# Diagnostiquer l'état microbiologique des sols français, un nouveau moyen de révéler leur qualité

Lionel Ranjard

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Lionel Ranjard. Diagnostiquer l'état microbiologique des sols français, un nouveau moyen de révéler leur qualité. Les cartes et les données pédologiques - Des outils au service des territoires, Chapitre 15, Educagri, 176 p., 2017, 979-10-275-0099-4. hal-01607268

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Submitted on 5 Jun 2020

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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## CHAPITRE 15

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

France métropolitaine
BD utilisée : BD de l'Inra
(Donesol Inra Orléans,
MicroSol © Inra Dijon)
Échelle : échelle nationale,
1 point systématique
tous les 16 km

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

# Diagnostiquer l'état microbiologique des sols français, un nouveau moyen de révéler leur qualité

## Contexte et enjeux

Aujourd'hui, les sols ne sont plus considérés comme de simples supports inertes de production ou de construction, mais comme de véritables réservoirs et bastions de la diversité biologique, et microbienne en particulier. Il est donc nécessaire de mieux protéger les sols, pour mieux faire usage et tirer parti des fonctions et des services rendus par ces microorganismes. Face à ce constat, il convient de développer de nouvelles stratégies analytiques afin d'améliorer nos connaissances sur la diversité microbienne des sols et sur son rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Une des approches possibles consiste à étudier l'abondance et la diversité microbiennes des sols sur de grandes échelles spatiales.

## Comment faire ?

Le Réseau de mesures de la qualité des sols consiste en l'échantillonnage de 2 200 sols répartis de façon uniforme sur tout le territoire national et représente une opportunité unique pour caractériser les communautés microbiennes dans tous les sols français (FIG. 15.10).

La caractérisation des communautés microbiennes sur un nombre important de sols n'est rendue possible que par l'utilisation d'outils modernes de biologie moléculaire permettant de travailler en haut débit. Ces outils reposent sur l'extraction d'ADN de sol et sur la caractérisation de cet ADN pour en déduire des notions d'abondance et de diversité microbiennes. Deux outils ont été appliqués sur le RMQS :

- la mesure de la biomasse moléculaire microbienne, qui résulte d'un rendement d'extraction d'ADN des microorganismes du sol et permet d'évaluer la quantité de microorganismes présents ;

- le séquençage massif de l'ADN des microorganismes du sol, qui permet de renseigner sur la diversité des taxons microbiens présents.

Toutes ces données de microbiologie sont organisées dans une base de données (MicroSol database®) qui renferme aussi les données environnementales associées aux sols du RMQS. L'analyse

des données microbiennes avec des outils de géostatistique a permis d'élaborer les premières cartes nationales d'abondance et de diversité microbiennes des sols français. La confrontation statistique avec les données environnementales a permis aussi d'identifier et de hiérarchiser les paramètres physico-chimiques du sol, du climat et du mode d'usage qui pouvaient expliquer des différences d'abondance et de diversité microbiennes.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIG. 15.10. Grille nationale des sites RMQS</figcaption></figure>

## ÉTUDE DE CAS 2
# Résultats et perspectives

## 1. Résultats

### 1.1. Cartographie nationale de la biomasse moléculaire microbienne

La biomasse moléculaire microbienne moyenne des sols français est de 61 µg ADN par gramme de sol avec une forte variation selon les sols allant de 2 µg ADN à plus de 629 µg ADN par gramme de sol. Cela démontre que tous les sols étudiés renferment une vie microbienne et donc qu'aucun sol français n'est mort à ce jour.

La carte nationale de biomasse moléculaire microbienne met en évidence des zones géographiques de 100 à 200 km de rayon où la quantité de biomasse microbienne est forte, et d'autres où elle est faible (FIG. 15.11). À cette échelle, aucune influence du climat ni de la géomorphologie* (présence de montagne, de rivière, de bord de mer) n'est démontrée mais il est plutôt observé une distribution selon les grands types pédologiques.

Des études statistiques plus poussées montrent que cette distribution nationale de la biomasse microbienne est significativement influencée par le type de sol.

Plus précisément, la texture du sol (teneur en sables, limons, argiles) mais aussi le pH, la quantité et la qualité (rapport C/N) de matière organique du sol sont les principaux paramètres influençant la distribution de biomasse microbienne. Ces caractéristiques définissent la capacité du sol (en termes d'habitat et de ressources nutritives) à héberger des microorganismes.

### 1.2. Cartographie nationale de la biodiversité microbienne

À partir de l'ADN microbien extrait du sol, il est possible, grâce à des outils de séquençage massif, d'estimer le nombre de taxons bactériens présents dans un sol et donc de rendre compte de la diversité microbienne dans les sols du RMQS. Le nombre moyen de taxons bactériens pour les sols français est de 1 288 par gramme de sol, avec une forte variation allant de 555 à plus de 2 007 taxons bactériens pour les sols les plus diversifiés. La carte nationale de la diversité bactérienne des sols montre des variations importantes, avec des zones géographiques d'une centaine de kilomètres de rayon où le nombre de taxons est important (en rouge sur la carte) et d'autres où il est faible (en bleu sur la carte) (FIG. 15.12). À cette échelle, aucune influence du climat ni de la géomorphologie n'est démontrée.

Des études statistiques plus poussées montrent que ces variations observées de diversité bactérienne sont influencées par le type de sol (en termes de pH, de texture et de rapport C/N). Ces paramètres renseignent sur la capacité d'un sol à renfermer une grande diversité d'habitats pouvant héberger ainsi une grande diversité d'organismes différents.

Toutefois, la comparaison des cartes de biomasse et de biodiversité microbiennes démontre que les zones géographiques riches en biomasse et en biodiversité microbiennes ne sont pas obligatoirement les mêmes (exemple du nord-est de la France) et donc qu'une biomasse microbienne importante ne présage pas d'une biodiversité importante dans un sol et inversement.

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

Source: © Inra Dijon/plateforme GenoSol - GIS Sol, 2015

Traitements: GIS Sol - SOeS, 2015

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIG. 15.12. Cartographie nationale de la biodiversité microbienne des sols</figcaption></figure>
# CHAPITRE 15

## 2. Perspectives

### 2.1. Les activités de l'homme en question ?

La comparaison de la biomasse microbienne moléculaire en fonction du mode d'usage du sol montre que les sols sous prairies et forêts hébergent une plus forte quantité de microorganismes que ceux sous grandes cultures ou vignes et vergers (FIG. 15.14). Au niveau des sols agricoles, la biomasse microbienne plus faible peut s'expliquer par différentes pratiques agricoles comme : l'absence de couvert végétal permanent (rotation sans interculture, vignes non enherbées); le travail du sol; la fertilisation par des engrais chimiques au détriment d'apports organiques; et l'ajout de pesticides de type antifongique.

Toutes ces pratiques mènent à une destruction des habitats du sol pour les microorganismes et/ou à un épuisement des ressources nutritives (baisse de la quantité et de la qualité du carbone organique du sol) et quelquefois à des contaminations toxiques pour les microorganismes (métaux lourds, pesticides, antibiotiques, HAP...).

La diversité bactérienne est aussi fortement influencée par le mode d'usage du sol (FIG. 15.15). Les sols sous prairies et forêts, qui représentent des écosystèmes naturels ou semi-naturels, présentent les niveaux de diversité les plus bas (1 291 et 1 136 taxons, respectivement) par rapport aux sols agricoles ou viticoles (1 363 et 1 409 taxons, respectivement). Cela s'explique par le concept écologique dit « de la perturbation intermédiaire ».

Ainsi, les sols sous forêts et prairies représentent des écosystèmes qui subissent des perturbations faibles par la quasi-absence de l'action de l'homme et renferment donc une diversité faible de bactéries. À l'inverse, les sols agricoles et viticoles, qui subissent généralement une multitude d'interventions et correspondent à des systèmes plus perturbés (mais pas trop), présentent donc une diversité bactérienne plus élevée.

Toutefois, ce niveau de diversité ne renseigne pas sur la qualité de cette diversité, et notamment sur la présence d'espèces bénéfiques ou au contraire néfastes pour son fonctionnement.

Il a ainsi été démontré que les sols agricoles, bien que plus diversifiés, possèdent aussi plus d'espèces néfastes pour les productions agricoles comme des bactéries pathogènes ou des bactéries impliquées dans une dégradation trop rapide de la matière organique du sol.

### Zoom sur...

#### La théorie de la perturbation intermédiaire

La biodiversité d'un écosystème est maximale lorsque ce dernier subit une perturbation intermédiaire (ni trop forte, ni trop faible) et minimale lorsqu'il subit une perturbation faible (phénomène d'exclusion compétitive des espèces) ou forte (sélection des espèces) (FIG. 15.13).

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIG. 15.13. Effets des degrés de perturbation sur la diversité des espèces</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

note : Le nombre entre crochets indique le nombre de sites analysés.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIG. 15.14. Biomasse microbienne moyenne des sols en métropole sur la période 2000-2009, en fonction du type d'occupation du sol</figcaption></figure>

note : Le nombre entre crochets indique le nombre de sites analysés.

<caption>FIG. 15.15. Nombre de taxons bactériens dans les unités pédo-écologiques françaises</caption>
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Julien Halska
Technicien,
chambre d'agriculture
de Saône-et-Loire</figcaption></figure>

## Témoignage : La conception d'un référentiel départemental pour interpréter les mesures de biomasse moléculaire et de diversité microbiennes

“Agronome à la chambre d'agriculture de Saône-et-Loire, j'accompagne les agriculteurs pour la prise en compte des fertilités physique, chimique et biologique des sols dans leurs pratiques et dans leurs systèmes de culture.

Depuis 2012, nous travaillons à la conception d'un référentiel départemental pour interpréter les mesures de biomasse moléculaire et de diversité microbiennes. Ce type de démarche est très utile pour établir des diagnostics de fertilité biologique précis, ce qui est relativement nouveau par rapport aux approches chimiques et physiques. Cela contribue à apporter des réponses aux questions des agriculteurs qui souhaitent s'appuyer sur les êtres vivants du sol pour produire.”

## 2.2. De la cartographie à la construction de référentiel

L'ensemble de ces données a permis d'alimenter le premier référentiel national de la biomasse et de la biodiversité microbiennes grâce à l'élaboration de modèles statistiques prédictifs (FIG. 15.16). Ces modèles nous permettent aujourd'hui de prédire des valeurs de référence de la biomasse et de la biodiversité microbiennes des sols selon les caractéristiques physico-chimiques et climatiques de ces sols (Horrigue et al., 2016). Cette valeur de référence permet alors de s'affranchir du contexte pédoclimatique pour réaliser un diagnostic d'impact du mode d'usage d'un sol. Pour exemple, l'effet d'une pratique agricole est positif si la valeur mesurée est supérieure à la valeur de référence, et négatif dans le cas contraire.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>FIG. 15.16. Modèle statistique de prédiction de la biomasse et de la biodiversité microbiennes</figcaption></figure>

### POUR ALLER PLUS LOIN

HORRIGUE W., DEQUIEDT S., CHEMIDLIN PRÉVOST-BOURÉ N., JOLIVET C., SABY N. P., ARROUAYS D., BISPO A., MARON P.-A., RANJARD L., Predictive model of soil molecular microbial biomass, *Ecological Indicators*, 64, 2016.

SITE INTERNET DE L'OBSERVATOIRE NATIONAL DE LA BIODIVERSITÉ : « Évolution de la biomasse microbienne des sols en métropole » et « Évolution de la biodiversité bactérienne des sols ».

## L'essentiel

* Les microorganismes du sol sont indispensables à son bon fonctionnement et au fait qu'il peut rendre des services importants pour l'homme (production végétale, réchauffement climatique, dépollution...).

* L'abondance et la diversité microbiennes sont dépendantes des caractéristiques physico-chimiques des sols mais aussi fortement impactées par les modes d'usage des sols (agricoles, industriels et urbains).

* Certaines pratiques agricoles comme le labour, une diversité végétale réduite dans les couverts ou l'utilisation abusive d'intrants chimiques (engrais, pesticides) sont néfastes pour la qualité microbiologique des sols.

* L'ADN (acide désoxyribonucléique) constitue le support physique de l'information génétique pour tous les organismes vivants. L'analyse de l'ADN extrait directement du sol permet d'identifier les microorganismes présents dans un échantillon, leurs proportions dans la communauté ou encore leurs potentiels physiologiques et métaboliques. L'extraction d'ADN à partir du sol comprend différentes étapes techniques :

- la lyse des cellules microbiennes : cette étape consiste à mélanger le sol (environ 1 g) dans un tampon de lyse contenant du détergent et à agiter l'échantillon forte-ment et/ou faire des chocs thermiques afin de casser les cellules et libérer l'ADN dans le tampon ;

- la précipitation de l'ADN : cette étape consiste à séparer l'ADN des particules solides du sol par centrifugation ;

- la purification de l'ADN : cette étape consiste à séparer l'ADN des impuretés encore en suspension/solution dans le tampon (matières organiques, particules minérales fines...);

- la quantification de l'ADN : cette étape consiste à évaluer la quantité d'ADN présent dans l'échantillon par un marquage de l'ADN avec un intercalant fluorescent (BET, Sybergreen) et comparaison avec une gamme étalon d'ADN de concentration connue.

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