Impacts de perturbations liées à l'orpaillage sur l'évolution des communautés et fonctionnalités microbiennes d'un sol
Résumé
The degradations caused by human activities on ecosystems and the characterization of their extent constitute the context of this work. Soil and microbial functional communities, approached simultaneously as actors of bio transformations and as bio descriptors of the functioning state of the soil, were the study objects of this wor1<, organized around two major questions: - The objectives, first, were to evaluate ff soil microbial communities carrying two functions considered as representative of the global functioning (respiration and denitrification) were able, on a rehabilitated mining soil, to recover capacities dose to the ones found in forest soil. This study, realized in situ in the French Guyana forest on a rehabilitated gold mine showed that the decrease of the soil microbial activities Observed in such a disturbance is more or Less reversible. It is possible to recover a soil functioning similar to the one in forest with Legumes plantations and despite a granulometry extremely heterogeneous. Bio descriptors used ("actual'/potential respiration and denitrification/respiration) allowed characterizing differences of functioning along the sequence of reforestation and showing that soils were recovering and stabilizing. Values of the ratio 'actual/potential respiration in a forest soil could be considered as a stability indicator, site specific and characterizing the equilibrium state to reach. NIRS analysis associated with microbial enzymatic activities analysis allowed confirming the acceleration of the soil reconstruction dynamic by the plantation because of the detection of qualitative variations of the soil organic matter that the C/N measures didn’t identity. The second major question was: what is the impact of a first perturbation on (i) soil microbial functioning and (ii) on the capacity of soil to resist to a second disturbance? One in vitro experimentation was then elaborated in soil microcosms to understand impacts of two disturbances (mercury and heat) on the global soil functioning. Results showed that respiration and denitrification differently responded to the two different perturbations and that was combined with long-lasting modifications of the community structure. Genetic diversity was analyzed with an ARISA after direct soil DNA extraction. A first methodological study allowed evaluating the biases caused by different soil DNA extraction and chooses the direct extraction of DNA from soiI. The maintenance, in some cases, of soils functions after a perturbation (unchanged respiration but decreasing denitrification after mercury) suggests an important functional redundancy in the soil microbial communities. Mercury application seemed to lead to a more important vulnerability of soils in case of second perturbation (heat). This vulnerability appears by a modification of the soil heterotrophic community functioning (respiration) but also by a huge decrease of the denitrification. As the second disturbance was applied, a diminution of the stability of these soils appeared due to the modification of the diversity shown sooner. All these results have to be analyzed toward the concepts of maintenance of biogeochemical cycles and ecological engineering. Experiences realized bath on the Mine Boulanger and in soil microcosms allowed underlining the necessity to set up relevant bio descriptors able to evaluate the state of the system and ~ probable evolution. Microbial functional indicators used along this wor1< were able to evaluate the performance of the system and also its ability to be rehabilited or to resist to disturbances.
Ce travail s'intègre dans des problématiques actuelles cherchant à caractériser l'impact des activités humaines sur les écosystèmes. Le sol, et en particulier, les communautés microbiennes fonctionnelles, abordées simultanément en tant qu'actrices des bios transformations et en tant que bio descriptrices de l'état fonctionnel du système, ont été l'objet d'étude de ce travail qui s'est articulé autour de deux questions majeures : - Il s'agissait de savoir si des communautés microbiennes du sol exerçant deux fonctions considérées comme représentatives du fonctionnement global (respiration et dénitrification) pouvaient, sur un sol minier revégétalisé, récupérer des performances similaires à celles d'un sol de forêt. Cette étude menée in situ en forêt guyanaise, sur une zone minière aurifère réhabilitée a montré une certaine réversibilité des activités microbiennes des sols observées lors d'une telle perturbation. En effet, malgré une texture extrêmement hétérogène, le sol, une fois replanté en légumineuses, retrouve un fonctionnement similaire à celui de la forêt. Les bio descripteurs utilisés (ratio respiration réelle/potentielle et dénitrification respiration) ont permis de caractérise les différences de fonctionnement le long de la séquence de reforestation. Ils se sont révélés pertinents pour décrire les sols en cours de reconstruction et de stabilisation. La valeur de ratio respiration réelle/potentielle dans un sol de forêt pourrait être considérée comme un indicateur de stabilité, spécifique du ~e et caractérisant l'état d'équilibre à atteindre. Enfin, en permettant de détecter des variations qualitatives de la matière organique des sols qui n'avaient pas été mises en évidence par le CIN, réutilisation de l'analyse NIRS associée aux analyses d'activité enzymatiques microbiennes a permis de vérifier que la dynamique de recons- truction des sols avait été accélérée par la plantation. La seconde question majeure de ce travail était: quel est l'impact d'une première perturbation sur (i) la structure et le fonctionnement microbien du sol et sur {ii} la capacité du sol à résister à une seconde perturbation? Pour y répondre, une expérience in vitro menée sur des microcosmes de sol subissant deux types de perturbations (mercure et chaleur) a été élaborée. Les résultats ont montré que la respiration et la dénitrification répondaient d'une manière différente avec, parallèlement des modifications durables de la structure des communautés. La diversité génétique des communautés microbiennes du sol a été évaluée à l'aide d'une ARISA après une extraction directe de l'ADN du sol. Au préalable, une étude méthodologique avait permis d'évaluer les biais engendrés par différentes méthodes d'extraction de l'ADN et donc de choisir l'extraction directe de l'ADN. Le maintien, dans certains cas, des fonctions après perturbation (respiration inchangée après l'application du mercure ; dénitrification importante malgré le choc de température) suggère une redondance fonction- nelle importante parmi les communautés microbiennes du sol. Pourtant l'application de mercure, semble induire une vulnérabilité plus importante des sols face à une autre perturbation (chaleur). Cette vulnérabilité se traduit par une modification du fonctionnement de la communauté hétérotrophe du sol (respiration potentielle) mais aussi par la quasi disparition de la dénitri- fication dans ces sols. Cela peut révéler une diminution de la stabilité des sols qui pourrait être due à la modification de diversité mise en évidence dés le début de l’expérience. L'ensemble des résultats posés au cours de ce travail doit être analysé au regard des concepts de maintien des cycles biogéochimiques et d'ingénierie écologique. Les expériences menées aussi bien sur la Mine Boulanger qu'en microcosmes ont permis de mettre en exergue la nécessité de définir des bio descripteurs pertinents, capables de décrire l'étal du système mais aussi sa probable évolution. Les indicateurs microbiens fonctionnels utilisés semblent remplir cette fonction en étant capables de rendre compte de la performance du système, de sa possibilité à être réhabilité ou à résister aux perturbations.