Biologie des sols

Le sol abrite un pourcentage important de la biodiversité mondiale. Les liens entre les organismes et les fonctions du sol sont complexes. L'interdépendance et la complexité de ce « réseau trophique » du sol signifient que toute analyse de la fonction des sols doit nécessairement prendre en compte les interactions entre les communautés vivantes résidant dans ces derniers. Nous connaissons le processus par lequel les organismes du sol décomposent la matière organique, rendant les nutriments disponibles, en vue d'être absorbés par des plantes et autres organismes. Les nutriments stockés dans les corps des organismes du sol empêchent la perte de nutriments par lessivage. Les exsudats microbiens agissent dans le maintien de la structure du sol. Les vers de terre, quant à eux, jouent un rôle crucial dans la bioturbation. Cependant, nous constatons que nous n'avons pas une bonne compréhension des aspects importants du fonctionnement et de l'interaction de ces populations. La découverte de la glomaline, en 1995, indique un déficit de connaissances nous empêchant de répondre correctement à certaines des questions les plus élémentaires sur le cycle biogéochimique des sols. Il y aura encore beaucoup de travail à accomplir pour mieux comprendre le rôle écologique des composants biologiques du sol au sein de la biosphère.

Dans un sol équilibré, les plantes poussent dans un environnement actif et stable. La minéralité et la richesse structurelle d'un sol sont primordiales pour sa santé. Cependant, c'est la vie dans la terre du sol qui renforce ses cycles et assure sa fertilité. Sans les activités des organismes du sol, les matières organiques s'accumuleraient et joncheraient la surface du sol ; il n'y aurait donc aucun nutriment pour les plantes. Le biote du sol comprend :

• Mégafaune : gamme de taille - 20 mm de hauteur, par exemple les taupes, les lapins et les rongeurs.
• Macrofaune : gamme de taille - 2 à 20 mm, par exemple les cloportes, les vers de terre, les coléoptères, les mille-pattes, les limaces, les escargots, les fourmis et les moissonneurs.
• Mésofaune : gamme de taille - 100 micromètres à 2 mm, par exemple les tardigrades, les acariens et les collemboles.
• Microfaune et microflore : gamme de taille - 1 à 100 micromètres, par exemple levures, bactéries (généralement actinobactéries), champignons, protozoaires, vers ronds et rotifères.

Parmi ceux-ci, les bactéries et les champignons jouent un rôle clé dans le maintien d'un sol sain. Ils agissent comme des décomposeurs qui vont venir désagréger les matières organiques, pour produire des détritus et d'autres produits de décomposition. Les détritivores des sols, tout comme les vers de terre, ingèrent les détritus et les décomposent. Les saprotrophes, bien représentés par les champignons et les bactéries, extraient les nutriments solubles du sol. Les fourmis (macrofaunes) aident en décomposant de manière similaire. Les armées de fourmis participent également au mouvement et à l'aération des sols lorsqu'elles se déplacent. Par ailleurs, les rongeurs « mangeurs de bois » soutiennent la capacité d'absorption du sol.

La biologie des sols implique des travaux dans les domaines suivants :

• Modélisation des processus biologiques et de la dynamique des populations
• Biologie, physique et chimie des sols : occurrence des paramètres physico-chimiques et des propriétés de surface sur les processus biologiques et le comportement des populations
• Biologie des populations et écologie moléculaire : développement méthodologique et contribution pour l'étude des populations microbiennes et fauniques ; diversité et dynamique des populations ; transferts génétiques, influence des facteurs environnementaux
• Écologie communautaire et processus de fonctionnement : interactions entre organismes et composés minéraux ou organiques ; implication de telles interactions dans la pathogénicité du sol ; transformation des composés minéraux et organiques, cyclage des éléments ; structuration du sol

Il est nécessaire de mobiliser des approches disciplinaires complémentaires impliquant la biologie moléculaire, la génétique, l'écophysiologie, la biogéographie, l'écologie, les processus du sol, la matière organique, la dynamique des nutriments[1] et l'écologie du paysage.

Les bactéries sont les organismes unicellulaires les plus nombreux dans l'agriculture, avec des populations allant de 100 millions à 3 milliards par gramme. Ils sont capables de se reproduire très rapidement par fission binaire (en se divisant en deux) dans des conditions favorables. Une bactérie est capable de produire 16 millions de bactéries, en seulement 24 heures. La plupart des bactéries du sol vivent près des racines des plantes et sont souvent appelées Rhizobactéries. Les bactéries vivent dans l'eau souterraine, y compris dans le film d'humidité entourant les particules. Certaines ont d'ailleurs la capacité de nager au moyen de flagelles. La plupart des bactéries bénéfiques à la santé des sols ont besoin d'oxygène (et sont donc appelées bactéries aérobies), tandis que celles qui n'en ont pas besoin sont appelées anaérobies et ont tendance à provoquer la putréfaction de la matière organique morte. Les bactéries aérobies sont plus actives en sol humide (mais pas saturé, car cela priverait les bactéries aérobies de l'air dont elles ont besoin) et dans un pH de sol neutre offrant de nombreuses sources de nourriture (glucides et micronutriments de la matière organique) disponible. Des conditions hostiles ne tueront pas complètement les bactéries. En effet, ces dernières cesseront de croître et entreront dans une phase de dormance. Les individus porteurs de mutations pro-adaptatives pourraient mieux survivre aux nouvelles conditions. Certaines bactéries gram-positives produisent des spores, ce qui leur permet de patienter jusqu’à la venue de conditions plus favorables. Pour finir, les bactéries gram-négatives entrent dans une phase de « non-culture ». Les bactéries sont colonisées par des agents viraux persistants (bactériophages) qui déterminent les expressions génétiques chez l'hôte bactérien.

Nitrification

Du point de vue du jardinier bio, les rôles importants joués par les bactéries sont les suivantes : le cycle de l'azote

La nitrification est une étape essentielle du cycle de l'azote, dans lequel certaines bactéries (qui fabriquent leur propre apport en glucides sans utiliser le processus de photosynthèse) sont capables de transformer l'azote sous forme d'ammonium. Ce dernier est produit par la décomposition des protéines qui deviennent des nitrates disponibles pour les plantes en croissance, puis sont de nouveau convertis en protéines.

Un gramme de terre de jardin peut abriter environ un million de champignons, tels que des levures et des moisissures. Les champignons ne contiennent pas de chlorophylle et ne peuvent pas faire de photosynthèse. Ils ne peuvent pas utiliser le dioxyde de carbone atmosphérique comme source de carbone, ils sont donc chimio-hétérotrophes. Ceci signifie que, faute de pouvoir utiliser la lumière comme source d'énergie, comme les animaux, ils ont besoin d'une source d'énergie chimique et de substrats organiques pour obtenir du carbone pour la croissance et le développement.

Bien que certains champignons aient des relations bénéfiques avec les plantes vivantes (comme illustré ci-dessous), nombreux sont ceux qui se comportent comme des parasites, entraînant régulièrement des maladies chez leur plante hôte vivante. En termes de création de sol et d'humus, les champignons les plus importants ont tendance à être saprotrophes ; c'est-à-dire qu'ils vivent de matière organique morte ou en décomposition, la décomposant ainsi et la convertissant en des formes disponibles pour les plantes supérieures. Une succession d'espèces de champignons va coloniser la matière morte, à commencer par celles qui utilisent les sucres et les amidons, auxquelles succèdent celles capables de dégrader la cellulose et les lignines.

Les champignons se propagent sous la surface en envoyant de fins et longs filaments appelés mycélium ; ces derniers peuvent être observés dans de nombreux sols et amas de compost. À partir du mycélium, le champignon est capable de développer ses fructifications, qui sont la partie visible au-dessus de la surface du sol (comme pour les champignons et les vesses-de-loup). Ces fructifications peuvent contenir des millions de spores. Lorsque le corps de fructification éclate, ces spores sont dispersées dans l'air. Elles se déposent ensuite dans des environnements nouveaux, où elles peuvent rester en sommeil durant des années, jusqu'à ce que les bonnes conditions pour leur activation se présentent, ou que les nutriments adéquats ne soient mis à disposition.

La faune du sol affecte activement la formation et la matière organique de ce dernier ; et ce, à de nombreuses échelles spatiotemporelles[5]. Les vers de terre, les fourmis et les termites mélangent le sol lorsqu'ils s'enfouissent, ce qui affecte considérablement la formation du sol. Les vers de terre ingèrent des particules du sol et des résidus organiques, améliorant ainsi la disponibilité des éléments nutritifs provenant des plantes et contenus dans les matières qui traversent leur corps. En aérant et en remuant le sol, ainsi qu'en augmentant la stabilité des agrégats du sol, ces organismes contribuent à assurer l'infiltration facile de l'eau. Dans le sol, ces organismes contribuent également à améliorer les niveaux de pH.

Les fourmis et les termites sont bien souvent présentés comme les « ingénieurs du sol » car, lorsqu'ils créent leurs nids, plusieurs modifications chimiques et physiques sont apportées au sol. Parmi ces changements, nous observons l'augmentation de la présence des éléments les plus cruciaux comme le carbone, l'azote et le phosphore ; éléments nécessaires à la croissance des plantes[6]. Par ailleurs, ces invertébrés peuvent collecter des particules trouvées à des profondeurs diverses et les déposer ailleurs, ce qui favorise le mélange du sol, augmentant ainsi sa richesse en nutriments et autres éléments.

Un gauphre sortant de son terrier.

Le sol est également vital pour de nombreux mammifères. Gauphres, taupes, chiens de prairie et autres animaux fouisseurs dépendent de ce sol pour se protéger et se nourrir. Les animaux se rendent utiles en retour, car leurs terriers permettent à davantage de pluie, de neige et d'eau de glace fondue de pénétrer dans le sol au lieu de créer de l'érosion[7].

Ce tableau comprend certains types familiers d'organismes du sol, cohérent avec la taxonomie courante, telle qu'elle est utilisée dans les articles Wikipedia mis en liens.

• (en) Alexander, Introduction à la microbiologie du sol, John Wiley, 1977.
• (en) Alexander, Biodégradation et Bioremédiation, Academic Press, 1994.
• (en) Bardgett, RD, La biologie du sol : une approche communautaire et écosystémique, Oxford University Press, 2005.
• (en) Burges, A., et Raw, F., Biologie du sol, Academic Press, 1967.
• (en) Coleman DC et al., Fundamentals of Soil Ecology, Academic Press, 2004.
• (en) Coyne, Microbiologie du sol : une approche exploratoire, Delmar, 1999.
• (en) Doran, JW, DC Coleman, DF Bezdicek et BA Stewart, Définir la qualité des sols pour un environnement durable. Publication spéciale numéro 35 de la Soil Science Society of America, Madison Wis., ASA, 1994.
• (en) Paul, PA et FE Clark., Microbiologie et biochimie des sols, Academic Press, 1996.
• (en) Richards, La Microbiologie des écosystèmes terrestres, Longman Scientific and Technical, 1987.
• (en) Sylvia et al., Principes et applications de la microbiologie du sol, Prentice Hall, 1998.
• (en) Soil and Water Conservation Society, Soil Biology Primer, 2000.
• (en) Tate, Microbiologie du sol, John Wiley, 2000.
• (en) van Elsas et al.,, Microbiologie moderne du sol, Marcel Dekker, 1997.
• (en) Wood, Biologie environnementale des sols, Blackie A and P, 1995.
• (en) Cuves, Rajeev & Sanjeev, Aggarwal, Impact de l'activité des termites et son effet sur la composition du sol, 2019.

• (en) Michigan State University - Écologie et gestion des sols : biologie des sols sur safs.msu.edu
• (en) Nouvelle Galles du Sud - Bases de la biologie du sol sur dpi.nsw.gov.au
• (en) Université du Minnesota - Biologie des sols et gestion des sols sur extension.umn.edu
• (en) Pourquoi les engrais organiques sont-ils un bon choix pour un sol sain sur organic-fertilizer.info
• (en) [PDF] Protocole d'analyse des acides gras phospholipidiques, méthode d'analyse de la communauté microbienne du sol sur cnr.berkeley.edu