Les chercheurs ont identifié des facteurs clés qui déterminent si le sol piège le carbone ou le libère sous forme de CO2, soulignant le rôle des interactions moléculaires et de la chimie du sol, contribuant potentiellement aux efforts d’atténuation du changement climatique. L’argile smectite (illustré ici) contient des minéraux argileux connus pour séquestrer le carbone dans les sols naturels. Crédit : Francesco Ungaro
Des recherches récentes révèlent le mécanisme par lequel le sol capte le carbone atmosphérique dérivé des plantes.
Lorsque les molécules de carbone des plantes pénètrent dans le sol, elles se trouvent à la croisée des chemins.
Soit le carbone reste piégé dans le sol pendant des jours, voire des années, où il est efficacement séquestré pour éviter de pénétrer immédiatement dans l’atmosphère. Ou bien il nourrit des microbes, qui respirent alors du dioxyde de carbone (CO2) dans un environnement en constante évolution.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université Northwestern ont déterminé les facteurs qui pourraient faire pencher la matière organique végétale dans un sens ou dans l’autre.
En combinant expériences en laboratoire et modélisation moléculaire, les chercheurs ont examiné les interactions entre les biomolécules de carbone organique et un type de minéraux argileux connus pour piéger la matière organique dans le sol. Ils ont découvert que les charges électrostatiques, les caractéristiques structurelles des molécules de carbone, les nutriments métalliques environnants dans le sol et la compétition entre les molécules jouent tous un rôle majeur dans la capacité (ou l’incapacité) du sol à piéger le carbone.
Les nouveaux résultats pourraient aider les chercheurs à prédire quelles compositions chimiques du sol sont les plus favorables au piégeage du carbone, ce qui pourrait conduire à des solutions basées sur le sol pour ralentir le changement climatique d’origine humaine.
La recherche a été récemment publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« La quantité de carbone organique stockée dans le sol est environ dix fois supérieure à la quantité de carbone présente dans l’atmosphère », a déclaré Ludmilla Aristilde de Northwestern, auteur principal de l’étude. « Si cet énorme réservoir était perturbé, cela aurait des répercussions considérables. De nombreux efforts sont déployés pour retenir le carbone et l’empêcher de pénétrer dans l’atmosphère. Si nous voulons y parvenir, nous devons d’abord comprendre les mécanismes en jeu. »
Experte en dynamique des matières organiques dans les processus environnementaux, Aristilde est professeure agrégée de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Jiaxing Wang, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire d’Aristilde, est le premier auteur de l’article. Rebecca Wilson, étudiante de premier cycle à Northwestern, est la deuxième auteure du journal.
Argile commune
Retenant 2 500 milliards de tonnes de carbone séquestré, le sol est l’un des plus grands puits de carbone de la Terre, juste derrière l’océan. Mais même si le sol est partout autour de nous, les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment il retient le carbone pour le séquestrer du cycle du carbone.
Pour étudier ce processus, Aristilde et son équipe se sont penchées sur l’argile smectite, un type de minéral argileux connu pour séquestrer le carbone dans les sols naturels. Ensuite, ils ont examiné comment la surface du minéral argileux se liait à dix biomolécules différentes, dont acides aminésles sucres liés à la cellulose et les acides phénoliques liés à la lignine – avec une chimie et des structures variables.
« Nous avons décidé d’étudier ce minéral argileux parce qu’il est partout », a déclaré Aristilde. « Presque tous les sols contiennent des minéraux argileux. En outre, les argiles sont répandues dans les climats semi-arides et tempérés – des régions dont nous savons qu’elles seront affectées par le changement climatique.
Les contraires s’attirent
Aristilde et son équipe ont d’abord étudié les interactions entre les minéraux argileux et les biomolécules individuelles. Étant donné que les minéraux argileux sont chargés négativement, les biomolécules contenant des composants chargés positivement (lysine, histidine et thréonine) ont connu la liaison la plus forte. Mais il est intéressant de noter que cette liaison n’était pas uniquement déterminée par les charges électrostatiques. Grâce à la modélisation informatique 3D, les chercheurs ont découvert que la structure des biomolécules jouait également un rôle.
« Il y a des cas où deux molécules sont toutes deux chargées positivement, mais l’une a une meilleure interaction avec l’argile que l’autre », a déclaré Aristilde. « C’est parce que les caractéristiques structurelles de la fixation sont également importantes. Une molécule doit être suffisamment flexible pour adopter un arrangement structurel capable de se positionner de manière à aligner ses composants chargés positivement avec l’argile. La lysine, par exemple, possède un long bras chargé positivement qu’elle peut utiliser pour s’ancrer.
Un peu d’aide d’amis
En suivant cette logique, on pourrait supposer que les biomolécules chargées négativement étaient incapables de se lier à l’argile. Mais Aristilde et son équipe ont découvert que les nutriments métalliques naturels environnants pouvaient intervenir. Les métaux chargés positivement, tels que le magnésium et le calcium, formaient un pont entre les biomolécules chargées négativement et les minéraux argileux pour créer une liaison.
« Même avec une biomolécule qui ne se lierait normalement pas à l’argile, nous avons constaté une augmentation significative de la liaison lorsque le magnésium était présent », a déclaré Aristilde. « Ainsi, les constituants métalliques naturels du sol peuvent faciliter le piégeage du carbone. Bien qu’il s’agisse d’un phénomène largement rapporté, nous mettons en lumière les structures et les mécanismes.
Mélanger et mélanger
En étudiant les interactions entre des biomolécules individuelles et des minéraux argileux, les chercheurs ont découvert que la liaison était prévisible et simple. Pour obtenir des informations plus étroitement liées aux environnements du monde réel, Aristilde et son équipe ont mélangé les différentes biomolécules.
« Nous savons que différents types de biomolécules présentes dans l’environnement coexistent », a déclaré Aristilde. « Nous avons donc également réalisé des expériences avec un mélange de biomolécules. »
Même si les chercheurs pensaient initialement que les biomolécules entreraient en compétition pour interagir avec l’argile, ils ont plutôt découvert des comportements inattendus. De manière surprenante, même les biomolécules chargées positivement et dotées de structures flexibles ont été empêchées de se lier aux minéraux argileux. Alors qu’elles se lient facilement à l’argile lorsqu’elles sont seules, le besoin des biomolécules de se lier les unes aux autres semble supplanter leur attirance pour l’argile.
« Cela n’a jamais été démontré auparavant », a déclaré Aristilde. « L’énergie d’attraction entre deux biomolécules était en réalité supérieure à l’énergie d’attraction d’une biomolécule vers l’argile. Cela a conduit à une diminution de l’adsorption. Cela change notre façon de penser la façon dont les molécules entrent en compétition à la surface. Ils ne se disputent pas seulement les sites de liaison en surface. Ils peuvent réellement s’attirer.
Et après
Aristilde et son équipe envisagent ensuite d’examiner comment les biomolécules interagissent avec les minéraux des sols des régions plus chaudes, notamment des climats tropicaux. Dans un autre projet connexe, ils visent à explorer comment la matière organique est transportée dans les rivières et autres systèmes hydrographiques.
« Maintenant que nous avons étudié les minéraux argileux que l’on trouve principalement dans les zones tempérées, nous souhaitons comprendre d’autres types de minéraux », a déclaré Aristilde. « Comment piègent-ils la matière organique ? Les processus sont-ils identiques ou différents ? Si nous voulons garder le carbone piégé dans le sol, nous devons alors comprendre comment tout cela est assemblé et comment cet assemblage affecte l’accessibilité aux microbes.
L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de récompense CBET-1653092).
