Les substances polymères extracellulaires (EPS) microbiennes dans le sol : du comportement interfacial à la multifonctionnalité écologique
Le sol est le produit des processus biogéochimiques terrestres et constitue une base essentielle pour la survie de l’humanité. Les microorganismes confèrent au sol ses propriétés vitales et entraînent les cycles biogéochimiques qui s’y déroulent. Les microorganismes jouent un rôle crucial dans l’amélioration de la structure du sol, l’augmentation de sa fertilité, le contrôle de la pollution, la réponse au changement climatique mondial, et contribuent à l’habitabilité de la Terre. Dans le sol, les microorganismes adhèrent principalement à la surface des minéraux et de la matière organique sous forme de microcolonies ou de biofilms. Les biofilms sont des colonies microbiennes (bactéries, algues, champignons et/ou archées) encastrées dans des substances polymères extracellulaires (Extracellular Polymeric Substances, EPS) auto-produites et attachées à l’interface organique-inorganique. Les EPS servent de support à l’intégrité structurelle des biofilms microbiens, déterminant les propriétés physico-chimiques et la complexité fonctionnelle des biofilms. Les EPS contribuent à la santé du sol grâce à leurs propriétés d’adhésion, d’hygroscopicité et de complexation.
Cependant, les recherches sur les EPS dans le sol sont encore insuffisantes, en particulier en ce qui concerne leurs fonctions écologiques et leurs comportements interfaciaux. Pour mieux comprendre et gérer les cycles des nutriments médiés par les organismes et la santé du sol, il est essentiel d’approfondir les recherches sur les fonctions écologiques des EPS dans le sol et leurs applications potentielles dans une agriculture respectueuse de l’environnement.
Source de l’article
Cet article de synthèse intitulé Microbial Extracellular Polymeric Substances (EPS) in Soil: From Interfacial Behaviour to Ecological Multifunctionality a été co-écrit par Ming Zhang, Yichao Wu, Chenchen Qu, Qiaoyun Huang et Peng Cai, du Laboratoire clé national de microbiologie agricole, Collège des ressources et de l’environnement, Université agricole de Huazhong. L’article a été accepté le 5 août 2024 et publié dans la revue Geo-Bio Interfaces, DOI : 10.1180/gbi.2024.4.
Contenu principal de l’article
1. Concept, composition et propriétés des EPS
Les EPS sont des polymères de haut poids moléculaire sécrétés par les microorganismes au cours de leur croissance et de leur métabolisme. Ils sont principalement composés de polysaccharides, de protéines, de lipides et d’ADN extracellulaire (eDNA). Les polysaccharides des EPS sont les composants matriciels les plus étudiés, divisés en homopolysaccharides (comme le dextrane, le curdlan, la cellulose) et en hétéropolysaccharides (comme l’alginate, le xanthane, l’acide hyaluronique). Les protéines des EPS incluent des protéines structurelles et des enzymes extracellulaires, tandis que l’eDNA joue un rôle important dans la mise en forme spatiale et la stabilité structurelle des biofilms. La sécrétion et la composition des EPS sont influencées par le type de souche, le stade de croissance, la disponibilité des substrats et les paramètres environnementaux.
2. Fonctions écologiques des EPS dans le sol
Les EPS jouent plusieurs rôles écologiques dans le sol, notamment :
a) Promotion de la formation et de la stabilisation des agrégats du sol
Grâce à leurs propriétés adhésives et de pontage, les EPS favorisent la formation et la stabilisation des agrégats du sol. Des études ont montré une corrélation positive entre les polysaccharides des EPS et la stabilité des agrégats du sol, en particulier dans la rhizosphère, où la sécrétion d’EPS augmente significativement la stabilité des agrégats.
b) Amélioration de la capacité de rétention d’eau du sol
Les EPS ont une forte hygroscopicité, protégeant les microorganismes du stress hydrique. Des études ont montré que la capacité de rétention d’eau des EPS peut atteindre 15 à 20 fois leur propre masse, améliorant significativement la porosité et la capacité de rétention d’eau des sols sableux.
c) Médiation du stockage et de la capture des nutriments
Les EPS peuvent capturer et stocker des nutriments, fournissant des sources de carbone et d’énergie aux microorganismes dans des conditions de limitation nutritionnelle. Des recherches ont montré que la dégradation des EPS dans le sol implique plusieurs enzymes, et que les produits de dégradation des EPS peuvent être utilisés par d’autres microorganismes.
d) Régulation de la séquestration et de la transformation des polluants
Les EPS contiennent des groupes fonctionnels riches qui peuvent adsorber et fixer les métaux lourds, influençant leur comportement environnemental. De plus, les EPS peuvent servir de médiateurs de transfert d’électrons, favorisant la dégradation des polluants organiques.
3. Techniques d’extraction et de caractérisation des EPS
L’extraction et la caractérisation des EPS sont essentielles pour comprendre leurs fonctions écologiques dans le sol. La méthode couramment utilisée est celle de la résine échangeuse de cations (CER), qui minimise la contamination intracellulaire et la co-extraction de matière organique non ciblée. Les polysaccharides, les protéines et les acides uroniques des EPS sont quantifiés respectivement par les méthodes du phénol-sulfurique, de Lowry et de la méta-hydroxydiphényl.
4. Directions futures de la recherche
L’article propose plusieurs axes de recherche futurs :
a) Sources et analyse quantitative des EPS dans le sol
La définition floue des sources de substances biochimiques dans le sol entrave le développement de la science du sol. L’extraction spécifique et l’analyse précise des EPS du sol peuvent révéler l’adaptabilité des communautés microbiennes aux conditions environnementales et leur corrélation avec les fonctions du sol.
b) Les EPS comme indicateurs biochimiques du sol
Les EPS se situent à l’interface entre les cellules microbiennes et la matrice du sol et sont considérés comme des indicateurs biochimiques idéaux pour évaluer la santé du sol. L’analyse des EPS du sol peut révéler les mécanismes de réponse des microorganismes aux conditions environnementales.
c) Applications des EPS dans une agriculture respectueuse de l’environnement
Les EPS peuvent être utilisés pour encapsuler des souches microbiennes, préparer de nouveaux biofertilisants à base de biofilms, améliorer la colonisation et la survie des microorganismes inoculés dans le sol, tout en améliorant la structure et les nutriments du sol.
Signification et valeur de l’article
Cet article de synthèse résume systématiquement les progrès de la recherche sur les EPS microbiens dans le sol, détaillant leurs comportements interfaciaux et leurs fonctions écologiques. Il fournit non seulement une base théorique pour comprendre le rôle des EPS dans les écosystèmes du sol, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour le développement d’une agriculture respectueuse de l’environnement. En approfondissant les recherches sur les fonctions écologiques des EPS, il sera possible de développer des technologies de réhabilitation des sols et de dépollution basées sur les EPS, favorisant ainsi une agriculture durable.
Points forts
- Exhaustivité : L’article passe en revue de manière exhaustive les concepts, la composition, les méthodes d’extraction et les fonctions écologiques des EPS dans le sol, couvrant les dernières avancées de la recherche.
- Perspectives d’application : L’article propose des applications potentielles des EPS dans une agriculture respectueuse de l’environnement, offrant des orientations pour les recherches et pratiques futures.
- Directions de recherche futures : L’article identifie clairement les axes de recherche futurs, fournissant un cadre clair pour les études ultérieures.
La publication de cet article offre une référence précieuse aux chercheurs en microbiologie du sol et en sciences de l’environnement, et contribue de manière significative à la gestion de la santé du sol et au développement d’une agriculture durable.