de la culture, augmentent la disponibilité des éléments. L'activité rhizosphérique a un rôle déterminant. La biodégradation des matières organiques du sol intervient aussi pour favoriser l'apparition de conditions favorables à l'altération.In New Caledonia Ferralsols, nickel, chromium and cobalt are contained in iron and manganese (oxy-hydr)oxides and are released during weathering, particularly by iron reducing bacteria. So it is of major interest to know the biogeochemical cycle of Fe, Mn, and associated trace elements in soils and rhizosphere of crop plants. The aim of this work is to define the effect of rhizosphere, microorganismes and hydric conditions on iron and manganese oxyhydroxides weathering, and mobilization of trace elements (Ni, Cr, Co). Experiments have been done using pot cultures of maize or axenic column, and batch devices in controlled conditions. Iron and manganese reducing bacterial communities have been isolated from maize rhizosphere. Weathering of mineral phases has been monitored by transfer elements to the plant, dissolution and redistribution of metals between the different geochemical compartments, from the most available (watersoluble elements) to the most stable (iron oxides). Results show an improvement of bioavailability of Fe, Mn, Ni, Cr and Co, which were trasfer to maize. Mineral phases weathering involve a mobilization of the metals from oxides and their redistribution to most stable or most available compartments. The presence of the plant, iron and manganese reducing communities, and waterlogged conditions during plant culture, increases the element bioavailability. Biodegradation of soil organic matter has an important influence on the occurrence of conditions favourable to the weathering.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Effet des essences forestières sur la biodégradation des matières organiques (impact sur la dynamique et le cycle du carbone, de l'azote et des éléments minéraux)

Cette étude visait à déterminer les indicateurs pertinents de la dynamique des matières organiques (MO) et de certaines étapes du cycle du carbone, de l azote et des éléments minéraux en relation avec la nature des essences. Le site expérimental de Breuil-Chenue (Morvan), permettant dans des conditions identiques, de suivre l effet des essences, a servi de support aux travaux. Les différentes approches expérimentales (in situ et au laboratoire) montrent que 30 ans après la plantation, l expression de la forêt native (taillis sous futaie à hêtre dominant, 150 ans) a disparu au profit des jeunes peuplements. On observe des différences marquées dans la décomposition des substrats végétaux, la minéralisation du carbone et de l azote, et la dynamique des éléments majeurs jusque dans les agrégats de sol. On distingue: les peuplements à bon potentiel de décomposition des MO comme les plantations de Douglas, et de hêtre, dont la MO résiduelle de l horizon A1 est peu abondante et relativement récalcitrante. La nitrification y est efficace, et mobilise préférentiellement Ca, Mn et Mg. Les peuplements à faible potentiel de décomposition comme la forêt native, et surtout l épicéa, dont la litière plus riche en lignine, Fe et Al s accumule à la surface du sol, donnant lieu à une MO minéralisable abondante dans l horizon A1. La nitrification y est très faible, et Fe et Al sont fortement mobilisés. Le peuplement de chêne aux feuilles pauvres en lignine et plus riches en Ca, Mg, Mn et K, occupe une position intermédiaire. Les substrats végétaux s y décomposent rapidement. Cependant, la forte production de litière, et sa proportion élevée en bois favorisent son accumulation au sol.The aim of this study was to determine the relevant indicators of the dynamic of organic matter (OM) and some steps of the cycle of carbon, nitrogen and mineral nutrients in relation with the nature of tree species. The experimental site of Breuil-Chenue (Morvan), which allows on similar conditions, to follow the tree species effect, was used as work support. Field and laboratory experimental approaches show that 30 years after the plantation, the expression of the native forest (a coppice with standards dominated by beech, 150 year-old) disappeared, under the effect of young tree species. Marked differences were observed in litter decomposition, carbon and nitrogen mineralization, and dynamics of major elements, even in soil aggregate fractions. Groups of tree species stands were distinguished: the first one having a good potential of decomposition, concerns Douglas fir and beech, whose OM in the A1 horizon, was not abundant but relatively recalcitrant. Nitrate production was higher and implicated on Ca, Mn and Mg mobility. The second group was characterized by a low potential of decomposition. It includes native forest, and spruce plantation whose needles richest in lignin, Fe and Al accumulate on topsoil. Soil OM from these both stands presented a weak nitrate production, but release much more soluble organic compounds with a great potential of carbon mineralization in lab. Fe and Al were more mobilized. The oak plantation, with leaf litter low in lignin and richer in Ca, Mg, Mn and K, occupied an intermediate position. Plant materials were decomposed rapidly. However, strong production of litter and its high proportion of wood result in it accumulation on topsoil.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Réactivité des associations organo-minérales dans une lagune d'eaux de mine (fixation du plomb par des matières biologiques)

NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Biodégradabilité - stabilité des matières organiques des sédiments de rivières (caractérisation et dynamique des fractions extractibles et des nutriments et polluants associés)

Des sédiments de rivières du bassin de la Moselle (Moselle et deux de ses affluents, le Madon et la Fensch) ont été étudiés pour améliorer les connaissances sur ce compartiment d un intérêt majeur pour les questions d ordre environnemental (appoint en eau potable, transfert de polluants et de nutriments...). Les travaux se sont focalisés sur les matières organiques qui constituent un pool réactif capital. La caractérisation de 15 sédiments en mesurant des paramètres abiotiques (physiques, chimiques, physico-chimiques) permet de proposer une première typologie tributaire du type d activité humaine. Des zones de sédimentation de particules fines, riches en matières organiques et dues à des modifications d origine anthropique du cours des rivières (barrage, canalisation, pollution) ont pu être définies. L étude de la biodégradation des matières organiques a permis de proposer des critères de biodisponibilité d une part et d autre part de suivre l évolution (globale et moléculaire) de fractions extractibles selon leurs propriétés physico-chimiques (hydrosoluble, lipidique, acidosoluble, alcalinosoluble) en choisissant deux sédiments de référence, pollués ou non. Selon le type de sédiment et les conditions d incubation (aérobie vs. anaérobie), divers modèles d évolution des fractions organiques sont observés tant quantitativement que qualitativement. Le dénombrement de communautés microbiennes cultivables spécifiques ou non, d expériences in situ et en laboratoire, a été mis en relation avec l apport de deux substrats modèles : la cellulose et le phénanthrène.River sediments of Moselle catchment area (Moselle, Madon and Fensch) have been studied to improve the knowledge about this compartment of major interest for environmental questions (drinking water, transfer of pollutants and nutriments...). The studies were focused on organic matter which represents a major reactive pool. The characterization of 15 sediments by measurements of abiotic parameters (physical, chemical and physico-chemical) allows proposing a first typology related to human activities. Some sedimentation sites were defined, accumulating fine particles rich in organic matter and associated to anthropic modifications of the river bed (dam, channel, pollution). By studying the organic matter biodegradation, criteria of bioavailability could be defined on one hand, and evolution of extractable fraction of organic matter based on their physico-chemical properties (water soluble, lipidic, acid soluble, alkaline soluble) was assessed on the other hand in two selected sediments, polluted and unpolluted. Depending on the type of sediment and the conditions of incubation (aerobic vs. anaerobic), models of evolution of the organic fractions are observed either qualitatively and quantitatively. Specific or not microbial communities were numbered from field and laboratory experiments in relation with the presence of two model substrates: cellulose and phenanthrene.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Incidence de la biodégradation des matières organiques sur le devenir des métaux et des contaminants organiques dans un sol nickélifère et un sédiment de rivière

Les sols et les sédiments de rivières sont à la fois sources et réceptacles de polluants issus du fond géochimique ou de pollutions anthropiques. Ils contiennent différentes phases minérales et organiques porteuses d'éléments en traces métalliques (ETM) et de polluants organiques varies. L'activité microbienne joue un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques de ces composes, par le jeu des interactions micro-organismes-minéraux-matières organiques. L influence de la biodégradation des matières organiques (MO) complexes sur le devenir des métaux et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) est étudiée dans deux systèmes continentaux contrastes : un ferralsol de Nouvelle-Calédonie et un sédiment de rivière de lorraine. Des incubations permettent le suivi et la quantification de l'activité microbienne ainsi que la définition des mécanismes et paramètres impliques dans l'évolution des polluants au cours de la biodégradation des mo. L accent est mis sur le couplage de certaines étapes du cycle du carbone avec les cycles des métaux. Les résultats montrent que la nature des MO et la quantité d'accepteurs d'électrons disponibles dans le milieu contrôlent l'activité microbienne aérobie et anaérobie. En aérobiose, la dégradation des composes organiques s'accompagne de la dissolution des carbonates et des sulfures présents dans le milieu. La réduction bactérienne de FE et MN entraine la solubilisation des ETM associes a leurs oxydes, notamment lorsque l'activité microbienne est stimulée par l'apport d'un substrat organique facilement métabolisable. La réduction des sulfates contribue à la précipitation de certains ETM. L étude du statut des métaux dans la phase solide montre une réorganisation de ceux-ci au profit de compartiments plus réactifs et plus labiles au cours de l'altération microbienne. Enfin, l'activité microbienne entraine la dissipation des HAP du sédiment, même des plus lourds, en aérobiose et dans une moindre mesure en anaérobiose.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocNOUMEA-BU (987352102) / SudocSudocFranceF

Le concept de niche écologique associé à la co-existence des espèces végétales (mise en évidence du rôle de la symbiose mycorhizienne et de sa microflore associée dans la structuration de la strate herbacée en milieu tropical)

Des écosystèmes sahéliens ont été étudiés afin de préciser le rôle de la symbiose mycorhizienne et de la flore mycorhizosphérique dans la structuration des communautés végétales. Les expérimentations ont porté sur trois états d évolution des systèmes sol microorganismes plantes : (i) l implication des champignons mycorhiziens à arbuscules (champignons MA) dans les mécanismes de co-existence végétale dans un écosystème herbacé faiblement anthropisé ; (ii) l étude de l influence des champignons MA dans l atténuation des effets allélopathiques des essences exotiques à croissance rapide [Gmelina arborea, Eucalyptus camaldulensis] sur les organismes natifs (communautés microbiennes et herbacées) et enfin, (iii) l étude de l invasion du sol par une herbacée exotique (Amaranthus viridis) sur la structure et le fonctionnement de certaines communautés microbiennes du sol (champignons MA, bactéries totales, rhizobia), la disponibilité dans le sol de C, N, P et la régénération de cinq espèces d Acacia sahélien. Les résultats indiquent que (i) la présence et l abondance des champignons MA dans le sol, ainsi que la richesse en phosphore, peuvent fortement influencer la répartition des espèces végétales ; (ii) les champignons MA constituent des agents biologiques qui favorisent la croissance des plantes et permettent de restaurer les sols dégradés et de promouvoir la biodiversité végétale et enfin, (iii) l invasion de Amaranthus viridis, une espèce végétale peu mycotrophe, modifie profondément certaines caractéristiques biochimiques du sol et réduit significativement les potentiels infectieux mycorhizien et rhizobien dans le sol, compromettant ainsi la survie des plants d Acacia. Cependant, l inoculation des plants avec des propagules de champignon MA permet d atténuer significativement l effet dépressif de la plante invasive sur le développement des Acacias.Sahelian ecosystems have been studied to define the role of mycorrhizal symbiosis and mycorrhizospheric flora in plant communities structuration. The study concerns three main levels of soil microorganisms plant systems evolution: (i) the implication of Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) like Agent-mediated coexistence processes in an herbaceous weakly disturbed ecosystem; (ii) the study of the impact of AMF like Agent-mediated allelopathic effect of exotic fast growing trees [Gmelina arborea Roxb, Eucalyptus camaldulensis] on endogenous organisms (herbaceous and soil microbial communities) and lastly, (iii) the study of soil invasion by an exotic herbaceous plant [Amaranthus viridis] on soil microbial community (AMF, total bacteria, rhizobia) structure and function, on C, N, P availability in soil and, on the regeneration of five sahelian Acacia species. The results indicate that (i) the presence and abundance of AMF in soils, associated with P availability, could strongly mediate plant species coexistence processes and thus, determine plant species partitioning in terrestrial ecosystems; (ii) AMF s are biological agents which optimize plant growth, restore degraded lands and promote plant biodiversity and finally, (iii) Amaranthus viridis, a very weakly mycotrophic plant species, alters soil chemistry and promotes a reduction in soil mycorrhizal and rhizobial communities after its invasion, thus compromising the survival of Acacia seedlings. Furthermore an increase in soil mycorrhizal propagules could make it possible to mitigate significantly the depressive effect of the invasive plant on the re-establishment of these Acacia species.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Effect of tree species substitution on organic matter biodegradability and mineral nutrient availability in a temperate topsoil

In the Breuil-Chenue experimental site (Morvan, France), the native forest, a 150-year-old coppice with standards dominated by beech was partly clear-cut thirty years ago and replanted with several tree species. Soil samples were collected from the A1 horizon, in the 0–5 cm layer of the preserved native forest and three plantations: European beech, Douglas-fir and Norway spruce. Aliquots of 0–2 mm sieved soils were incubated for 40 days under laboratory conditions (15 ◦C, water-holding capacity). Carbon-mineralization was monitored; mineral nitrogen, water-extractable organic carbon and mineral elements were determined before and after the incubation. The release of CO2 decreased in the order: spruce > native forest > beech > Douglas-fir, whereas nitrogen net mineralization decreased in the opposite order. Douglas-fir and beech soils were characterised by high nitrification activity and high solubilization of Ca, Mg, and Mn. Native forest and spruce soils were characterized by low nitrification activity, high carbon-mineralization and high solubilization of Fe and Al.Il y a 30 ans, dans le site atelier de Breuil-Chenue (Morvan, France), la forêt native, un taillis sous futaie de 150 ans à dominante de hêtre, était partiellement coupée à blanc, puis replantée avec diverses essences. Des échantillons de sol ont été prélevés dans l’horizon A1 (0–5 cm) sous la forêt native préservée et les plantations de hêtre, Douglas et épicéa. Les fractions de sols (2 mm) ont été incubées au laboratoire (15 ◦C, capacité au champ). La minéralisation du carbone a été suivie périodiquement. L’azote minéral, le carbone et les éléments hydrosolubles ont été quantifiés avant et après incubation. La minéralisation du carbone décroît dans l’ordre : épicéa > forêt native > hêtre > Douglas, alors que celle de l’azote décroît dans l’ordre inverse. Les sols de Douglas et de hêtre se caractérisent par une forte nitrification et solubilisent plus Ca, Mg et Mn. Ceux de la forêt native et d’épicéa nitrifient peu, minéralisent fortement le carbone et solubilisent plus Fe et Al

The effect of forest tree species change on decomposer diversity :A case study of the Breuil research site (Burgundy, France)

Résumé : La diversité microbienne et sa relation à l'activité de décomposition ont été étudiées dans des sols forestiers. La méthode moléculaire de TGGE (électrophorèse sur gel à gradient de température) a été optimisée et utilisée pour établir des diagrammes des communautés fongiques et aussi bactériennes pendant la décomposition de divers matériaux (cellulose, bois, litière) en forêt native et dans quatre monocultures. La diversité a été comparée aux mesures de vitesse de décomposition des échantillons ainsi qu'à l' activité cellulolytique, la biomasse fongique et le C/N. L'effet de variables environnementales (propriétés chimiques, humidité et température) ont aussi été étudiées. La substitution d'espèces cause des changements de composition des communautés fongiques ou bactériennes. Les communautés changent aussi durant la période de décomposition. Pourtant, aucune diminution de la richesse en espèces n'est observée pour les substrats ou essences étudiés. Les différences de vitesse de décomposition ne sont pas liées à la disparition d' espèces ou à des changements de communautés, mais plutôt au changement de conditions microclimatiques et nutritionnelles, ayant des conséquences sur les interactions biotiques et/ou sur l'activité des espèces. Les litieres mixtes feuillus-résineux augmentent la diversité fongique ainsi que la vitesse de décomposition. Pendant l'été, la richesse des espèces diminue et les espèces communes sont remplacées par des espèces moins fréquentes, capables de tolérer des conditions sèches et restant très actives.Microbial diversity and its relation to decomposition activity were studied in forest soils. An optimized fingerprinting method of TGGE (temperature gradient gel electrophoresis) was used to determine the patterns mainly of fungal but also of bacterial communities during decomposition of different substrates (cellulose, wood, tree litters) in a native forest and four monocultures . The diversity data were compared to measurements of decomposition rate in the samples (plus cellulase activity, fungal biomass and C/N ). Further, effect of environmental variables (soil chemistry, moisture and temperature) to diversity was also targeted. Substitution of tree species caused changes in the composition of fungal and bacterial communities. Similarly, the communities were changing during the incubation period. However, any significant decrease of species richness was detected for any substrate or tree species. The differences in the decomposition rate did not seem to be influenced by a species loss or community change, but rather by a change in the microclimatic and nutrient conditions, influencing biotic interactions and/or species activity. Leaf-needle mixed litters sustained fungal diversity and increased the decomposition rate. During summer, species richness tended to decrease and common species were replaced by infrequent ones, able to tolerate dry conditions and to be very active.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF