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"Cycle de l’azote : un processus complexe et crucial en agriculture ; archées et bactéries Anammox oxydent l’ammonium et sont moteurs de la nitrification – Effets bénéfiques dans les lacs d’eau douce et la réduction d’émissions agricoles de N2O" par Jacques Hallard
jeudi 29 août 2024, par
ISIAS Cycle de l’azote Bactéries Archées Agriculture
Cycle de l’azote : un processus complexe et crucial en agriculture ; archées et bactéries Anammox oxydent l’ammonium et sont moteurs de la nitrification – Effets bénéfiques dans les lacs d’eau douce et la réduction d’émissions agricoles de N2O
Jacques Hallard , Ingénieur CNAM, site ISIAS – 28/08/2024
Plan du document : Préambule Introduction Sommaire Auteur
Quelques notions préalables et formules sont rappelées à la suite
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Trois processus de base sont impliqués dans le recyclage de l’azote : la fixation de l’azote diatomique N2, la nitrification et la dénitrification.Voir les détails dans ce dossier
N₂O : protoxyde d’azote, ou monoxyde de diazote, oxyde nitreux, hémioxyde d’azote ou gaz hilarant, est gaz incolore à goût légèrement sucré. Formule ci-après :
Protoxyde d’azote | LE RIRE
NO2− : ion nitrite qui est la base conjuguée de l’acide nitreux. L’acide nitreux est un acide faible instable de formule HNO2. C’est aussi un conservateur des viandes transformées très utilisé par l’industrie agroalimentaire et classé cancérigène probable par le CIRC.
NO3− : ion nitrate au centre duquel l’atome d’azote se trouve à son nombre d’oxydation le plus élevé (+5). C’est un anion portant une seule charge électrique négative. Les nitrates sont l’une des formes de l’azote, utiles à la croissance des végétaux, d’origine naturelle ou non (engrais azotés minéraux).
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NH4+ : ion ammonium qui est la forme acide du couple acido-basique NH4+ / NH3. Il est obtenu par protonation de l’ammoniac (NH3) ; il est parfois présenté comme une molécule d’ammoniac ionisée. Il est présent dans de nombreux produits nettoyants et désinfectants. Formules ci-après :
Autres formules chimiques :
Eprouvette et compagnie : accueil
Le cycle de l’azote - Dans le sol, l’azote se trouve sous forme organique (humus) ou minérale (ammonium NH4+, nitrate NO3-). Les plantes, à l’exception des légumineuses (luzerne, trèfle, petit pois…), ne peuvent pas absorber l’azote sous sa forme gazeuse. L’azote doit donc être apporté par les fertilisants. 16 septembre 2019
Les archées oxydant l’ammoniac (AOA) et les oxydants complets de l’ammoniac (comammox) sont les agents nitrifiants dominants dans les environnements à faible disponibilité en ammonium. Alors que les AOA sont étudiées depuis près de 20 ans, les comammox n’ont été découverts qu’il y a 8 ans. 20 mars 2024
L’oxydation anaérobie de l’ammonium ou l’« anammox » est une voie métabolique microbienne importante du cycle de l’azote au cours de laquelle l’énergie chimique du nitrate NO3− et de l’ammonium NH4+ est utilisée par certaines bactéries pour fixer le dioxyde de carbone.
Que sont les archées oxydantes de l’ammoniac ? - Nitrification et au-delà : polyvalence métabolique de l’ammoniac… - Les archées oxydant l’ammoniac comptent parmi les organismes vivants les plus abondants sur Terre et sont des acteurs microbiens clés dans le cycle mondial de l’azote. Ils effectuent l’oxydation de l’ammoniac en nitrite et leur activité est importante à la fois pour la sécurité alimentaire et le changement climatique. 14 juillet 2023
Les archées ou Archaea, anciennement appelés archéobactéries, sont des microorganismes unicellulaires procaryotes, c’est-à-dire des êtres vivants constitués d’une cellule unique qui ne comprend ni noyau ni organites, à l’instar des bactéries…. - Wikipédia
Quelle est la différence entre les bactéries et les archées ? - Ni bactéries ni eucaryotes -
En outre, alors que la membrane des bactéries est constituée d’une double couche de lipides, celle des archées n’en comporte qu’une seule. En revanche, de nombreux caractères, tels que l’organisation des gènes et la présence de protéines associées à l’ADN, les rapprochent des eucaryotes.
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Archée - Définition
Une archée Archaea est la désignation d’un des domaines des êtres vivants, morphologiquement similaire à la bactérie mais génétiquement et biochimiquement comme distincts de ceux des eucaryotes. La plus frappante différence est l’absence de noyau délimité par une membrane ; pour cette raison, les archées et les bactéries sont appelées procaryotes.
L’archée Sulfolobus :
L’archée Sulfolobus est un extrêmophile qui se trouve dans les sources chaudes et prospère dans les environnements acides et riches en soufre.
Explications - Une archée est un organisme qui a longtemps été regroupé avec les bactéries dans le groupe des procaryotes (cellules sans noyau). Les archées mesurent entre 0,1 et 15 microns et vivent souvent dans des milieux extrêmes (anaérobies, à forte salinité, très chauds ou à grande profondeur).
Les archées peuvent être sphériques, à tige, à spirale, lobées, rectangulaires ou irrégulières. Une espèce inhabituelle plate et carrée qui vit dans des bassins salés a également été découverte. Certains existent sous la forme de cellules individuelles, d’autres forment des filaments ou des amas. Jusqu’aux années 1970, ce groupe de microbes était classé comme bactérie.
Connus principalement pour des milieux considérés comme extrêmes (plusieurs des organismes extrêmophiles) tels que les sources hydrothermales, les lacs ou mers très salines, les marais (où ils produisent du méthane par méthogénèse) et les environnements riches en sulfures et hautes températures, les archées sont omniprésentes sur notre planète, y compris dans une partie du microbiome humain.
Leur nom (donné par Carl Woese en 1977) vient de ce qu’on les a d’abord considérés comme des formes de vies ancestrales (Archéen), ce qui a été depuis remis en cause. Depuis la création de ce groupe, l’ensemble des organismes vivants se divise en trois : les archées, les bactéries et les eucaryotes.
Les archées sont un domaine (et aussi un royaume) qui est divisé en cinq branches reconnues, mais elles identifient plus que ça. Parmi ces groupes, Crenarchaeota et Euryarchaeota sont les plus étudiés. La classification des archées est encore difficile, car la grande majorité n’a jamais été étudiée en laboratoire et n’a été détectée que par l’analyse de leurs acides nucléiques dans des échantillons prélevés dans l’environnement.
Les Archaea et les bactéries sont assez semblables en taille et en forme, bien que certaines archées aient des formes très inhabituelles, telles que les cellules aplaties et carrées de Haloquadratum walsbyi. Malgré cette similitude visuelle avec les bactéries, les archées possèdent des gènes et plusieurs voies métaboliques plus proches de celles des eucaryotes, en particulier dans les enzymes impliquées dans la transcription et la traduction. D’autres aspects de la biochimie des archées sont uniques, tels que les éthers lipidiques de leurs membranes cellulaires. Les archées exploitent une variété de ressources beaucoup plus grande que les eucaryotes, des composés organiques communs tels que les sucres, à l’utilisation de l’ammoniac des ions métalliques ou même de l’hydrogène comme nutriments. Les archées tolérantes au sel (haloarchées) utilisent la lumière du soleil comme source d’énergie, et d’autres espèces d’archées fixent le carbone ; cependant, à la différence des usines et des cyanobactéries, il n’y a aucune espèce connue d’archées qui est capable des deux. Les archées se reproduisent de manière asexuée et sont divisées par fission binaire, fragmentation ou bourgeonnement ; contrairement aux bactéries et aux eucaryotes, aucune espèce d’archées formant des spores n’est connue.
Initialement, les archées étaient toutes méthanogènes ou extrêmophiles (azote) vivant dans des environnements hostiles tels que les sources chaudes et les lacs salés, mais les archées se trouvent maintenant dans les habitats les plus divers, tels que le sol, les océans, les marais et le côlon humain. Les archées sont particulièrement nombreuses dans les océans, et celles qui font partie du plancton pourraient être l’un des groupes d’organismes les plus abondants de la planète. Ils sont actuellement considérés comme une partie importante de la vie sur Terre et pourraient jouer un rôle important à la fois dans le cycle du carbone et dans le cycle de l’azote. On ne connaît pas d’exemples clairs d’archées pathogènes ou parasitaires, mais elles sont généralement mutualistes ou diners. Les exemples sont les archées méthanogènes qui vivent dans les intestins des humains et des ruminants, où ils sont présents en grandes quantités et contribuent à digérer les aliments. Les archéobactéries ont leur importance dans la technologie, il y a des méthanogènes qui sont utilisés pour produire du biogaz et dans le processus de purification de l’eau, et les enzymes des archées extrêmophiles sont capables de supporter des températures élevées et des solvants organiques, donc utilisés en biotechnologie.
✅ Pour maintenir l’homéostasie du pH des cellules, les cellules d’archées acidophiles ont une membrane cellulaire hautement imperméable pour limiter l’afflux de protons dans le cytoplasme. L’une des principales caractéristiques des archées acidophiles est la membrane monocouche généralement composée d’une grande quantité de GDGT, qui sont extrêmement imperméables aux protons. Source : https://www.aquaportail.com/dictionnaire/definition/2425/archee
Pour se situer biologiquement : Dernier ancêtre commun universel : LUCA - Ne doit pas être confondu avec Plus petit ancêtre commun.
Un arbre phylogénétique hypothétique reliant tous les grands groupes d’organismes vivants au dernier ancêtre commun universel. Ce graphique est basé sur l’analyse de séquences d’ARN ribosomique1.
Le dernier ancêtre commun universel 2 est le plus récent organisme dont sont issues toutes les espèces vivant actuellement sur Terre. Le terme en anglais Last Universal Common Ancestor a pour acronyme LUCA. LUCAa aurait vécu il y a 3,3 à 4,2 milliards d’années 3,4,5,6. Il ne doit pas être confondu avec le premier organisme vivant. C’était un organisme assez complexe, déjà issu d’une longue évolution marquée par la sélection naturelle… - Source – Voir également : LUCA, le dernier ancêtre commun universel, est apparu bien plus tôt que ce que l’on pensait - Par Joël Ignasse le 19.07.2024– Source – Et encore ceci : L’ancêtre commun à tout le vivant actuel en partie décrypté - Une étude internationale, publiée en juillet 2024, propose une reconstitution du génome de l’ancêtre universel, cette petite cellule qui vivait il y a environ quatre milliards d’années. Malgré de nombreuses incertitudes, les chercheurs ont imaginé dans quel écosystème vivait LUCA. Par Elodie Papin - Publié le 27/08/2024 à 17h32, modifié à 18h02… - Source
Comammox (COMplete AMMonia OXidation) est le nom attribué à un organisme capable de convertir l’ammoniac en nitrite puis en nitrate grâce au processus de nitrification.
Ce dossier est spécialement consacré aux différentes formes de l’azote et au rôle de ces dernières dans l’environnement, plus particulièrement en agriculture, et chez tous les êtres vivants.
Les documents sont sélectionnés ici dans un but didactique et ils figurent avec leurs accès dans le sommaire ci-après
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- Le cycle de l’azote – Document universitaire canadien ‘2.ggl.ulaval.ca’
- Le cycle de l’azote en agriculture : tout comprendre – Avec ‘farmleap.com’
- Anammox = Oxydation anaérobie de l’ammonium d’après Wikipédia
- Recherches - Contribution des micro-organismes ’comammox’ à la nitrification dans les sols – Document ‘anr.fr’
- Les bactéries Comammox et les archées oxydant l’ammoniac sont les principaux moteurs de la nitrification dans les avant-pays glaciaires – Traduction du 26 août 2024 par Jacques Hallard d’un article titré « Comammox bacteria and ammonia oxidizing archaea are major drivers of nitrification in glacier forelands » - Document ‘sciencedirect.com’
- Compétition entre les archées oxydant l’ammoniac et les oxydants complets de l’ammoniac provenant d’environnements d’eau douce - Sabita Ghimire-Caflé n ° 1, Matt et Tisserand Jr n ° 1, Madisen P Kimbrel N ° 1, Annette Bollmann N ° 1 Affiliations Numéro d’identification : 38349190 Numéro de pièce PMCID : PMC10952389 - Appl Environ Microbiol - 2024 Mar 20 ;90(3):e0169823. doi : 10.1128/aem.01698-23. Epub 2024 Feb 13
- La capacité nouvellement découverte des bactéries comammox pourrait aider à réduire les émissions d’oxyde nitreux dans l’agriculture - Une équipe de recherche identifie une source d’énergie non conventionnelle pour des bactéries nitrifiantes ’vertes’ récemment découvertes – Traduction du 26 aoûr 2024 par Jacques Hallard d’un article intitulé Newly discovered ability of comammox bacteria could help reduce nitrous oxide emissions in agriculture - Research team identifies unconventional energy source for recently discovered ’green’ nitrifying bacteria - Date : 14 août 2024 - Sources : Université de Vienne Document ‘sciencedaily.com’
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Le cycle de l’azote – Document canadien ‘2.ggl.ulaval.ca’
On a vu que la vie sur terre influence profondément la composition de l’atmosphère en produisant du dioxyde de carbone CO2 et du méthane CH4 à travers les processus de la respiration et la fermentation reliés au recyclage du carbone.
La Vie a aussi influencé la composition de l’atmosphère à travers le recyclage d’un autre élément, l’azote (N). Ce gaz est le premier en importance dans l’atmosphère terrestre (78%). Il s’y trouve sous sa forme moléculaire normale diatomique N2, un gaz relativement inerte (peu réactif).
Les organismes ont besoin d’azote pour fabriquer des protéines et des acides nucléiques, mais la plupart ne peuvent utiliser la molécule N2. Ils ont besoin de ce qu’on nomme l’azote fixée dans lequel les atomes d’azote sont liés à d’autres types d’atomes comme par exemple à l’hydrogène dans l’ammoniac NH3 ou à l’oxygène dans les ions nitrates NO3-. Le cycle de l’azote est très complexe ; le schéma suivant en présente une simplification.
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Trois processus de base sont impliqués dans le recyclage de l’azote : la fixation de l’azote diatomique N2, la nitrification et la dénitrification.
La fixation de l’azote correspond à la conversion de l’azote atmosphérique en azote utilisable par les plantes et les animaux. Elle se fait par certaines bactéries qui vivent dans les sols ou dans l’eau et qui réussissent à assimiler l’azote diatomique N2. Il s’agit en particulier des cyanobactéries et de certaines bactéries vivant en symbiose avec des plantes (entre autres, des légumineuses). La réaction chimique type est :
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Dans les sols où le pH est élevé, l’ammonium se transforme en ammoniac gazeux :
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La réaction nécessite un apport d’énergie de la photosynthèse (cyanobactéries et symbiotes de légumineuses). Cette fixation tend à produire des composés ammoniaqués tels l’ammonium NH4+ et son acide conjugé l’ammoniac NH3. Il s’agit ici d’une réaction de réduction qui se fait par l’intermédiaire de substances organiques notées CH2O dans l’équation 1.
La nitrification transforme les produits de la fixation (NH4+, NH3) en NOx (soient NO2- et NO3-), des nitrites et nitrates. C’est une réaction d’oxydation qui se fait par catalyse enzymique reliée à des bactéries dans les sols et dans l’eau. La réaction en chaîne est de type :
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soit :
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La dénitrification retourne l’azote à l’atmosphère sous sa forme moléculaire N2, avec comme produit secondaire du CO2 et de l’oxyde d’azote N2O, un gaz à effet de serre qui contribue à détruire la couche d’ozone dans la stratosphère. Il s’agit d’une réaction de réduction de NO3- par l’intermédiaire de bactéries transformant la matière organique. La réaction est de type :
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L’activité humaine contribue à l’augmentation de la dénitrification, entre autres, par l’utilisation des engrais qui ajoutent aux sols des composés ammoniaqués (NH4+, NH3) et des nitrates (NO3-). L’utilisation des combustibles fossiles dans les moteurs ou les centrales thermiques transforme l’azote en oxyde d’azote NO2-. Avec N2 et CO2, la dénitrification émet dans l’atmosphère une faible quantité d’oxyde d’azote N2O. La concentration de ce gaz est faible, 300 ppb (parties par milliard). Cependant, il faut savoir qu’une molécule de N2O est 200 fois plus efficace qu’une molécule de CO2 pour créer un effet de serre. On évalue aujourd’hui que la concentration en N2O atmosphérique augmente annuellement de 0.3% et que cette augmentation est pratiquement reliée entièrement aux émissions dues à la dénitrification des sols. Les études des carottes glaciaires de l’Antarctique ont montré que la concentration en N2O atmosphérique était de 270 ppb à la fin du dernier âge glaciaire (il y a 10 000 ans) et que cette concentration s’est maintenue à ce niveau jusqu’à l’ère industrielle où elle a fait un bond pour atteindre son niveau actuel de 300 ppb ; une augmentation de 11%.
Extrait de ce site : http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.azote.html
Le cycle de l’azote en agriculture : tout comprendre – Avec ‘farmleap.com’
Introduction
L’azote joue un rôle essentiel en agriculture, influençant à la fois le rendement des cultures et la qualité des productions. Comprendre le cycle de l’azote en agriculture est fondamental pour identifier les leviers permettant d’introduire de l’azote, tout en limitant les pertes. Dans cet article, nous explorerons les différentes voies d’introduction, de transformation et de pertes de l’azote en agriculture.
Le cycle de l’azote repose sur plusieurs processus qui produisent de l’azote sous différentes formes, rendant cet élément mobilisable ou indisponible pour les plantes.
1. Voies d’introduction de l’azote
Dans le sol, l’azote peut être capté de différentes manières :
a) Fixation libre et déposition atmosphérique : Les bactéries du sol fixent une partie de l’azote atmosphérique, tandis que les pluies et les particules déposent également de l’azote au sol.
b) Fixation symbiotique : Certaines plantes, comme les légumineuses, sont capables de fixer le diazote de l’air (N2) grâce à une symbiose avec des bactéries spécifiques.
c) Apport externe : L’azote est aussi apporté dans les sols via les fertilisants comme l’urée, ou sous forme de nitrates ou d’ammonium.
2. Voies de pertes d’azote
Plusieurs facteurs entraînent la perte d’azote du système agricole :
a) Lixiviation : L’eau du sol peut entraîner les nitrates en profondeur, principalement en hiver lorsque les pluies sont abondantes et les sols
saturés en eau.
b) Volatilisation : Des pertes gazeuses d’ammoniaque (NH3) peuvent survenir lors de l’application d’engrais lorsqu’il est appliqué en surface et donc en contact avec l’air.
c) Dénitrification : En l’absence d’oxygène, des bactéries convertissent les nitrates en diazote (N2), mais la réaction est souvent incomplète et produit du monoxyde d’azote (NO) et du protoxyde d’azote (N2O).
3. Voies de transformation
L’azote change de forme en fonction des conditions du sol, c’est le cycle interne :
a) Absorption et désorption d’ammonium (NH4+) par le complexe argilo-humique
b) Minéralisation : Ce processus transforme l’azote organique non disponible pour les plantes en ammonium (NH4+), forme soluble, sous l’action de l’activité microbienne.
c) Nitrification : Dans un sol aéré en présence d’oxygène, une partie de ammonium (NH4+) est transformée en nitrates (NO3- ), forme soluble aussi, par les bactéries.
d) Immobilisation : Les microorganismes du sol se nourrissent d’azote minéral (NH4+ et NO3-), ils immobilisent donc l’azote dans leur corps. Ces derniers entrent en compétition avec les plantes, qui doivent aussi immobiliser aussi l’azote minéral dans leur biomasse pour se développer.
4. Impact environnemental
Les pertes d’azote en agriculture peuvent avoir des conséquences environnementales néfastes, notamment en contribuant à la pollution des eaux souterraines et à l’émission de gaz à effet de serre responsables du réchauffement climatique.
Pour optimiser l’utilisation de l’azote, plusieurs stratégies peuvent être mises en œuvre, par exemple :
1. Utilisation de légumineuses : Introduire des cultures de légumineuses dans les rotations permet de bénéficier de la fixation symbiotique de l’azote atmosphérique et ainsi réduire les apports d’engrais azotés.
2. Couverts végétaux : Les couverts végétaux peuvent piéger l’azote dans leur biomasse et réduire le lessivage en inter-culture.
3. Équilibrage des apports d’engrais : Il est essentiel de doser correctement les apports d’engrais azotés pour éviter les sur-fertilisations et les pertes d’azote, en utilisant des méthodes comme l’échantillonnage des sols.
4. Agriculture de précision : L’utilisation de technologies de pointe permet de mieux cibler les besoins des cultures et d’adapter les apports d’azote en conséquence.
5. Apporter de l’azote sous forme organique (compost, fumier…) : L’azote organique devient disponible pour les plantes plus progressivement que l’azote minéral qui est immédiatement utilisable et plus prône à la lixiviation.
6. Enfouir l’engrais apporté dans le sol : Un engrais enfoui aura moins de contact avec l’air donc réduit les pertes par volatilisation.
7. Et bien d’autres…
Conclusion
Le cycle de l’azote en agriculture est un processus complexe qui joue un rôle crucial dans le rendement des cultures et la qualité des productions. Comprendre les différentes voies d’introduction, de transformation et de pertes de l’azote permet aux agriculteurs d’adopter des pratiques plus durables et respectueuses de l’environnement. En optimisant l’utilisation de l’azote grâce à des rotations appropriées, des couverts végétaux, et une gestion raisonnée des apports d’engrais, l’agriculture peut contribuer à construire un avenir plus durable.
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Autres articles intéressants pour creuser le sujet :
http://www.agro-transfert-rt.org/wp-content/uploads/2017/01/Fiche-cycle-de-lazote-1.pdf
https://www.yara.fr/fertilisation/pur-nutriment/proteger-eau-maitriser-lessivage/cycle-azote-sol/
https://fertilisation-edu.fr/cycles-bio-geo-chimiques/le-cycle-de-l-azote-n.html
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Source : https://www.farmleap.com/2023/08/24/le-cycle-de-lazote-en-agriculture-tout-comprendre/
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Anammox = Oxydation anaérobie de l’ammonium d’après Wikipédia
Pour les articles homonymes, voir Anaérobie (homonymie).
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Anammox_sbr.jpg
Bioréacteur contenant des bactéries anammox Kuenenia stuttgartiensis (Radboud University Nijmegen)
Lipides C17-C20 de type ladderane de bactéries anammox contenant donc trois anneaux cyclobutane concaténés avec un cycle cyclohexane ou cinq cyclobutanes consécutifs. Les acides gras correspondants sont esterifiés avec du méthanol ou sur un squelette glycérol tandis que les alcools ladderaniques sont liés via une fonction éther au glycérol, tous dans différentes combinaisons.
Cycle biologique de l’azote
(DNRA : dissimilatory nitrate reduction to ammonium)
L’oxydation anaérobie de l’ammonium ou l’« anammoxnote 1 » est une voie métabolique microbienne importante du cycle de l’azote au cours de laquelle l’énergie chimique du nitrate NO3− et de l’ammonium NH4+ est utilisée par certaines bactéries pour fixer le dioxyde de carbone. Ces bactéries qui réalisent ce processus ont été identifiées en 1999 et ont constitué à l’époque une surprise pour la communauté scientifique. Ce type de réactions se déroule dans de nombreux milieux naturels. Une méthode d’élimination de l’ammonium développée par l’université de technologie de Delft est également commercialisée sous le nom d’anammox.
Observation in vivo
Dans le processus biologique, le cation ammonium NH4+ est oxydé par l’anion nitrite NO2− pour donner du diazote N2. La réaction globale s’écrit :
Ce processus contribue à hauteur de 50 % du diazote produit dans l’océan[réf. nécessaire], consommant assez d’azote assimilable (ammonium et nitrite) pour limiter la production primaire des eaux[réf. nécessaire].
Les bactéries qui effectuent le processus d’anammox appartiennent au phylum bactérien des planctomycètes, dont les genres les mieux connus sont Planctomyces et Pirellula. Actuellement, cinq genres de bactéries anammox ont été (provisoirement) définis : Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus et Jettenia concernant les espèces d’eau douce, ainsi que Scalindua pour ce qui est des espèces marines.
Spécificités des bactéries anammox
Les bactéries anammox sont caractérisées par plusieurs propriétés remarquables.
- Elles possèdent toutes un anammoxosome, grand compartiment lié à la membrane à l’intérieur du cytoplasme, où se déroule le catabolisme anammox1.
- En outre, les lipides constituant les membranes de ces bactéries contiennent une forte proportion d’acides gras de type ladderane2, tels que l’acide pentacycloanammoxique3, jusqu’à présent uniques en biologie.
- L’hydrazine N2H4 et l’hydroxylamine NH2OH, toxiques pour la plupart des êtres vivants, sont chez elles des intermédiaires métaboliques du processus d’anammox.
- Enfin, une caractéristique frappante de ces bactéries est leur taux de croissance extrêmement lent, leur temps de doublement étant de près de deux semaines.
Températures de l’eau
Le processus d’anammox avait été initialement observé à des températures comprises entre 20 °C et 43 °C4, mais des publications de 2009 ont rapporté des observations, dans des sources chaudes à des températures comprises entre 36 °C et 52 °C5, et dans des sources hydrothermales situées le long de la dorsale médio-atlantique à des températures comprises entre 60 °C et 85 °C6.
Application au traitement des eaux usées
Le procédé anammox intervient dans l’élimination de l’ammonium dans le traitement des eaux usées et se compose de deux processus distincts. La première étape est la nitrification partielle (nitrosation) de la moitié de l’ammonium en nitrite par des bactéries telles que Nitrosomonas :
4 NH4+ + 3 O2 → 2 NH4+ + 2 NO2− + 4 H+ + 2 H2O.
Des bactéries anammox peuvent alors convertir l’ammonium NH4+ et le nitrite NO2− en diazote N2 et environ 15 % de nitrate NO3− :
Les deux processus peuvent se dérouler dans un réacteur unique où les deux guildes de bactéries forment des granules compacts7.
Le procédé Anammox représente une alternative prometteuse aux techniques conventionnelles d’élimination de l’azote mises en œuvre dans les stations d’épuration. C’est d’ailleurs pour cette raison que plusieurs brevets utilisant les propriétés du processus anammox ont déjà été déposés. À l’inverse de la flore microbienne présente dans les étapes de traitement biologique d’une STEP, les bactéries du genre Brocadia anammoxidans sont en mesure de se dispenser d’oxygène et même de consommer du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre).
La coûteuse aération des bassins peut donc être diminuée, réduisant ainsi les coûts de traitement et les émissions de CO2 jusqu’à 88%. Le développement des nouveaux procédés se base sur les travaux de recherche accomplis dans les années 1990, portant sur l’activité microbiologique lors des processus de nitrification/dénitrification, et en particulier sur les mécanismes entravant la disponibilité de l’azote.
Les travaux réalisés à Vienne (Nowak und Svardal, 1993 ; Nowak, 1996), Delft (van Niel et al., 1993 ; van Loosdrecht und Jetten, 1998) et Hanovre (Abeling, 1994 ; Hippen, 1999) méritent ici d’être cités. Ces découvertes trouvent leur application à Rotterdam depuis début 2006. En Allemagne, les procédés Anammox sont appliqués dès l’an 2000 dans différentes stations d’épuration, se limitant cependant toujours au traitement d’une partie des effluents (par exemple liqueur de boues). Jusqu’à présent, divers systèmes sont disponibles sur le marché pour cette application particulière. Dans les années à venir, la multiplication des expériences dans des installations grandeur nature permettra de démontrer dans quelle mesure les exigences technico-économiques du fonctionnement d’une STEP s’en trouvent desservies.
L’application du procédé Anammox à l’ensemble des eaux pré-traitées ne fait l’objet à ce jour que d’une unique application en Autriche, au sein de la station d’épuration de Strass (Val de Ziller). L’intérêt réside ici également dans la réduction des besoins d’oxygénation et l’évitement des émissions de CO2. Le défi à relever dans ce cas est de rassembler les conditions idéales à la croissance des bactéries anammox (comme par exemple, la température des eaux traitées, l’âge des boues…).
Intérêt écologique - La nitrification/dénitrification (transformation par étapes de l’ammoniaque en nitrites puis en nitrates puis en azote atmosphérique par le biais de l’activité bactériologique en condition anoxique) a longtemps été considérée comme la seule source de libération de l’azote de l’air. La découverte de l’oxydation de l’ammonium par des bactéries anaérobiques a donc de larges conséquences sur la compréhension scientifique du cycle de l’azote. Le procédé anammox donne une nouvelle dimension au cycle de l’azote dans les océans.
Abréviation de anaerobic ammonium oxidation » en anglais.
Références > Article complet avec Références sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Anammox
Recherches - Contribution des micro-organismes ’comammox’ à la nitrification dans les sols – Document ‘anr.fr’
Les archées (AOA) et les bactéries oxydant l’ammonium (AOB) étaient considérées comme les seules capables d’utiliser l’ammonium comme seule source d’énergie. Cependant, les bactéries appartenant au phylum Nitrospira sont capables d’effectuer les deux étapes du processus de nitrification. Il est donc urgent de déterminer leur importance fonctionnelle dans les sols.
L’objectif de ce programme de recherche est de déterminer la distribution, l’activité et la contribution au cycle de l’azote par les bactéries comammox dans le sol.
Déterminer les conditions dans lesquelles les bactéries comammox sont actives et contribuent à la nitrification dans un système de sol modèle. Cultiver des bactéries comammox pour permettre une caractérisation détaillée de l’écophysiologie et des génomes des représentants du sol. Déterminer la distribution et l’abondance des bactéries comammox dans différents types de sols et sous différents régimes de gestion des terres.. Déterminer la contribution relative des bactéries comammox et d’autres groupes AO à l’oxydation de l’ammoniac et aux émissions de gaz N2O associées pour valider les modèles prédictifs. [Le protoxyde d’azote, ou monoxyde de diazote, oxyde nitreux, hémioxyde d’azote ou gaz hilarant, est un composé chimique de formule N2O]
Analyse des communautés de commamox dans le sol et détermination de leur contribution au cycle de l’azote
Résultats Perspectives Productions scientifiques et brevets Résumé de soumission
Coordination du projet : Graeme Nicol (Laboratoire Ampère) - L’auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L’ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire : Laboratoire Ampère - Agroécologie AGROECOLOGIE - UMR 1347
ÉcoSys Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes
Aide de l’ANR 462.173 euros - Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 36 Mois
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Les bactéries Comammox et les archées oxydant l’ammoniac sont les principaux moteurs de la nitrification dans les avant-pays glaciaires – Traduction du 26 août 2024 par Jacques Hallard d’un article titré « Comammox bacteria and ammonia oxidizing archaea are major drivers of nitrification in glacier forelands » - Document ‘sciencedirect.com’
Auteurs : Hanxia Yu a b, Jupei Shen a , Jun Zeng c, Hang-Wei Hu d, Elise Pendall b, Haoyan Xiao a b, Zikai Liu a, Hui Zhang e, Hong J. Di f, Zhongqin Li g, Ji-Zheng He a
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116711 - Obtenez des droits et du contenu
Sous licence Creative Commons, accès libre
Points forts :
Connaissance de la succession de micro-organismes oxydant l’ammoniac du sol lors de la dégradation des glaciers.
L’abondance des gènes liés à la nitrification avait tendance à augmenter avec le retrait des glaciers.
Les Comammox constituaient le groupe d’oxydants d’ammoniac le plus abondant dans les avant-pays glaciaires.
Résumé
Cette étude a examiné l’abondance des bactéries comammox, des bactéries oxydant l’ammoniac (AOB) et des archées (AOA), ainsi que leur contribution relative à la nitrification le long d’une chrono-séquence des pays avant la fin des glaciers. Les résultats ont montré que l’abondance des gènes liés à la nitrification avait tendance à augmenter avec le retrait des glaciers, les bactéries comammox et l’AOA semblant être les facteurs les plus critiques pour les taux de nitrification du sol. Ces résultats fournissent de nouvelles preuves de la présence de bactéries comammox dans les avant-pays glaciaires et améliorent notre compréhension de la différenciation des niches des bactéries nitrifiantes et comammox.
Disponibilité des données - Les données seront mises à disposition sur demande.
Cité par : A critical review of comammox and synergistic nitrogen removal coupling anammox : Mechanisms and regulatory strategies 2024, Science of the Total Environment
Show abstract - Challenges and Operational Strategies to Achieve Partial Nitrification in Biological Wastewater Treatment : A Review 2024, International Journal of Environmental Research
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Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706123003889
Compétition entre les archées oxydant l’ammoniac et les oxydants complets de l’ammoniac provenant d’environnements d’eau douce - Sabita Ghimire-Caflé n ° 1, Matt et Tisserand Jr n ° 1, Madisen P Kimbrel N ° 1, Annette Bollmann N ° 1 Affiliations Numéro d’identification : 38349190 Numéro de pièce PMCID : PMC10952389 - Appl Environ Microbiol - 2024 Mar 20 ;90(3):e0169823. doi : 10.1128/aem.01698-23. Epub 2024 Feb 13
Résumé
Les oxydants aérobies de l’ammoniac (AOs) sont des microorganismes procaryotes qui contribuent au cycle global de l’azote en effectuant la première étape de la nitrification, l’oxydation de l’ammonium en nitrite et nitrate. Bien que les AM aérobies soient omniprésents, leur distribution est contrôlée par des conditions environnementales clés telles que la disponibilité du substrat (ammonium).
Les archées oxydant l’ammoniac (AOA) et les oxydants complets de l’ammoniac (comammox) se trouvent généralement dans des environnements oligotrophes à faible disponibilité en ammonium. Cependant, on ne sait pas bien si l’AOA et le comammox partagent ces habitats ou s’ils se font concurrence. Nous avons évalué la compétition pour l’ammonium entre un AOA et un comammox enrichi à partir du chêne de bavure de lac d’eau douce.
La culture d’enrichissement en AOA (AOA-BO1) contenait du Nitrosarchaeum sp. BO1 comme oxydant de l’ammoniac et Nitrospira sp. BO1 comme oxydant de nitrite. L’enrichissement en comammox BO4 (cmx-BO4) contenait la souche comammox Nitrospira sp. BO4.
Les expériences de compétition ont été réalisées soit en culture continue avec de l’ammonium comme substrat limitant la croissance, soit en culture discontinue avec des concentrations initiales d’ammonium de 50 et 500 µM. Quelle que soit la concentration en ammonium, Nitrospira sp. BO4 a devancé Nitrosarchaeum sp. BO1 dans toutes les conditions testées.
La dominance de Nitrospira sp. BO4 pourrait s’expliquer par la capacité de comammox à générer plus d’énergie grâce à l’oxydation complète de l’ammoniac en nitrate et à leur voie de fixation du carbone plus efficace-le cycle réducteur de l’acide tricarboxylique. Nos résultats sont corroborés par l’abondance plus élevée de comammox par rapport à l’AOA dans les sédiments du chêne de Bavure du lac.
Importance : La nitrification est un processus clé du cycle mondial de l’azote. Les oxydants aérobies à l’ammoniac jouent un rôle central dans le cycle de l’azote en effectuant la première étape de nitrification. Les archées oxydantes à l’ammoniac (AOA) et les oxydants complets à l’ammoniac (comammox) sont les nitrifiants dominants dans les environnements à faible disponibilité en ammonium.
Alors que les AOA sont étudiés depuis près de 20 ans, les comammox n’ont été découverts qu’il y a 8 ans. Jusqu’à présent, il y avait une lacune dans notre compréhension de la possibilité de coexistence de l’AOA et du comammox ou de la dominance d’une souche dans des conditions limitant l’ammonium.
Nous présentons ici la première étude caractérisant la compétition entre l’AOA d’eau douce et le comammox sous différentes concentrations de substrat. Nos résultats aideront à élucider les niches de deux nitrifiants clés dans les lacs d’eau douce. Mots clés : oxydation de l’ammoniac ; archées oxydant l’ammoniac ; comammox ; compétition ; eau douce ; nitrification. Avis de Non-responsabilité de PubMed
Source : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38349190/
La capacité nouvellement découverte des bactéries comammox pourrait aider à réduire les émissions d’oxyde nitreux dans l’agriculture - Une équipe de recherche identifie une source d’énergie non conventionnelle pour des bactéries nitrifiantes ’vertes’ récemment découvertes – Traduction du 26 août 2024 par Jacques Hallard d’un article intitulé Newly discovered ability of comammox bacteria could help reduce nitrous oxide emissions in agriculture - Research team identifies unconventional energy source for recently discovered ’green’ nitrifying bacteria - Date : 14 août 2024 - Sources : Université de Vienne - Document ‘sciencedaily.com’
Résumé :
Une équipe de recherche internationale a découvert que les bactéries comammox, identifiées pour la première fois par elles en 2015, peuvent se développer en utilisant la guanidine, un composé organique riche en azote, comme seule source d’énergie et d’azote.
Cette capacité unique ouvre de nouvelles voies pour la culture ciblée de ces microbes énigmatiques et pourrait également fournir une clé pour réduire les émissions d’oxyde nitreux agricole.
Texte complet
Une équipe de recherche internationale dirigée par le Centre de Microbiologie et de Science des Systèmes Environnementaux (CeMESS) de l’Université de Vienne a découvert que les bactéries comammox, identifiées pour la première fois par elles en 2015, peuvent se développer en utilisant la guanidine, un composé organique riche en azote, comme seule source d’énergie et d’azote. Cette capacité unique ouvre de nouvelles voies pour la culture ciblée de ces microbes énigmatiques et pourrait également fournir une clé pour réduire les émissions d’oxyde nitreux agricole. Les résultats de la recherche ont récemment été publiés sous forme d’article dans la revue Nature.
La nitrification, la conversion de l’ammoniac via le nitrite en nitrate, est effectuée par des microorganismes spécialisés appelés nitrifiants. Ce processus est extrêmement important pour le cycle biogéochimique mondial de l’azote dans pratiquement tous les écosystèmes, mais il joue un rôle ambivalent dans le changement global. D’une part, la nitrification contribue à l’émission du puissant gaz à effet de serre et de la substance appauvrissant la couche d’ozone, le protoxyde d’azote, et entraîne des pertes massives d’engrais dans l’agriculture, entraînant l’eutrophisation des masses d’eau. D’autre part, la nitrification est indispensable en tant qu’étape de purification biologique pour l’élimination des nutriments dans les stations d’épuration des eaux usées, protégeant ainsi les masses d’eau des apports excessifs d’azote provenant des eaux usées. Les auteurs de l’étude ont maintenant trouvé un moyen de promouvoir les nitrifiants dans l’environnement qui émettent moins d’oxyde nitreux.
Nitrifiants’ verts’ - Les bactéries Comammox sont considérées comme des nitrifiants ’verts’ car, contrairement à de nombreux autres nitrifiants, elles ne produisent que de petites quantités d’oxyde nitreux en tant que sous-produit de leur métabolisme et éliminent efficacement les composés azotés des eaux usées dans les usines de traitement.
Depuis la découverte des nitrifiants au 19ème siècle, on supposait que ces microorganismes ne pouvaient respirer que de l’ammoniac et de l’urée. En 2015, les groupes de recherche dirigés par Michael Wagner et Holger Daims ont démontré que certains nitrifiants pouvaient également utiliser le cyanate chimiquement instable pour leur métabolisme énergétique.
« Dans l’article récemment publié, notre équipe a maintenant montré que les bactéries comammox peuvent également se développer avec le substrat non conventionnel guanidine », explique Marton Palatinszky, premier auteur de l’étude. ’Les bactéries comammox utilisent un transporteur et une enzyme, structurellement et fonctionnellement caractérisés en détail par nous, ce qui leur permet de produire de l’ammonium à partir de la guanidine de manière très économe en énergie dans la cellule ». Elle est un produit métabolique des microorganismes et des plantes.
On sait peu de choses sur son rôle dans le métabolisme humain et animal. Il se forme dans les sols lors de la dégradation des additifs d’engrais synthétiques et dans les eaux usées lors de la dégradation des médicaments couramment utilisés, la metformine. Cependant, on sait peu de choses sur la distribution et le traitement ultérieur de la guanidine dans l’environnement.
L’équipe de recherche internationale, comprenant des microbiologistes du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale de Leipzig en Allemagne et l’Université d’Aalborg au Danemark ont démontré que la guanidine est présente non seulement dans l’urine humaine mais aussi dans les excréments du bétail et que les bactéries comammox utilisent la guanidine dans les usines de traitement des eaux usées. Ils ont également montré que la guanidine est métabolisée par les nitrifiants dans les sols agricoles.
Nouvelles opportunités pour la culture et la réduction de l’oxyde nitreux
Les microbiologistes de Vienne tentent maintenant d’enrichir et d’isoler la bactérie comammox répandue à partir d’échantillons environnementaux à l’aide de guanidine, car une seule souche est actuellement disponible en culture pure dans le monde entier.
’Cela semble particulièrement prometteur car aucune des autres souches nitrifiantes que nous avons testées n’a pu se développer avec la guanidine comme seule source d’énergie et d’azote’, explique Katharina Kitzinger, scientifique principale au CeMESS.
L’équipe souhaite également déterminer si l’ajout de guanidine aux engrais agricoles pourrait augmenter l’abondance de bactéries comammox dans les sols arables, réduisant ainsi les émissions d’oxyde nitreux agricole.
’Ces travaux n’auraient pas été possibles sans l’étroite collaboration de nombreux chercheurs impliqués dans le pôle d’excellence ’Microbiomes Drive Planetary Health’, lancé en 2023. Nous remercions sincèrement le Fonds scientifique autrichien (FWF) pour ce soutien spécial’, déclare Michael Wagner, responsable de l’étude.
SUJETS CONNEXES Plantes et Animaux Bactéries Survie Extrême Types de Sols Agriculture et Alimentation Terre et Climat Géochimie Questions Environnementales Durabilité Sciences de l’Environnement
TERMES ASSOCIÉS Légumineuses Protoxyde d’azote Contrôle des émissions des automobiles Azote Économie d’azote liquide Micro-organisme Ozone troposphérique Gaz à effet de serre
Source du texte original : Materials provided by University of Vienna. Note : Content may be edited for style and length. Matériel fourni par l’Université de Vienne. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
Référence de la Revue : Marton Palatinszky, Craig W. Herbold, Christopher J. Sedlacek, Dominic Pühringer, Katharina Kitzinger, Andrew T. Giguere, Kenneth Wasmund, Per H. Nielsen, Morten K. D. Dueholm, Nico Jehmlich, Richard Gruseck, Anton Legin, Julius Kostan, Nesrete Krasnici, Claudia Schreiner, Johanna Palmetzhofer, Thilo Hofmann, Michael Zumstein, Kristina Djinović-Carugo, Holger Daims, Michael Wagner. Growth of complete ammonia oxidizers on guanidine. Nature, 2024 ; DOI : 10.1038/s41586-024-07832-z – (Croissance d’oxydants ammoniacaux complets sur la guanidine. Nature, 2024 ; Est ce que JE : 10.1038 / s41586-024-07832-d’
Citer Cette Page : Cite This Page : MLA APA Chicago University of Vienna. ’Newly discovered ability of comammox bacteria could help reduce nitrous oxide emissions in agriculture.’ ScienceDaily. ScienceDaily, 14 August 2024. www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240814124425.htm .
Source : https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240814124425.htm?utm_source=substack&utm_medium=email
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