L’azote est un des composants essentiels de tous les organismes vivants. Ils sont constitués de carbone, d’oxygène… mais aussi de substances minérales telles que l’azote qui représente environ 10 % de la masse sèche des animaux. De ce fait, le cycle de l’azote est au cœur de nombreux problèmes environnementaux.
Ils conduisent par exemple à la production de gaz à effet de serre et à la pollution des eaux par les nitrates. Des recherches actuelles qui étudient le fonctionnement des savanes africaines (en particulier en Côte d’Ivoire) pourraient aider à enrayer ces effets pervers.
Les plantes absorbent par leurs racines les substances minérales dissoutes dans l’eau du sol. Ces plantes fixent aussi le carbone atmosphérique (le fameux CO2) par la photosynthèse pour fabriquer leur matière vivante (biomasse) et incorporent ces substances minérales aux molécules synthétisées. Les herbivores se procurent leurs substances minérales en mangeant des plantes, les carnivores en mangeant des herbivores.
Dans la biomasse de tous les êtres vivants, les substances minérales sont intimement liées au carbone au sein des mêmes molécules organiques. Ces substances minérales sont ensuite recyclées au cours de l’excrétion et de la décomposition de la matière organique morte. En effet, les organismes se débarrassent de leurs déchets à la fois sous la forme de substances minérales déjà recyclées (en particulier dans l’urine) et de matière organique morte (fèces pour les animaux, feuilles et racines mortes pour les plantes). Cette matière organique morte est consommée par des organismes décomposeurs (bactéries, champignons, vers de terre…). Ils libèrent ainsi le carbone de cette matière sous forme de CO2, par leur respiration, et les substances minérales contenues dans cette matière, par leur excrétion. Ces substances peuvent alors être de nouveau absorbées par les plantes.
Le cycle de l’azote
Le cycle de l’azote comporte deux particularités. Premièrement, l’azote minéral peut être sous deux principales formes absorbables par les plantes. La décomposition libère d’abord de l’ammonium (NH4+, première forme) qui peut être transformé en nitrate (NO3-, deuxième forme) au cours de la nitrification.
Cette réaction est assurée par des bactéries et des archées (organismes voisins des bactéries). Le nitrate est beaucoup plus mobile que l’ammonium. Il peut en particulier être entraîné en profondeur par la pluie (on parle de lixiviation) et finit alors dans les nappes phréatiques et les cours d’eau. Il peut aussi être transformé par d’autres bactéries en gaz, en particulier en N2O (protoxyde d’azote, puissant gaz à effet de serre au cours de la dénitrification.
En cas de lixiviation ou de dénitrification, l’azote est perdu pour l’écosystème. Deuxièmement, contrairement aux autres substances minérales qui proviennent de la dégradation des roches, l’azote provient essentiellement du N2 contenu dans l’atmosphère. Les plantes et les animaux ne peuvent pas directement absorber cet azote. Par contre, des bactéries du sol, souvent en symbiose avec les plantes légumineuses (trèfle, luzerne, acacia…) sont capables de récupérer le N2 et de l’incorporer dans leur biomasse (on parle de fixation de l’azote atmosphérique), le rendant à terme disponible pour l’ensemble des organismes de l’écosystème.
Cycle crucial pour les humains
Ce cycle est crucial pour les êtres humains. D’une part, pour augmenter la production agricole et nourrir une population humaine croissante, des quantités d’engrais azotés croissantes ont été utilisées au cours du développement de l’agriculture moderne intensive. L’azote atmosphérique est fixé industriellement en utilisant comme source d’énergie des combustibles fossiles (alors que les bactéries utilisent la matière organique morte des sols). Les humains ont ainsi augmenté de 50 % la fixation d’azote à l’échelle globale.
L’agriculture produit 24 % des émissions humaines de gaz à effet de serre et la production d’engrais azoté conduit à environ 13 % de ces émissions. Par ailleurs, la quantité de gaz N2O produit par l’agriculture a tendance à augmenter avec la quantité d’engrais azoté, contribuant aussi à l’effet de serre et au réchauffement climatique. Enfin, l’azote s’échappant des champs par lixiviation ou sous forme de poussière emportée par les vents conduit à un enrichissement généralisé de la biosphère en azote. Cela provoque une multiplication explosive d’algues microscopiques (et de cyanobactéries) qui perturbe profondément ces écosystèmes. On parle alors d’eutrophisation, qui peut aussi toucher les écosystèmes terrestres, ce qui modifie le fonctionnement des sols et la flore.
Que nous apprend la savane ?
Dans ce contexte général, nous apprenons beaucoup de nos recherches en milieu naturel sur l’écologie du cycle de l’azote dans la savane de Lamto en Côte d’Ivoire. Les savanes sont définies comme des écosystèmes associant des arbres et des graminées. Nous avons montré avec nos collègues ivoiriens que sous les graminées de Lamto la nitrification était extrêmement faible et que cela était dû à la présence des graminées. On dit qu’elles inhibent la nitrification.
Une équipe japonaise a décrit le mécanisme de cette inhibition : les racines relâchent de petites molécules dans le sol qui bloquent la nitrification à l’intérieur des bactéries et archées. Cette inhibition de la nitrification est un exemple d’un mécanisme très général : les rétroactions entre plantes, sol et organismes du sol. Toutes les plantes ont développé au cours de leur évolution des stratégies pour manipuler le sol et ses microorganismes à leur profit. En retour, cela influence la croissance des plantes.
Nous avons ainsi montré par des modèles mathématiques que l’inhibition de la nitrification limitait la quantité de nitrate dans les sols et donc diminuait les pertes d’azote par lixiviation et dénitrification. Cela augmente en retour de 20 % la croissance des graminées et explique la très forte production de biomasse de la savane de Lamto. L’inhibition (et la plus grande capacité à produire de la biomasse en découlant) expliquerait pourquoi les graminées africaines sont plantées dans les pâturages sud-américains et sont invasives en Australie.
Actuellement, de nombreuses recherches sont menées pour utiliser l’inhibition de la nitrification en agriculture en « imitant » les savanes. On peut chercher à développer des jachères à base de graminées inhibitrices ou cultiver des graminées inhibitrices en mélange avec une céréale. La solution ultime serait de sélectionner des nouvelles variétés de céréales capables d’inhiber la nitrification. Certaines variétés anciennes de céréales semblent avoir gardé partiellement cette capacité. Cela permettrait d’augmenter énormément l’efficacité des engrais azotés, de diminuer la production de gaz à effet de serre, d’améliorer la potabilité de l’eau des nappes phréatiques et diminuerait l’eutrophisation des écosystèmes.