Les microbes des eaux souterraines protègent la qualité de l'eau. Un équilibre subtil entre biologie et géologie



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Article dans PNAS

Cette publication dans PNAS en janvier 2019, issue de la thèse de Tamara Kolbe (première auteure, et qui a piloté l’étude) sous la direction de Jean-Raynald de Dreuzy (Géosciences Rennes), est très largement OSURienne et associe également Luc Aquilina, Tristan Babey, Thierry Labasque, Anniet Lavermamn, Jean Marçais (université de Rennes 1, CNRS, Géosciences Rennes et ECOBIO), Ben Abbott (Brigham Young University USA, ECOBIO), Gilles Pinay (Irstea, ECOBIO), Zahra Thomas (Agrocampus Ouest, SAS).


Les eaux souterraines peuvent aussi éliminer les nitrates

L’azote, contrairement à ce que son étymologie laisserait supposer, est essentiel à la vie. Il est utilisé, recyclé et métabolisé par tous les organismes vivants. Il est utilisé de longue date par les agriculteurs pour améliorer la production agricoles notamment grâce aux apports de fumiers et lisiers qui en sont riches. Une découverte majeure au début du vingtième siècle a permis de transformer l’azote moléculaire composant 79% de notre atmosphère, et uniquement disponible pour les organismes fixateurs (la luzerne par exemple), en un composé utilisable par la majeure partie des plantes. Cette découverte a révolutionné les pratiques agricoles et a permis d’en augmenter très significativement les rendements. Cependant l’usage massif de ces nouveaux composés (ammoniaque, nitrate), l’augmentation exponentielle de la population humaine qui produit aussi de l’azote (urée) et dont les rejets ne sont pas suffisamment épurés par les stations d’épuration ainsi que leurs activités industrielles ont conduit à des apports massifs de ces composés et notamment de nitrate, la forme la plus labile, dans les milieux aquatiques d’eau douce saumâtres et marines qui conduit aujourd’hui à des crises d’eutrophisation majeures (bloom d’algues) en de nombreux points de la planète. Cette pollution par les nitrates touche aussi les nappes phréatiques, réservoirs majeurs d’eau pour les écosystèmes aquatiques mais aussi pour les besoins en eau potable ou pour l’irrigation.

On sait depuis longtemps que cette pollution azotée est en partie éliminée dans les nappes phréatiques où, l’oxygène se faisant rare, les microorganismes sont contraints d’utiliser les nitrates. Ainsi, tous les nitrates passant suffisamment de temps dans les milieux souterrains seraient transformés en diazote, une molécule inoffensive et dominante dans l’atmosphère. Contre toute attente, il reste des quantités importantes de nitrates dans les nappes après plusieurs années et même plusieurs décennies. Ce nitrate ancien se déverse lentement dans les cours d’eau limitant l’impact immédiat des politiques de réduction d’engrais azotés.

Une nouvelle étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences en janvier 2019 révèle que la géologie propose une nouvelle méthode couplant modélisation hydrogéologique et traceurs biogéochimiques pour évaluer les capacités des nappes phréatiques à épurer les nitrates contenues dans leurs eaux grâce à la présence de bactéries dénitrifiantes qui sont capables de « respirer » l’oxygène des nitrates quand l’oxygène libre vient à manquer. Cette nouvelle approche permet à partir d’analyses ponctuelles effectuées dans des puits, de localiser les zones dénitrifiantes, qu’elles soient uniformément réparties dans toute la nappe phréatique, plutôt proche de la surface, ou en profondeur.

Les résultats montrent que la disponibilité des minéraux réduits (comme la pyrite par exemple), est le facteur limitant de la dégradation. Les microorganismes des eaux souterraines sont bien les responsables de la dégradation et ils sont efficaces. Faut-il encore qu’ils soient dans les bonnes conditions, c’est-à-dire accrochés aux bons minéraux pour être actifs. La dégradation n’est donc pas tant facteur du temps que les nitrates passent dans les nappes, mais de leur probabilité de rencontrer des zones de minéraux réduits sur lesquels se sont installés les microorganismes. En passant dans ces zones réduites, les nitrates sont rapidement dégradés. S’ils n’y passent pas, ils continuent leur transfert jusqu’à se retrouver quelques années ou décennies plus tard dans les rivières. Cette publication issue de la thèse de Tamara Kolbe (première auteure, et qui a piloté l’étude) sous la direction de Jean-Raynald de Dreuzy (Géosciences Rennes), est très largement OSURienne et associe également Luc Aquilina, Tristan Babey, Thierry Labasque, Anniet Lavermamn, Jean Marçais (université de Rennes 1, CNRS, Géosciences Rennes et ECOBIO), Ben Abbott (Brigham Young University USA, ECOBIO), Gilles Pinay (Irstea, ECOBIO), Zahra Thomas (Agrocampus Ouest, SAS).


L'azote humain pénètre dans les écosystèmes d'eau douce de deux façons principales. Premièrement, du fait des épandages agricoles, par l’application par les agriculteurs de millions de tonnes d'engrais azotés dans les champs pour stimuler la croissance des cultures ; deuxièmement, du fait des combustibles fossiles - le charbon et le pétrole contiennent certes du carbone mais aussi de l'azote ! - qui libèrent de l'azote réactif dans l'atmosphère, qui finit par retomber à la surface du sol sous forme de pluie ou de poussière. Une fois cet azote réactif présent dans le sol, une partie est certes utilisée par les plantes, mais une autre s'écoule ou s’échappe sous le système racinaire des végétaux. "Une fois cet azote hors de portée de nos outils d'échantillonnage (i.e. de mesure), il est difficile de déterminer la quantité d'azote qui atteint les eaux souterraines ou la rivière", précise Tamara Kolbe, chercheuse désormais en postdoc à la Swedish University of Agricultural Sciences.

Tamara a dirigé une équipe internationale chargée de compiler des données sur la chimie des eaux souterraines provenant de dizaines de puits aux États-Unis et en France. À l'aide d'une nouvelle méthode de localisation de la réactivité, ils ont pu mettre en évidence la profondeur à partir de laquelle l’activité microbienne protège les écosystèmes d'eau douce de la pollution. À leur grande surprise, 80 % des sites ont montré une augmentation de l'élimination microbienne de l'azote avec la profondeur. Cela signifie de fait que « quelque chose » alimente l'activité microbienne profondément sous la zone de surface, bien au-delà où la vie est habituellement observée... Tamara et ses coauteurs en déduisent que des sources d’alimentation microbiennes exotiques expliquent cette capacité de d’épuration en profondeur.

De fait, certains micro-organismes peuvent respirer de l'azote réactif à la place de l'oxygène, transformant la pollution azotée en un gaz inoffensif qui constitue la majeure partie de notre atmosphère. Pour que ce processus de dénitrification se produise, les microbes ont besoin d'une source alimentaire - et bien entendu de nitrate - dans un environnement sans oxygène. Ces conditions coïncident souvent dans les sols et les lits des cours d'eau, là où le carbone organique provenant de la croissance des plantes sert de source de nourriture. Bien que peu de carbone organique atteigne les aquifères profonds, il s’avère néanmoins que le substrat rocheux est souvent riche en fer et en soufre. Or certains microbes peuvent se nourrir de ces minéraux particuliers du substratum rocheux, ce qui leur permet de continuer à consommer de l'azote réactif, longtemps après que toute la matière organique de la surface ait été épuisée.

Cette couche profonde de protection microbienne est donc une bonne nouvelle pour les écosystèmes d'eau douce. Mais que cela ne devienne pas un permis de polluer pour autant ! La caractérisation du temps d’épuration des nappes phréatique est une donnée fondamentale pour évaluer quand les cours d’eau pollués par les nitrates, qui dépendent des eaux des nappes phréatiques qui soutiennent notamment leurs étiages, pourront recouvrer une qualité d’eau satisfaisante vis à vis de leurs concentration en nitrate.



 

Référence
Tamara Kolbea, Jean-Raynald de Dreuzy, Benjamin Walter Abbott, Luc Aquilina, Tristan Babey, Christopher T. Green, Jan H. Fleckenstein, Thierry Labasque, Anniet M. Laverman, Jean Marçais, Stefan Peiffer, Zahra Thomas, Gilles Pinay. Stratification of reactivity determines nitrate removal in groundwater. PNAS, jan 2019. 

 


Contact OSUR
Tamara Kolbe (Géosciences Rennes, Swedish University of Agricultural Sciences)
Jean-Raynald de Dreuzy (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @

 

 








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