De l'air au sol : la fixation biologique de l'azote

L’azote gazeux présent dans l'atmosphère - diazote N2 - peut être transformé en azote minéral directement disponible pour les plantes, on parle alors de la fixation biologique de l’azote. Ce processus permet de fixer entre 139 et 170 millions de tonnes d’azote atmosphérique par an. Il est effectué par des bactéries fixatrices d'azote, capables de réduire le diazote N2 en ammoniac NH3. La particularité c'est que dans la molécule de diazote atmosphérique (N2) les deux atomes d'azote(N) sont liés par une triple liaison très stable et difficile à rompre. La réaction doit donc être catalysée par une enzyme, la nitrogénase, présente uniquement dans certaines bactéries.

Cette enzyme est capable de casser la triple liaison, mais elle est très sensible à l’oxygène et ne peut pas fonctionner en sa présence. Les bactéries ont alors développé, avec le temps, différentes stratégies pour éviter d’exposer la nitrogénase à l’oxygène. La première stratégie, est la formation de structures isolant totalement l'enzyme de l'air, et formant une "chambre" en environnement contrôlé pour que la fixation de l'azote se produise. C’est la stratégie qu’utilisent par exemple les bactéries du genre Rhizobium. Elles s'associent en symbiose avec des légumineuses et se localisent généralement dans des formations spécifiques, les nodosités situées sur les racines. Ainsi, la plante crée un environnement favorable aux bactéries dans sa rhizosphère en leur mettant à disposition une grande quantité d'énergie issue de la photosynthèse et, en échange, elle récupère les composés azotés minéraux produits dans les nodosité par les bactéries . Une seconde stratégie consiste à  fixer de l'azote la nuit, certaines bactéries fixatrices photosynthétiques (non symbiotiques) utilisent cette stratégie. En effet, lorsque la photosynthèse est en pause et qu'elle ne produit plus d'oxygène, la nitrogénase peut fonctionner à nouveau.

La nature a donc trouvé deux stratégies pour isoler la nitrogénase de l’oxygène : soit par un déphasage dans l’espace (cellules spécialisées et formation de tissus isolants), soit par un déphasage dans le temps (jour/nuit). Dans les deux cas, les plantes impliquées ont accès à une source supplémentaire d'azote, et dépendent donc moins de la disponibilité d'azote minéral présent dans le sol. Une fois que l'azote atmosphérique est fixé sous forme organique, il nourrit l'écosystème du sol, et s'accumule  progressivement dans la matière organique du sol constituées de débris végétaux, insectes et biomasse bactérienne.

Comment l’ammonification façonne-t-elle la fertilité des sols ?

L'ammonification est le processus naturel qui transforme l'azote contenu dans la matière organique pour produire de l'azote minéral grâce à l'action de micro-organismes. 

Dans un premier temps, des bactéries ammonifiantes décomposent la matière organique sous formes de protéines puis d'acides aminés. Elles possèdent une enzyme, l’hydrogénase, qui transforme ces acides aminés en ammoniac, dissous dans l'eau du sol sous forme d'ions ammonium. Beaucoup d'espèces de bactéries peuvent effectuer cette phase d’ammonification, ce qui la rend beaucoup moins dépendante des paramètres environnementaux que la fixation biologie de l'azote. Si, suite à une perturbation de l’environnement, une espèce de bactérie ne peut plus ne peut plus accomplir sa tâche, une autre espèce moins sensible peut prendre la relève.

L'ammonification est donc l'étape décisive qui détermine la disponibilité de l'azote minéral dans le sol.