Frontiers in Environmental Science (Français)

en 1936, il y a un peu plus de 80 ans, Selman Waksman publiait un livre important et monumental dans lequel il passait en revue en détail ce qui était connu et non connu à l’époque sur l’origine, la composition chimique et l’importance de l’humus. Ce livre a dû nécessiter une quantité phénoménale de travail., En effet, pour l’écrire, Waksman a recueilli et analysé un nombre énorme (1311) de sources primaires couvrant plusieurs siècles, certaines en allemand, français, russe et Latin. Même avec toutes les bases de données électroniques à notre disposition de nos jours, ce serait une entreprise extrêmement longue, nécessitant de nombreux mois, voire des années, de lecture et d’extraits à temps plein., Dans les années 1930, sans internet, sans photocopieurs ou sans la possibilité d’envoyer des courriels à des collègues pour obtenir des réimpressions de leurs publications, identifier, sans parler d’examiner 1311 sources devait être une entreprise absolument formidable, qui méritait d’être célébrée en soi.,

apparemment influencé par un certain nombre d’auteurs allemands antérieurs, qu’il cite, Waksman (1936) définit l’humus comme suit: « chimiquement, l’humus est constitué de certains constituants de la matière végétale originale résistant à une décomposition ultérieure; de substances en cours de décomposition; de complexes résultant de la décomposition, soit par des processus d’hydrolyse, soit par oxydation et réduction; , »Une décennie plus tôt, Waksman (1925) avait été un ardent défenseur de la pratique traditionnelle d’extraction de la matière organique du sol avec des alcalis, suivie de l’identification, basée sur la solubilité dans l’eau, de trois catégories différentes de” substances humiques » de haut poids moléculaire, intrinsèquement stables et chimiquement uniques (acide fulvique, acide humique et humine)., Cependant, en 1936, il avait changé d’avis sur la question, convaincu que les extraits alcalins étaient une construction strictement opérationnelle et arbitraire, qui « ne donne pas une image de la vraie nature de l’humus, de son origine et de son état dynamique dans le sol. »Ses écrits suggèrent que l’idée que les substances humiques pourraient avoir une structure chimique unique ou définitive remonte à l’époque où « la chimie en était encore à ses balbutiements et où tous les composés organiques et inorganiques étaient considérés comme des substances de composition chimique très simple., »Microbiologiste de formation, Waksman n’a cessé d’insister, tout au long de son livre, sur les « liens invisibles” fondamentaux, mais trop souvent ignorés, reliant humus et micro-organismes vivants, « qui doivent être appréciés pour comprendre l’origine et la nature de l’humus., »Il a soutenu que, » sans nier le rôle des réactions purement chimiques dans la formation et la transformation de l’humus, en particulier celles de l’oxydation et de la réduction, de l’hydrolyse et de la polymérisation, il faut reconnaître que les agents primaires dans la formation et la transformation de l’humus sont les micro-organismes; en négligeant leurs fonctions, les chimistes antérieurs n’ont pas compris l’origine et la signification de l’humus, malgré les nombreuses années d’efforts, depuis les débuts de la chimie organique jusqu’à une époque récente., »

compte tenu de la clarté du résumé de Waksman (1936) de l’état des connaissances sur l’humus et de la feuille de route pour la recherche future, il est surprenant que personne n’ait donné suite à ses suggestions avant les années 90, plus d’un demi-siècle plus tard. En ce qui concerne Waksman lui-même, il y a une raison relativement simple, liée à un timing peu propice, pour laquelle il n’a pas poursuivi le travail sur le chemin qu’il avait si minutieusement tracé., Comme cela s’est également produit dans le cas des travaux séminaux de Langmuir (1938) sur les interactions électrostatiques entre particules chargées (McBride et Baveye, 2002), les événements mondiaux de la fin des années 30 ont rapidement incité Waksman à détourner son attention des travaux importants vers des questions plus urgentes. Après que Dubos (1939) a réussi à isoler pour la première fois un antibiotique (gramicidine) produit par un microorganisme du sol, les énormes conséquences pratiques de cette percée fondamentale pour les soins de santé, et en particulier pour le traitement des soldats blessés, sont devenues rapidement évidentes (Moberg, 1999; Van Epps, 2006)., Pour trouver d’autres antibiotiques, l’industrie pharmaceutique a commencé à financer des programmes de tests systématiques, dont un grand dans le laboratoire de Waksman après 1939. En 1942, Albert Schatz, l’un des assistants de Waksman travaillant avec les actinomycètes, a découvert la streptomycine. L’âpre bataille juridique au sujet des redevances qui s’ensuivit entre Schatz et Waksman (par exemple, Lawrence, 2002; Kingston, 2004; Casadevall et Fang, 2013; Pringle, 2013) et l’attribution du prix Nobel de médecine à Waksman en 1952 l’amenèrent à concentrer pratiquement toute son attention sur les antibiotiques., Nous ne trouvons aucune preuve qu’il ait jamais repris ses travaux sur l’humus ou ses interactions avec les micro-organismes.

cela n’explique cependant pas pourquoi D’autres microbiologistes du sol n’ont pas repris là où Waksman s’était arrêté. Dans une certaine mesure, une réponse à cette question peut être trouvée dans les réflexions que Waksman a faites plus tard (Waksman, 1958) lorsqu’il a souligné que les pédologues ont démontré très peu de reconnaissance envers la microbiologie des sols au début du XXe siècle., La science du sol mettait plutôt l’accent sur la physique et la chimie des sols, en particulier en ce qui concerne la fertilité des sols, ou sur la classification des sols. Cet état de choses était toujours manifestement en cours en 1936, comme l’illustre le fait que cette année-là, la revue Soil Science ne contenait que 6 articles traitant des microorganismes du sol sur un total de 77 articles, tandis que les Proceedings of the Soil Science Society of America ne contenaient pas un seul article lié à la microbiologie du sol., La prédominance d’un point de vue, le point de vue du chimiste, explique pourquoi l’opinion d’un microbiologiste du sol sur la nature de ce qui était perçu essentiellement comme une composante chimique des sols est probablement tombée dans l’oreille d’un sourd. De même, très probablement, est le point de vue de Waksman que la recherche future sur l’humus devrait être ce que nous appellerions maintenant « multidisciplinaire” ou même « interdisciplinaire” (Baveye et al., 2014)., Waksman (1936) a vu clairement que le lien étroit qu’il a identifié entre les microorganismes du sol et la nature des substances humiques du sol nécessitait une approche de recherche impliquant la coopération de plusieurs disciplines. Dans son avis, le « physicien, le chimiste, le botaniste, et le microbiologiste peuvent tous contribuer à la solution des nombreux problèmes complexes impliqués dans la formation et l’utilisation de l’humus. »Cependant, il était beaucoup plus conforme aux habitudes de l’époque pour les chimistes du sol de continuer à faire ce qu’ils avaient été formés pour faire, c’est-à-dire,, extraire des composés chimiques des sols et essayer de déterminer leur structure chimique unique et hypothétiquement bien définie, de haut poids moléculaire, une entreprise qu’ils ont poursuivie avec beaucoup d’énergie et de conviction pendant plusieurs décennies, totalement indépendamment de ce que les physiciens du sol et les microbiologistes, logés dans les mêmes organisations, faisaient de leur côté.

en toute justice, pendant de nombreuses années, une difficulté supplémentaire était qu’il n’était pas vraiment possible dans la pratique de mener le type de recherche interdisciplinaire que Waksman avait envisagé en 1936., Dans les années 50 et 60, plusieurs microbiologistes (par exemple, Alexander, 1965; Griffith, 1965) sont également arrivés à la conclusion que pour comprendre l’activité des micro-organismes dans les sols, une analyse détaillée à l’échelle spatiale des micro-organismes (c.-à-d. à la « microscopie”) était nécessaire. Mais, malheureusement, « les difficultés techniques inhérentes à l’expérimentation biochimique au niveau microscopique” (Alexander, 1965) ont gravement entravé les progrès dans cette direction., L’avènement des microscopes électroniques à transmission ou à balayage, dans les années 60 et 70, a fourni une mine d’informations qualitatives sur les habitats microbiens, comme on le voit dans des micrographies de plus en plus de haute qualité (p. ex., Foster, 1988). Cependant, ces nouvelles informations ne pouvaient pas être corrélées avec les données microscopiques correspondantes sur la composition de la matière organique, car les méthodes d’analyse chimique pertinentes restaient presque entièrement macroscopiques.,

néanmoins, les progrès de plusieurs techniques d’analyse spectroscopique, en particulier dans diverses méthodes de résonance magnétique nucléaire, au cours des années 90 ont permis aux chercheurs de caractériser la composition chimique des substances humiques dans les sols de manière beaucoup plus détaillée et de confirmer la solidité de la perspective de Waksman (1936). Dans un article de Revue historique, Piccolo (2002) a conclu que les substances humiques sont « des associations supramoléculaires de molécules hétérogènes et relativement petites auto-assemblées dérivant de la dégradation et de la décomposition du matériel biologique mort., »D’autres, à peu près au même moment, ont également exprimé des opinions similaires, basées sur leur lecture de la littérature (p. ex., Burdon, 2001; Wander, 2004). Quelques années plus tard, dans un examen approfondi et largement cité de la recherche analytique indépendante menée au cours de la décennie précédente, Sutton et Sposito (2005) ont qualifié les substances humiques de « collections de composants divers et relativement de faible masse moléculaire formant des associations dynamiques stabilisées par des interactions hydrophobes et des liaisons hydrogène., »Les modèles d’agrégation moléculaire (wershaw, 1986, 1999; Piccolo, 2001; Kleber et al., 2007; Chilom et coll., 2009), qui décrivent le rôle que jouent les interactions lipidiques-humiques dans la formation de la matière organique du sol. On pourrait considérer que c’est la seule idée « nouvelle” que l’utilisation des méthodes d’extraction classiques a ajoutée à notre conceptualisation de la matière organique du sol qui a été établie au tournant du siècle.,

à peu près au même moment que la publication de la revue de Sutton et Sposito (2005), la commercialisation de l’équipement de tomodensitométrie à rayons X sur table a permis de quantifier la géométrie et la topologie de l’espace interstitiel dans les sols (p. ex., Young et Crawford, 2004; O’Donnell et al., 2007)., Des lignes de faisceau dédiées dans des installations de synchrotron du monde entier ont permis aux chercheurs en sol et aux géochimistes d’effectuer des mesures d’un certain nombre de caractéristiques chimiques du sol à des échelles nanométriques et micrométriques, en utilisant des techniques telles que la spectroscopie X-ray absorption near-edge structure (XANES) ou near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS). Enfin, l’accès systématique à de nouveaux types de microscopie, comme les microscopes à fluorescence ou à laser confocal, a rendu disponibles pour la première fois des données quantitatives sur la distribution des cellules bactériennes (p. ex., Nunan et al., 2003; Eickhorst et Tippkötter, 2008)., À bien des égards, toutes les étoiles étaient alignées, métaphoriquement parlant, pour lancer sérieusement le programme de recherche interdisciplinaire sur les substances humiques que Waksman (1936) avait envisagé il y a des décennies. Il y a eu quelques tentatives limitées dans ce sens., En effet, à peu près au même moment, Sutton et Sposito (2005) ont conclu de leur examen de la littérature que « les composants humiques présentent un comportement motionnel moléculaire contrasté et peuvent être séparés spatialement sur une échelle de nanomètres”, les analyses de XANES et NEXAFS ont pu fournir une preuve visuelle claire que la dernière partie de cette affirmation était bien la règle,, 2003; Schumacher et coll., 2005; Solomon et coll., 2005; Kinyangi et coll., 2006)., Mais au-delà de cette confirmation limitée, aucune intégration réelle des techniques et des perspectives disciplinaires n’a eu lieu, et peu de progrès ont été réalisés pendant une autre décennie sur la chimie et la dynamique des substances humiques. La plupart des recherches sur les humiques ont continué à décrire la matière organique dans un sens macroscopique moyen, ce qui limite notre capacité à comprendre les liens entre les composantes biotiques et abiotiques des sols et les fonctions du sol., Alors que chacune des perspectives disciplinaires individuelles a été explorée plus avant, parfois en grande profondeur, la réticence, l’intransigeance ou l’inertie disciplinaire continuent d’empêcher les chercheurs de rassembler les pièces du puzzle pour enfin nous permettre de comprendre en détail comment les micro-organismes influencent la création et la transformation des substances humiques, ou les facteurs qui contrôlent ces processus (Baveye, 2018).,

dix ans presque jour pour jour après la synthèse de Sutton et Sposito (2005), Lehmann et Kleber (2015), dans un article bien conçu, ont passé en revue en détail un certain nombre d’opinions différentes sur la nature chimique de la matière organique du sol et ont proposé le « modèle de continuum du sol” (SMC)1. Ce modèle conceptualise la matière organique du sol, non pas comme une collection de macromolécules de poids moléculaire élevé (c’est-à-dire la « vision traditionnelle”), mais comme un « continuum” de fragments organiques de toutes tailles « couvrant toute la gamme des matières végétales intactes au carbone hautement oxydé dans les acides carboxyliques., »Ces fragments organiques sont » continuellement traités par la communauté des décomposeurs vers une taille moléculaire plus petite. »Malgré les diagrammes illustratifs qui opposent le SMC à la « vision traditionnelle” et l’affirmation selon laquelle le SMC offre une nouvelle « voie à suivre pour modéliser la dynamique du carbone du sol et développer une gestion des sols fondée sur des preuves observables”, il est difficile de voir une avancée significative dans ce modèle par rapport à la « nouvelle vision” des substances humiques décrite 80 ans plus tôt par Waksman (1936), ou aux vues reprises plus récemment par Piccolo (2002) et Sutton et Sposito (2005)., En ce qui concerne la dynamique des substances humiques, Lehmann et Kleber (2015) appellent à des méthodes qui produisent des « preuves observables”, nécessaires pour obtenir des « prédictions fiables du renouvellement de la matière organique du sol”, et qui nous permettent d’étudier « l’arrangement spatial de la matière organique dans la matrice minérale, l’environnement redox à échelle fine, l’écologie microbienne et, »Ils réitèrent également L’observation de Waksman selon laquelle l’extraction de substances humiques ne fournit pas une image réaliste de la composition et des propriétés réelles de la matière organique qui existe dans les sols, et ont recommandé que des termes comme « humus”, « humification” ou même « substances humiques”, couramment utilisés depuis des siècles, ne fassent plus partie du vocabulaire des spécialistes des sols.

Au cours des 3 dernières années, les différentes suggestions DE Lehmann et Kleber (2015) ont fait sensation parmi les spécialistes des sols (par exemple, Piccolo, 2016; Gerke, 2018; Hayes et Swift, 2018; Weber et al., 2018; BTA et coll.,, sous presse). Les défenses des habitudes enracinées contre ce qui est décrit presque comme une hérésie ont été extrêmement passionnées, et les réactions négatives aux propositions faites ont été très catégoriques. Ceci est illustré de façon éclatante par deux numéros spéciaux publiés récemment par le Journal of Soils and Sediments, l’un célébrant les travaux de Frank Stevenson sur la matière organique du sol (Knicker et al., 2018) et l’autre consacrée aux substances humiques (Weber et al., 2018). Les deux numéros spéciaux contiennent de nombreux articles traitant encore explicitement des extraits alcalins et faisant valoir les mérites inhérents de cette approche., En ce qui concerne la recommandation, faite par Lehmann et Kleber (2015), d’abandonner la terminologie « humus”, il y a eu jusqu’à présent très peu de débat ouvert dans la littérature sur la question de savoir si les termes de sanction couramment utilisés dans la sphère publique ont un sens et devraient, ou même pourraient, être adoptés largement. Selon le Web of Science, il ne semble pas que la recommandation de Lehmann et Kleber (2015) ait été bien reçue, car le nombre d’articles publiés faisant référence à « l’humus” ou à « l’humification” dans les sols n’a pas diminué du tout depuis 2015., Au lieu de sanctionner l’utilisation de ces termes chargés d’histoire, il serait peut-être préférable de suivre L’exemple de Waksman (1936) et de simplement s’assurer qu’ils sont correctement définis.,

dans tout le tumulte qui a suivi la publication de L’article de Lehmann et Kleber (2015), peu d’attention semble malheureusement avoir été consacrée à la nature chimique et à la dynamique des substances humiques, ce qui rend probable que nous allons assister à nouveau à ce que Jenny (1961), écrivant sur l’acidité du sol, a appelé sarcastiquement un « manège”: il y a de fortes chances sur l’humus du sol., Cependant, d’un point de vue plus optimiste, la communauté des sciences du sol peut encore décider de reprendre le programme de recherche de Lehmann et Kleber et, de manière critique, de noter que les outils nécessaires pour répondre à leur appel et améliorer notre compréhension de la dynamique de la matière organique du sol à l’échelle microscopique existent déjà, en effet sont disponibles,

Il serait crucial dans ce contexte de comprendre les principales raisons pour lesquelles les possibilités d’analyse microscopique des substances humiques dans les sols n’ont pas été saisies de 2005 à récemment, afin d’éviter les pièges ou la répétition des erreurs commises. À cet égard, il nous semble que l’explication la plus probable de notre situation actuelle, et du très lent mouvement en avant concernant la nature et la dynamique des substances humiques, est liée à l’existence d’une barrière importante sur la voie de la recherche interdisciplinaire., Il peut y avoir plusieurs causes à une telle barrière. Les efforts interdisciplinaires sont notoirement difficiles à lancer, en raison des contraintes institutionnelles et des mécanismes de financement qui favorisent souvent fortement les efforts mono-disciplinaires (p. ex., Baveye et al., 2014). Une autre raison est que la microbiologie a de plus en plus évolué au cours des dernières décennies 3 loin de l’écologie le long des lignes qui parallèles au développement de la chimie agricole moderne et ont initialement provoqué des divisions entre les sciences biologiques et physiques à L’époque de Waksman (Wander, 2009)., Une grande partie de la recherche en microbiologie des sols au cours des deux dernières décennies a été fondée sur l’idée que les propriétés physiques ou chimiques des microenvironnements où les microorganismes résident dans les sols ne sont pas pertinentes, et que les molécules d’ADN ou D’ARN extraites contiennent toutes les informations nécessaires pour donner un sens à l’activité L’adoption de cette approche a eu le mérite de générer des représentations macroscopiques ou globales de la composition communautaire qui répondent aux demandes de mesures quantitatives reproductibles., Cependant, au cours des deux dernières décennies, cette perspective, qui a suscité de plus en plus de critiques (par exemple, O’Donnell et al., 2007; Baveye, 2009; Baveye et coll., 2018; Young et Bengough, 2018), A sans doute contribué de manière significative à contrecarrer les efforts de recherche interdisciplinaire traitant des microorganismes du sol, et a conduit les microbiologistes dans le même piège qui a limité les progrès des chimistes du sol et des physiciens travaillant à l’échelle macroscopique.

pour sortir de ce piège, nous devons reconnaître comment nous avons organisé et compartimenté la discipline de la science des sols., Le fonctionnement interne de nos sociétés savantes, avec des divisions distinctes associées à la physique des sols, à la chimie des sols, etc., démontre que nous percevons toujours notre discipline comme étant fortement organisée selon un certain nombre de sous-disciplines distinctes. Cette structuration de la science des sols est critiquée depuis de nombreuses années. Gardner (1991), par exemple, nous a exhortés à être conscients du fait que « si la science des sols doit continuer et prospérer en tant que discipline scientifique à part entière, ce sera grâce à l’intégration réussie des progrès de chaque sous-discipline dans un tout intégral., »Malgré des conseils répétés dans ce sens, rien de grand n’est arrivé. Pire encore, à quelques exceptions notables (p. ex., les programmes d’agroécologie de base), la formation de la prochaine génération de spécialistes des sols n’a pas beaucoup évolué non plus vers une intégration plus disciplinaire. Mis à part l’exception notable des programmes mettant l’accent sur l’apprentissage par problèmes (Amador et Görres, 2004; Amador et al., 2006), les conférences dans la plupart des programmes d’études en sciences du sol se concentrent toujours uniquement sur des sous-disciplines uniques, et la spécialisation des étudiants en sciences du sol se produit trop tôt et est beaucoup trop prononcée., Malheureusement, il n’est pas inconcevable aujourd’hui, par exemple, pour un physicien du sol de ne rien savoir de l’écologie de la Méso – ou macro-faune du sol, ou pour un microbiologiste du sol d’ignorer comment la géométrie complexe de l’espace interstitiel dans les sols affecte les micro-organismes. Chaque année, dans le monde entier, les programmes d’enseignement des sciences du sol produisent un grand nombre de diplômés handicapés par ce genre d’ignorance paralysante.

et pourtant, malgré les lacunes manifestes de nos systèmes éducatifs, il semble y avoir des raisons d’espérer., Non seulement un groupe de chercheurs principalement jeunes a récemment appelé à mettre davantage l’accent sur la recherche interdisciplinaire en sciences du sol (Baveye et al., 2018), mais cet appel a été rapidement suivi par des étapes importantes dans cette voie. Vidal et coll. (2018) ont combiné différentes techniques spectroscopiques et microscopiques pour obtenir simultanément des informations sur la distribution des minéraux et de la biomasse à proximité des racines. Plus récemment, Schlüter et coll., (2019), en utilisant une combinaison de µCT à rayons X, de microscopie à fluorescence, de microscopie électronique à balayage et de nanoSIMS, ont pu étudier la distribution de bactéries dans un sol et montrer qu’elles ont une préférence pour la recherche de nourriture près des surfaces macropores et près des matières organiques particulaires fraîches., Cette recherche interdisciplinaire pionnière ouvre la voie à l’analyse micro et méso – échelle non seulement de la dynamique de la matière organique du sol et des processus connexes tels que l’amorçage ou le stockage et la protection du carbone, qui sont éminemment pertinents dans le contexte du changement climatique mondial, mais aussi d’autres processus d’une grande importance pratique, comme la régulation de l’acidité du sol et la fixation des métaux, sur lesquels diverses questions sont restées sans réponse, malgré un effort de recherche considérable dans le passé (par exemple, Tipping et Hurley, 1988; Tipping, 2002).,

compte tenu des fonctions clés que remplissent les sols dans un certain nombre de contextes environnementaux, sans oublier l’objectif décourageant de nourrir 10 milliards d’habitants sur terre d’ici 2050 (par exemple, Baveye, 2015), il serait tout simplement inacceptable non seulement pour la discipline de la science des sols, mais aussi pour la société en général, si nous ne brisions pas la barrière interdisciplinaire qui Comprendre la dynamique des substances humiques du sol et de la matière organique naturelle est trop crucial pour nous d’éviter encore une fois de prendre le chemin Non parcouru.,

contributions des auteurs

PB et MW ont tous deux contribué au contenu de cet article et ont collaboré étroitement à sa rédaction.

déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Notes de bas de page