LES SOLS ET LE CYCLE DE L'AZOTE Les sols ont une importante activité biologique, car siège d'une multitude d'êtres vivants, dont on a vu que certaines pouvaient fixer l'N2 de l'air, d'autres faire le contraire passer de NH4 ou NO3 à N2, encore faut-il que le sol ne se dégrade pas après avoir vécu une longue histoire. - COMMENT NAIT ET EVOLUE UN SOL ? A partir d'un substrat nu, par exemple une coulée volcanique, la vie s'installe assez vite, avec des lichens, puis des mousses qui vont avec des acides lichéniques attaquer la roche pour en retirer des minéraux utiles à leur croissance. Plus tard, une partie de ces lichens et mousses meurent, la décomposition bactérienne de la matière organique crée un humus primitif : un sol se forme. Au fil des siècles le sol va s'épaissir, et différencier peu à peu en son sein des zones caractéristiques. On a déjà vu qu'il y avait une décomposition progressive de la roche mère et constitution de matière organique. Un 3e processus apparaît : la migration d'éléments solubles ou colloidaux qui se fait vers le haut e vers le bas. Vers le bas on a surtout, si les pluies sont abondantes et le climat chaud, une migration des éléments de l'humus : c'est le lessivage, migration qui s'achève au voisinage de la roche mère qui donne des éléments métalliques tels que le fer et l'aluminium qui vont provoquer des précipitations, une couche d'accumulation se forme. Inversement l'évaporation à la surface du sol provoque un mouvement d'eau qui entraîne des éléments solubles vers le haut. Il y a aussi les mouvements vers le haut de nombreux animaux fouisseurs, par exemple des vers de terre qui rejettent leurs excréments chargés de terre la nuit à la surface du sol.
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Microfaune
des sols facilite les décompositions homogeneise
Bactéries
décomposition des Matière Organique libération Éléments - bactéries –NO3 bactéries: +NO3 - bactéries Fixatrices N2
CYCLE DE L'AZOTE R Bactéries N2
Plantes NH4 NH2
Bactéries Proteins
NH3
NO2
NO3
R
R
Bactéries Aux USA, 107 tonnes de N2 fixés par an dont ½ par les rhizobiums. Espèce principale Rhizobium pasteurianum Winogradsky 1893. L'air contient aussi du NH3. → dans l'eau de pluie environ 1mg de NH3 (NH4) par litre. Ce sont des bactéries anaérobies qui fixent l'Azote. Symbiose, Rhizobium – légumineuses Nodosités des racines. Forme bactéroide: taille 0,7 x 2 microns - se forment bien entre pH5 et pH8 - il existe des rhizobiophages, des souches de Rhizobium sont plus ou moins résistantes - si trop de NO3 ou NH4 dans le sol les nodosités diminuent - les légumineuses fixent de 50 à 200kg N/ha Bactéries aérobies Toujours libres, mais présentes dans les rhizosphères. Azotobacters pH>6 seulement Beijerincka, qui peuvent fonctionner même si peu de O2 ça favoriserait même. Rendement : 70mg N2 fixé/g de carbone utilisé Bejerincka : poussent à pH entre 4,9 et 9 et sont présents dans les terres tropicales acides. Cyanobactéries Nostoc Anabaena : filaments à hétérocystes, quelques souches de Microcystis. Les cyanobactéries augmentent la fertilité des rizières. Symbioses : Azotobacters et bactéries cellulolytiques, symbioses de cyanobactéries fixatrices avec fougères ou autres plantes proches. Comment se fait la fixation de N2 ?
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FIXATION DE N2 - Liaison de N2 : 225 Kcal/mole → très forte - Seuls les prokariyotes peuvent la faire. - I l faut une hydrogenase : H2 H+ + e Ex : Clostridium pasteurianum (découvert par Winogradsky en 1890)
H2ase OX
FdR
Nitrogenase OX
ATP
H2ase reductase
Fd OX
Nitrogenase Red
ADP
acetate
Phosphopyruvate
Il faut Fe et Mb pour l'enzyme N2
NH4+
Ex : Chromatium La lumière amène de l'énergie Ex: Rhizobium des nodosités de légumineuses, leg-hémoglobine. NADH2 → Fe++ → Fe+++→ l'énergie pour assimiler N2 Leghémoglobine
NITRIFICATION Winogradsky découvre des bactéries du sol Nitrosomonas: NH4 NO2 Nitrobacter : NO2 NO3 qui se servent de celà pour gagner l'énergie nécessaire à la fixation du CO2 Matière organique - des hétérotrophes peuvent aussi le faire. Aspergillus flavia: NH4 NO2 Penicillium: NO2 NO3 - Rendement énergétique : Nitrosomonas : 2,4 % (énergie chimique minérale / matière organique formée) - Nitrobacter: NO2- Cytochrome C Cytochrome A3 O2 (ou NO3-) DENITRIFICATION NO3 ou NO2 sont accepteurs d'hydrogène NH4+
NO3 NO2 NO N2O N2 NH2OH
NH3 Peuvent alimenter une chaîne respiratoire en tout qu'accepteur d'électrons. 3
Ex : Bacterium denitrificans (Heterotrophe: l'énergie vient de la matière organique) respire avec O2, si il n'y a pas d' O2 elle respire avec le nitrate. Ex : Micrococcus denitrificans H2 e réduction respiratoire de NO3 Escherichia coli peut métaboliser NH²OH Neurospora peut utiliser l'hyponitrite HON-NOH N2O N2 Hyponitrite, avec une enzyme différent de NO2 reductase. -
degrés d'oxydation de l'azote. NO3- NO2- NO (NHO)2 NH2OH NH4+ +5 +3 +2 +1 -1 -3
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des organismes primitifs ou supérieurs peuvent réduire NO si elles ont été cultivées en présence de NO³ → même système Ez ?
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Chaîne énergie de Neurospora
NADPH2 -0.28V NADP
2MO5+
FAD -0.18V FADH2
2MO6+
NO3+0.54V NO2-
Même chaîne pour NO2- NH4+ on peut détecter NO intermédiaire. -
La nitrite Réductase du Soja peut aussi réduire NH2OH
- Chez végétaux photosynthèse 2CH2O + NO3H 2CO2 + NH3 + H2O NO3-
NO2-
e
AA
e
FMN
ferredoxine
e
e
CHLOROPLASTES H2 (Hydrogenase) Lumière
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Le NH4+qu'on trouve à la sortie reste peu libre. Avec du NH4+ marqué par N15 on voit le marquage passer très vite dans : - acide glutamique (a-a assez simple. 1 azote) - glutamine
qui ont 2 azotes (amines)
- asparagine 1' asparagine apparaît plus lentement - les transaminations les autres A-Aminés, il faut que les acides cétoniques nécessaires soient formés par le Métabolisme : notion d'A-A essentiels. Les amines marchent aussi, c'est toujours le NH2 du C-COOH qui est donné. LA NUTRITION AZOTEE DES PLANTES Deux sources possibles : NH4+ ou NO3-, NH4+ est préféré du point de vue énergétique et reste peu libre en conditions naturelles ou des bactéries l'oxydent en NO3- (nitrification). Souvent le NO3 est dix à mille fois plus abondant que NH4.
Le potentiel racinaire est favorable à l'assimilation des oligoéléments et du NH4+, pour NO3- il faut apporter de l'énergie grâce à l'ATP qui crée un gradient de protons de part et d'autre des membranes biologiques. 5
NO3- entre par les transporteurs membranaires, transport actif (demande de l'énergie), il est transporté ensuite par la sève, et est réduit dans les feuilles. NO3- NO2- par Nitrate reductase: NR se trouve dans le Cytosol, énergie par NADPH NO2- NH4+ par Nitrate reductase : NiR qui se trouve dans le chloroplaste, énergie par Fd L'ammonium est très toxique même à faible concentration. tout de suite utilisée par 2 enzymes. Glutamine synthase: GS Glutamate synthase: G0GAT ATP Acide glutamique + (NH3)
glutamine GS Fd
Glutamine + acide cétonique
2 acides glutamiques G0GAT
Tous les autres AA
transaminations
acide glutamique
Protéines Système de transport à haute affinité, il a une composante constitutive et une composante inductible. Composante constitutive : elle est présente même si pas du tout de NO3- et fonctionne à des concentration de 0,4 à 1,5 mg/l. Si des concentrations de NO3- plus fortes sont présentes, une activité supplémentaire est induite (c'est une adaptation) elle fonctionne au maximum de 5 à 20 mg/l et absorbe très vite le NO3-. Il y a un coût énergétique, chez l'Orge : 1 à 3 moles d'ATP par mole NO3- absorbé. A faible concentration le NH4- favorise l'absorption du NO3- car il entre par échange avec H+ qui sort et baisse le potentiel de la membrane NO3-entre plus facilement. Mais si NH4+ est plus fort il inhibe le transport de NO3- (qui est de toute façon inutile). Régulations : si beaucoup d'A-A se trouvent libres dans la Sève l' absorption de NO3- diminue (il n'est transitoirement plus nécessaire). à la lumière (car sucre augmente énergie) L'absorption de NO3 à l'obscurité Mais l'absorption se fait dans les racines d'où présence de signaux sucrés Génome On a beaucoup de gènes NRT1 exprimés au niveau des racines protéine de transports. On a des gènes NRT2 qui existent aussi champignons et algues. Séquences très conservées car on a des grandes contraintes structurelles, peu de mutations possibles. Ils donnent la protéine de transport inducible.
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Economie interne de l'Azote et fertilisation Certaines plantes peuvent stocker de l'Azote sous forme de protéines de réserve, réutilisable si besoin. Lorsqu'une feuille vieillit, elle recycle son azote, qui est exporté sous forme d'AA vers les jeunes parties de la plante. Plus de la moitié de l'N des graines de blé ou de Maïs vient par cette voie. Si la vieille feuille exporte mal son azote ce qui est un cas fréquent dans le colza (plante à biocarburant) elle pourrit au sol avec beaucoup de N NO3 important dans le sol pollution possible. Donc pour limiter la fertilisation, il faut mieux sélectionner pour : 1°) les feuilles fassent plus longtemps de la PS meilleure absorption des nitrates. 2°) les feuilles recyclent mieux leur azote quand elles sont vieilles liens recherche et environnement. On a fait une mauvaise sélection en voulant augmenter les rendements, avec des feuilles jeunes (donc productives) et a sénescence précoce perte d'N dans l'environnement.
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