Des agriculteurs à vie aux jardiniers d'arrière-cour, la plupart des amateurs de plantes savent que l'ajout de matière biologique à un champ, une parcelle de légumes ou un pote de fleurs augmente l'humidité du sol. Maintenant, pour la première fois, les scientifiques de l'Université du Nord-Ouest ont découvert les mécanismes moléculaires qui permettent à la matière organique de renforcer la capacité du sol à conserver l'eau, même dans des conditions de type désert. L'étude est publiée dans la revue NEXUS PNAS.
Les glucides – composants clés des plantes et des microbes – effectuent comme une colle moléculaire, en utilisant de l'eau pour former des ponts collants entre les molécules organiques et les minéraux du sol, a constaté l'équipe. Ces ponts verrouillent l'humidité qui, autrement, pourrait s'évaporer. La découverte met en lumière la façon dont les sols restent humides pendant la sécheresse et même la façon dont l'eau aurait pu survivre pendant des milliards d'années piégées dans des roches d'un autre monde, y compris sur Mars et dans les météorites.
« La bonne quantité de minéraux et de matière organique dans les sols conduit à des sols sains avec une bonne humidité », a déclaré Ludmilla Aristilde de Northwestern, qui a dirigé l'étude. « C'est quelque chose que tout le monde a vécu, mais nous n'avons pas pleinement compris la physique et la chimie de la façon dont cela fonctionne.
Expert en dynamique des organiques dans les processus environnementaux, Aristildde est professeur agrégé de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern et est membre du Center for Synthetic Biology, International Institute for Nanotechnology and Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Ph.D. Le diplômé du Kelch Sabrina et le chercheur postdoctoral Benjamin Barrios-Cerda – tous deux du Laboratoire d'Aristilde – sont respectivement les premier et deuxième auteurs de l'article.
Ponts piégeant de l'eau
Pour mener l'étude, l'équipe d'Aristilde a mélangé un minéral argileux commun (smectite) trouvé dans les sols avec trois types de glucides: glucose, amylose et amylopectine. Alors que le glucose est un simple glucides ou du sucre, l'amylose et l'amylopectine sont des polymères complexes dans l'amidon, fabriqués ensemble à partir d'unités de glucose. L'amylose est une longue chaîne linéaire de glucose; L'amylopectine est également une longue chaîne mais a des branches en forme d'arbres.
« Nous avons décidé d'utiliser des glucides comme type de matière organique car il existe partout », a déclaré Aristildde. « La cellulose, qui est le biopolymère le plus abondant de la Terre, est en glucose, et les plantes et les microbes sécrètent des glucides différents, simples à complexes dans le sol. Nous avons également sélectionné des glucides car ils ont une chimie simple pour éviter de compliquer nos résultats avec certaines réactions secondaires. »
En utilisant une combinaison de simulations de dynamique moléculaire, de mécanique quantique et d'expériences de laboratoire, Aristilde et son équipe ont examiné les interactions à l'échelle nanométrique entre les minéraux argileux, les molécules d'eau et les trois types de composés glucidiques. Les scientifiques ont constaté que les liaisons hydrogène fournissaient un mécanisme clé qui permet aux argiles et aux glucides de conserver l'eau.
Une force faible et attractive, les liaisons hydrogène font que les molécules d'eau « collent » ensemble pour former une gouttelette ou s'écouler à travers un robinet. L'équipe d'Aristilde a découvert que l'eau forme également des liaisons hydrogène avec la surface des minéraux argileux et des glucides en même temps, créant des ponts d'eau entre les deux entités. Ces ponts se verrouillent plus étroitement dans l'eau, ce qui le rend moins susceptible d'être perdu par évaporation.
« Lorsqu'une molécule d'eau est conservée via une liaison hydrogène avec un glucides et une liaison hydrogène avec la surface d'un minéral, cette eau a une forte énergie de liaison et est coincée entre les deux choses avec lesquelles il interagit », a déclaré Aristilde.
Quintuples de sucre complexes Forces de liaison
En utilisant des simulations moléculaires, les chercheurs ont constaté que les molécules d'eau logées entre la surface minérale de l'argile et les glucides avaient une énergie de liaison plus forte par rapport à l'eau liée à l'argile seule. En fait, les polymères de sucre complexes ont aidé l'argile à lier l'eau jusqu'à cinq fois plus étroitement que l'argile sans glucides associés. Même dans des conditions extrêmement sèches, l'eau liée à l'argile et aux glucides était beaucoup moins susceptible de s'évaporer et plus susceptible de rester piégée dans les nanopores de l'argile.
« Nous avons augmenté la température pour mesurer la perte d'eau en présence et en l'absence de glucides », a déclaré Aristilde. « Par rapport à l'argile en soi, il nécessitait des températures plus élevées pour que l'eau quitte la matrice avec la présence de l'argile et des glucides ensemble. Cela signifie que l'eau a été conservée plus fortement en présence des glucides. »
Les glucides ramifiés et à longue chaîne ont également empêché les pores de l'argile de s'effondrer complètement dans des conditions sèches. En règle générale, à mesure que l'argile sèche, ses pores à l'échelle nanométrique rétrécissent avec une perte croissante d'eau des pores. Mais les glucides complexes peuvent empêcher l'effondrement complet du nanopore d'argile. Cela peut aider à préserver la rétention de l'humidité associée aux produits biologiques piégés dans les pores pendant de longues périodes, y compris pendant les sécheresses.
Non seulement cette nouvelle information nous aidera à comprendre le sol sur notre propre planète, mais elle pourrait également fournir de nouvelles informations sur les voisins de notre système solaire et au-delà.
« Même si notre objectif était de comprendre comment le sol sur Terre conserve son humidité, les mécanismes que nous avons révélés ici peuvent avoir des implications dans la compréhension des phénomènes au-delà de notre planète », a déclaré Aristilde. « Il y a beaucoup d'intérêt pour la façon dont cette relation entre les matières organiques et l'eau pourrait se jouer sur d'autres planètes, en particulier celles qui sont considérées comme ayant une autre vie. »
