Mélanie DOISY, Adrien DUBOIS, Virgile LEFRANC, Kimberley LUZOLO-KILEKE,
Maïté WANHEM
La
population mondiale ne cessant d’augmenter ces dernières décennies, la
production agricole a également connu un essor afin de répondre aux besoins
alimentaires de cette population. Ce surcroit de production est en partie dû à
la grande utilisation d’engrais chimiques.
On
définit les engrais chimiques comme des substances organiques ou minérales
permettant de dynamiser la croissance des plantes. En effet, les engrais
chimiques amènent des éléments qui améliorent la croissance des plantes, permettant
ainsi d’obtenir un plus grand rendement agricole. On distingue trois sortes
d’engrais : les organiques, les minéraux et les organo-minéraux. Cependant
les engrais chimiques ont une mauvaise influence sur les sols et sur l’eau. Les
nitrates et phosphates contenus dans les engrais chimiques participent au
phénomène d’eutrophisation de l’eau. [1°] C’est à dire des concentrations
excessives de nitrates et phosphates dans l'eau ce qui favorise la
prolifération d’algues et d'autres micro-organismes indésirables, qui altèrent la
qualité de l’eau. En effet les nitrates et les phosphates accèdent aux nappes phréatiques et aux cours d’eau par
infiltration. Selon de nombreuses études, les nitrates seraient également
toxiques pour la santé humaine.
Des
alternatives peuvent donc être utilisées pour apporter des nitrates aux plantes
sans polluer l’environnement. Il s’agit de micro-organismes capables de fixer l’azote de l’atmosphère et de le rendre
assimilable pour les plantes (transformation en nitrates). Peut-on alors remplacer les engrais chimiques
par des micro-organismes capables de fixer l’azote atmosphérique ?
Conséquences de l’utilisation excessives des engrais
chimiques
Impacts des engrais chimiques
sur l’environnement
Malgré
leurs effets bénéfiques pour les plantes, les engrais chimiques ont néanmoins
des répercussions sur l’environnement. La plante va absorber 89% de l’engrais
pour ses besoins et ne pas utiliser les 11% restant, mais que devient ce qui
n’est pas assimilé ?
Depuis
plusieurs années l’utilisation d’engrais azotés contenant de l’ammoniac (NH3)
et des ions ammoniums (NH4+) ne cesse d’augmenter ; celle-ci provoque l’acidification des sols. Ces
engrais vont appauvrir les sols en humus, élément apportant des nutriments dont
les plantes ont besoins et maintenant la stabilité et la fertilité du sol. Ils vont
aussi conduire à la suppression des légumineuses.
L’utilisation
excessive d’engrais va réduire la fertilité biologique du sol en décomposant
les matières organiques, en provoquant la perte de substance nutritive et en
perturbant l’infiltration de l’eau. Par ailleurs, si les sols sont très acides,
certains minéraux contenant de l’aluminium pourront se solubiliser alors que
d’autres resteront bloqués dans le sol comme les phosphates. La présence
d’aluminium dans les sols peut être toxique pour les végétaux. Lors de
l’apport en engrais, les éléments non-absorbés par les plantes seront néfastes
à tous leurs écosystèmes. Les plantes vont constamment avoir besoin d’engrais
car le sol est pauvre en matière organique et cela va ainsi créer une
dépendance.
Les engrais
chimiques polluent non seulement les
sols mais également les eaux. Lors de l’arrosage, l’eau va s’infiltrer dans le
sol et emporter avec elle les engrais présents vers les nappes phréatiques.
Cela va les contaminer très lentement à cause de l’infiltration de l’eau dans
le sol. Les engrais azotés présents dans le sol vont être réduits en nitrates
grâce à l’action des bactéries et vont ensuite rejoindre les sources d’eau.
Lors de chaque ajout d’engrais, la contamination de l’eau sera faible mais
restera durant de nombreuses années. Cela signifie que si l’utilisation
d’engrais est réduite au cours des années à venir, l’eau restera contaminée pendant
longtemps. Ces éléments solubles dans l’eau sont une des causes de pollution
des réserves d’eaux. En effet, aujourd’hui 66% des nitrates présents dans l’eau
proviennent de l’agriculture. Aujourd’hui la norme européenne a fixé une
concentration en nitrates dans l’eau de 50 mg/L, sur la base des
recommandations de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS). Cette trop forte
concentration nécessite un traitement long et coûteux de l’eau. De plus,
ingérés en trop forte quantité, les nitrates peuvent devenir dangereux pour la
santé en raison de leur toxicité. Il en est
de même pour les fleuves et les rivières qui sont eux aussi touchés par cette
pollution. Associés aux nitrates, la présence en trop grande quantité de
phosphates dans les lacs ou rivières peut provoquer l’eutrophisation. C’est une
pollution d’environnements aquatiques assimilant trop de matière nutritive permettant
aux algues de proliférer. Les algues proches de la surface se multiplieront de
manière excessive grâce aux apports d’azote, de phosphores et de lumière. Lors
de leurs décompositions, elles vont libérer de la matière organique
biodégradable permettant aux bactéries aérobies de se nourrir en consommant de
l'oxygène. Cela va épuiser la concentration d'oxygène et ainsi créer de la matière
morte (vase). Cet environnement va perturber la croissance animale et réduire
la biodiversité. De plus, cela nuit à l'aspect esthétique et créer des odeurs
peu agréables. Les nitrates, issus des engrais chimiques présents dans le
sol, vont être dénitrifiés. Cette réaction transforme les nitrates en diazote
gazeux (N2) puis en dioxyde de carbone (CO2) et enfin en protoxyde
d’azote (N2O). Ces émissions de gaz favorisent l’effet de serre 200
fois plus que le CO2. Elles vont ainsi contribuer au réchauffement
climatique et fragiliser le trou de la
couche d’ozone. [2°]
L'utilisation
excessive des engrais chimiques va entrainer l’accumulation de nitrates dans
les végétaux, ce qui peut représenter un danger pour la santé des consommateurs.
Les conséquences des engrais chimiques sur la santé
Dans l’environnement les nitrates
représentent 78 % de l’air respiré par chacun. Ce sont des molécules trouvées
sous forme oxydée d’un gaz qui est l’azote. On les retrouve dans l’eau et le
sol. Ce sont des composants que l’on retrouve aujourd’hui dans le fumier de
bétail, dans les engrais mais aussi dans quelques-uns de nos aliments. La
teneur en nitrates et nitrites dans les aliments ou dans l’eau potable nous
poussent à se demander quels peuvent être les effets de ces composants sur la
santé ? Seront-ils bénéfiques ou néfastes ?
Les nitrates sont présents
naturellement dans nos légumes tels que la betterave, les épinards (plus de 100
mg/kilos). L’apport quotidien varie en fonction des habitudes alimentaires de
chacun. Cette teneur en nitrates dans les légumes est aussi modifiée par
l’utilisation d’engrais ou de fertilisants chimiques utilisés en milieu
agricole [3°]. Le but, étant d’apporter beaucoup plus d’éléments nutritifs à la
terre cultivée. Aujourd’hui nous savons que les nitrates peuvent être dangereux
pour la santé. [1] Lorsqu’ils sont ingérés, ces molécules sont dégradées en
nitrites par la flore buccale par une enzyme (la nitrate réductase) présente
dans la salive. Ceux-ci seront absorbés par la suite dans l’estomac et
l’intestin par le biais du système digestif. Des effets négatifs des nitrites
dans le corps humain ont été révélés lors de la consommation excessive d’un
aliment contenant un fort taux de nitrites. Cela va augmenter la formation
d’une substance cancérigène dans l’organisme qui est la nitrosamine. C’est un
composé chimique dangereux à cause son pouvoir cancérigène élevé. Les bébés de
moins de trois mois sont les plus exposés aux effets des nitrites sur la santé.
Il faut savoir que les nitrites réagissent avec l’hémoglobine. Ils empoisonnent
celle-ci et oxydent le fer qu’elle contient de Fer2+ en Fe3+.
Ceci forme ce qu’on appelle la méthémoglobinémie. Cet empoisonnement empêche la
fixation de l’oxygène ce qui provoque par la suite des troubles respiratoires.
Les nourrissons ne peuvent pas régénérer l’hémoglobine à partir de la
méthémoglobine [4°]. Les cas mortels restent cependant très rares. Il
n’y a pas de dangers sur la santé des humains quant à l’utilisation des
nitrites. Il ne faut cependant pas les ingérer à forte dose ce qui pourrait
engendrer la formation de substances dangereuses.
Les micro-organismes
impliqués dans la fixation de l’azote atmosphérique
Les
plantes ne peuvent pas assimiler l’azote atmosphérique pourtant présent en très
grande quantité dans l’air ambiant (environ 80%). L’azote est un élément
indispensable à la croissance et au développement des plantes et est, avec
l’eau, l’un des facteurs limitant le plus fréquent de la production végétale.
Elles peuvent l’assimiler grâce à leurs racines et elles le trouvent donc dans
le sol, sous forme minérale (nitrique, ammoniacale, uréique ou cyanamidée). Il
provient de la décomposition de la matière organique azotée dans sol,
c’est-à-dire des résidus de culture et des déjections animales. La forme la
plus facilement assimilable par la plante est l’azote nitrique ou nitrate,
composée d’azote et d’oxygène. Sa formule chimique est NO3- et il se forme naturellement
au niveau du sol. Les plantes peuvent également assimiler l’azote sous forme
d’ions ammonium (NH4+). Le transport des nitrates du sol vers la plante se fait
via les racines et grâce à des transporteurs actifs secondaires, symport de
nitrate et de H+. Ces transporteurs sont spécifiques du nitrate et les gènes
qui les codent sont inductibles, ils ne sont induit que par le NO3-. Le nitrate
sera assimilé au niveau cytoplasmique par l’intermédiaire de deux enzymes
différentes. Il y a d’abord la nitrate réductase qui permet de transformer le
NO3- en NO2- puis la nitrite réductase va agir au niveau du stroma des
chloroplastes et transformer le NO2- en NH4+. Enfin l’ammonium sera assimilé
dans le stroma et pourra permettre à la plante de synthétiser les acides aminés
azotés et bases azotées nécessaires à son développement.
Cependant
plusieurs facteurs peuvent influer sur la quantité d’azote minéral présent
naturellement dans le sol et la faire baisser fortement. En effet si le sol ne
retient pas l’eau, l’azote minéral peut être entrainé en profondeur vers les
nappes phréatiques ou cours d’eau voisins, ce phénomène s’appelle le lessivage.
Un autre facteur important est l’agriculture intensive, qui a pour effet
d’appauvrir énormément les sols. [2] Les plantes récoltées ne retournent pas se
décomposer dans le sol, ce qui brise le cycle de l’azote. Ce
cycle correspond à la décomposition des plantes produisant de l’azote
minéral et des nitrates qui seront puisés par les racines des plantes en
développement. Elles s’en servent pour produire de la matière organique azotée,
à son tour la plante meurt, se décompose et le cycle recommence. (Voir Figure
1)
Il est donc indispensable d’apporter artificiellement de l’azote aux
plantes. Pour éviter de polluer les sols et les nappes phréatiques,
l’utilisation de microorganismes capables d’aider les plantes à fixer l’azote
est une bonne alternative.
Les Rhiboziums
Les plantes « légumineuses », sont fréquemment incluses dans
la pratique agricole de rotation des cultures en raison de leurs capacités à
fixer l’azote. Cette propriété intrigante découle d’une interaction symbiotique
de bactéries (rhizobium). [5°] Les rhizobiums (ou rhizobia), sont des bactéries aérobies présentent naturellement
dans le sol. Elles s'associent aux légumineuses comme l'arachide, l'haricot, la
luzerne, le pois, le soja, le trèfle... . Grâce à cette symbiose, les plantes
acquièrent la capacité à fixer l'azote
de l'air. Elles peuvent ainsi s’en servir pour produire leur matière organique.
Les rhizobiums augmentent la
productivité des plantes mais elles les protègent aussi contre la sécheresse. Cette
symbiose entraine la création de nodosités au niveau des racines nommées nodules. C'est au niveau de ces
nodosités que les bactéries réduisent l’azote atmosphérique en composés azotés directement
digestibles par la plante. Néanmoins, la symbiose est un processus transitoire.
En effet, les nodules sont des organes sénescents et à terme, perdent leur
aptitude à fixer l’azote. Il faut donc procéder à des modifications génétiques pour
préserver ces organes. [6°] Ces bactéries peuvent donc être une bonne alternative
pour limiter l'utilisation des engrais chimiques et ainsi limiter la pollution.
Les algues bleues
Les
algues bleues ou cyanobactéries sont des (bactéries) capables de transformer
l’azote atmosphérique en azote minéral.
Elles sont d’ailleurs utilisées comme des « engrais verts »
pour apporter aux plantes de l’azote directement assimilable. Elles peuvent
parfois présenter des associations symbiotiques avec certaines plantes. En
effet, elles vont perdre leurs enveloppes, fusionner avec les cellules de la
plante et se comporter comme des chloroplastes. La plante ne va pas les rejeter
et elles vont se dédoubler au rythme des cellules de la plante hôte. La plante
va fournir aux cyanobactéries, du glucose et des nutriments issus de la
photosynthèse, tandis que les micro-organismes vont fournir aux plantes l’azote
minérale nécessaire à leur croissance.
Par
exemple chez la fougère aquatique Azolla, les cyanobactéries se regroupent au
niveau de cryptes sur la face intérieure de la feuille. Elles sont ainsi
protégées des agressions de l’environnement. La fougère, elle, va profiter des
capacités d’absorption d’azote des cyanobactéries. Azolla est utilisée depuis
très longtemps dans les rizicultures en tant que plante compagne en raison de
ses capacités à fixer l’azote. La symbiose Azolla et cyanobactéries fixe
environ 100 à 200 kilogrammes d’azote par hectare et par an. En effet, après un
certain temps de culture, elles seront enfouies dans le sol. Elles pourront
alors se décomposer et alimenter continuellement le riz en nitrates
précédemment synthétisé. Elle est également utile pour bloquer la lumière, ce
qui évite la concurrence d’autres plantes sauf le riz qui est repiqué assez
grand pour dépasser la couche d’Azolla.
Les Azotobacters
Le genre
de bactéries azotobacters appartient à la classe des Gammaproteobacteria. Ce sont des bactéries ovoïdes et larges
(jusqu’à 6 µm). Elles sont aérobies strictes, hétérotrophes et capables de
fixer l’azote.Ces bactéries présentent un grand intérêt dans l’agriculture, car
elles participent à la fertilisation du sol. En effet on les retrouves en
grande quantité au niveau de la rhizosphère, tout près des racines des plantes
mais également au niveau de la face supérieur ou inférieur des feuilles. Elles
sont capables de stimuler la croissance racinaire grâce à la synthèse de
phytohormones. En échange les bactéries seront nourries par la plante, mais
elle fournira à la bactérie de l’ATP seulement si elle a besoin de nitrates.
[7°] Cette fixation serait très efficace pour les cultures de plantes à
feuilles larges comme le maïs, la betterave sucrière, le colza, le tournesol…
En attendant la mise en
place de ces différents micro-organismes dans l’agriculture, il existe des
possibilités pour dépolluer. C’est le cas par exemple des protozoaires. De
récentes études menées en 2007-2008 par des chercheurs de pays de l’université
de Pretoria en Afrique du Sud ont permis de montrer la relation entre les protozoaires
et les phosphates et nitrates. Il y aurait donc trois protozoaires (Aspidicasp.,
Trachelophyllum sp. et Peranema) qui seraient capable de diminuer les
concentrations en nitrate et en phosphate lorsqu’ils sont isolés à partir d’eaux
usées provenant de station d’épuration, tout en se multipliant. Ils ont besoin
de source de carbone comme l’acétate, le sucrose ou encore de glucose. Ainsi
pour le protozoaire de Aspidica sp., en présence du glucose comme source
de carbone, sa croissance est directement liée à la diminution de la
concentration en nitrate et en phosphate. On observe le même phénomène avec les
protozoaires Peranema et Trachelophyllum sp. lorsqu’ils utilisent
l’acétate pour Trachelophyllum sp. ou le sucrose pour Perenema comme
source de carbone. [3] Ces études réalisées montrent une sorte de décontamination
des eaux usées grâce à ces protozoaires qui captent les nitrates et les
phosphates. Cette méthode serait intéressante dans le cas de l'eutrophisation
de l'eau. Ce moyen de procédé pourrait diminuer les concentrations en nitrates
et en phosphates contenus dans les eaux polluées. On aurait donc une
prolifération de micro-organismes indésirables et nuisibles beaucoup moins importante
et donc une eau de meilleure qualité.
Ainsi, la
prise de conscience des dangers liés à l'utilisation excessive d'engrais
chimiques a permis le développement d'alternatives. Il est maintenant possible
d'apporter des nitrates sans engrais chimiques ou encore de dépolluer des eaux
contaminées par des nitrates. Néanmoins ces alternatives demeurent marginales
en agriculture face aux engrais qui font de la résistance. Les répercussions
sur notre santé et notre environnement liés aux engrais chimiques risquent
d'être importantes.
Bibliographies:
·
[1]François
Testud. Institut de l’environnement et de
la santé : Toxicologie humaine des
nitrates : des risques sanitaires surestimés ? [Page consultée le 25/04/2016]
·
[2]S.K.A
Danso, D.L Eskew. Comment renforcer la fixation biologique de l’azote. AIEA
bulletin, vol 26, n°2.
·
[3]OGHENEBOR, B. Akpor; MOMBA N. B, Maggy. Resarch Article: Relation of protozoan biomass to phosphate and nitrate removal from
activated sludge mixed liquor. Biotechnology
journal, 29 Septembre 2009.
Webographies:
·
[1°]Verdura. Le développement durable pour tous :
Engrais chimiques [page consultée le
12/05/2016] http://www.vedura.fr/economie/agriculture/engrais-chimiques
·
[2°]Delphine Bossy. (22/02/2014). Futura environnement : Engrais,
une pollution agricole dangereuse? [Page
consultée le 09/05/2016]. http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/qr/d/pollution-engrais-pollution-agricole-dangereuse-5958/
·
[3°]Unifa. Bien nourrir les
plantes pour mieux nourrir l’homme : nitrates et la santé. [Page
consultées le 25/04/2016] http://www.unifa.fr/sante-a-alimentation/nitrates-a-sante.html
·
[4°] Le figaro.fr santé :
nitrates quels effets sur la santé ? [Page consultée le 11/05/2016] http://sante.lefigaro.fr/mieux-etre/environnement/nitrates/quels-effets-sur-sante
·
[5°]MOLLIER Pascale. Optimiser le
cycle de l’azote. INRA, Publié 28/12/15 [Consulté en Avril 2016] http://www.inra.fr/Chercheurs-etudiants/Agroecologie/Toutes-les-actualites/Regards-d-expert-Comment-optimiser-la-microflore-du-sol
·
[6°]Montpellier
Sup Agro. Rhibozium [page consulté le 13/05/16] http://www.supagro.fr/resspepites/sol/co/4_4_rhizobium.html
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[7°]Agriculture nouvelle. JMS. [Page
consultée en Avril 2016] http://www.agriculture-nouvelle.fr/azote-atmospherique/