Rôle des enzymes lignocellulolytiques dans le processus de biodégradation de résidus végétaux dans les sols : Influence de la qualité des résidus sur l’efficacité des enzymes et leur dynamique

Role of lignocellulolytic enzymes in the process of plant residue biodegradation in soil : Influence of residue quality on the efficacity of enzymes and their dynamics

• Auteur / Autrice : Bilal Ahmad Zafar Amin
• Direction : Philippe Debeire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 11/04/2012
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Francis Duchiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Debeire, Claire Chenu, Isabelle Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéven Criquet, Siobhan Staunton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets agricoles

Mots clés libres

Enzyme

Degradation

Plant residue

Soil

Maïs

Substrat

Enzyme

Degradation

Plant residue

Soil

Maize

Substrate

Résumé

La décomposition des résidus végétaux joue un rôle essentiel dans le cycle biogéochimique des éléments nutritifs et influence le fonctionnement des écosystèmes. La composition biochimique intrinsèque des résidus végétaux est un facteur clé qui influe sur les processus de décomposition dans le sol tandis que la majorité des réactions biochimiques dans le sol, liées à la biodégradation des résidus végétaux, sont catalysées par des enzymes extracellulaires produites par les microorganismes. L'objectif global de cette étude était d'acquérir des connaissances fondamentales concernant l'impact de la qualité des résidus sur les fonctions microbiennes du sol et les modes d'intervention des enzymes du sol interviennent dans la décomposition des résidus végétaux. Cet objectif a été atteint en trois parties visant à : 1) déterminer le rôle des communautés initiales des résidus i.e. les microorganismes et leurs enzymes provenant des compartiments épiphytes et endophytes, et l'effet de la qualité des résidus végétaux sur les cinétiques des enzymes extracellulaires au cours du processus de décomposition dans le sol 2) étudier l'effet des fonctions microbiennes du sol (biomasse microbienne et enzymes extracellulaires) liées à la minéralisation sur la décomposition ultérieure de résidus introduits dans le même sol 3) explorer les interactions entre la disponibilité en azote et la décomposition des composés phénoliques par l'action des activités oxydo-réductases, et développer une méthode pour mesurer ces activités dans des sols contrastés en utilisant un seul substrat. L'approche générale de cette étude a été de sélectionner les résidus végétaux de qualité chimique variable pour obtenir des cinétiques contrastées de minéralisation du C. Le maïs (Zea mays L.) a été choisi comme plante modèle en raison de variations chimiques et structurales (Mexxal, F2, F2bm1, F292bm3) des parties aériennes (feuilles, entre-nœuds) et souterraines (racines). Des tiges de lin marqué au 13C ont été utilisées pour quantifier avec précision la minéralisation du carbone dans les différents réservoirs de carbone. Afin d'évaluer les relations entre la qualité des résidus végétaux et les fonctions biologiques associées au sol, des expériences en microcosmes contrôlés ont été réalisées en utilisant des sols agricoles et forestiers. La minéralisation du carbone, les caractéristiques chimiques des résidus (teneurs en C et N, les sucres totaux et lignine), la biomasse microbienne et les activités enzymatiques (L-leucine aminopeptidase (LAP), cellobiohydrolase (CBH-1), xylanase, cellulase et la laccase) ont été déterminées à différents stades de décomposition. Les résultats de la première étude ont indiqué que les activités de micro-organismes épiphytes et endogènes étaient du même ordre de grandeur dans le cas des racines, tandis que les activités des enzymes spécifiques (cellulase, xylanase et laccase) étaient fortement corrélées à la dégradation de leurs substrats cibles (glucanes, xylanes et lignine, respectivement). Dans la seconde étude, l'addition répétée de résidus a eu peu d'effet sur la biomasse microbienne et la dynamique enzymatique, sauf la LAP et la laccase. Ces résultats suggèrent que la qualité des résidus végétaux est le principal facteur déterminant les modes d'action de la biomasse microbienne et de leurs enzymes extracellulaires durant le processus de décomposition dans le sol. Les résultats de la dernière étude ont démontré que l'addition d'azote réprimait la minéralisation du carbone des résidus les moins lignifiés (F2, F2bm1), mais n'a pas affecté celle du résidu plus lignifié (F292bm3) au cours de la décomposition à long terme. L'ABTS est apparu comme un meilleur substrat que le L-DOPA, le pyrogallol et le TMB pour estimer les activités phénoloxydase et peroxydase.Mots clés: décomposition, biomasse microbienne, enzymes extracellulaires, qualité des résidus, maïs.

Plant residue decomposition plays a pivotal role in the biogeochemical cycling of nutrients and influences ecosystem functioning. The intrinsic biochemical composition of plant residues is a key factor influencing decomposition processes in soil while the majority of biochemical reactions in soil, related to the biodegradation of plant residues, are catalyzed by extracellular enzymes produced by microorganisms. The overall goal of this research study was to gain fundamental knowledge regarding the impact of residue quality on soil microbial functions and the principles by which soil enzymes mediate plant residue decomposition. This goal was achieved in three parts: 1) to determine the role of the initial residue community i.e. microorganisms and enzymes from the epiphytic and endophytic compartments and effect of plant residue quality on the extracellular enzyme kinetics during the decomposition process in soil 2) to investigate the effect of soil microbial functions (microbial biomass and extracellular enzymes) on the subsequent residue decomposition in the same soil 3) to explore the interactions between nitrogen availability and the decomposition of phenolic compounds through the action of oxydo-reductase enzymes activities and to develop a method to measure these activities in contrasted soils using a single substrate. The general approach of this study was to select plant residues with variations in their chemical quality to obtain contrasted C mineralization kinetics. Maize (Zea mays L.) was selected as a model plant because of variations in chemical and structural characteristics (Mexxal, F2, F2bm1, F292bm3) of aerial (leaves, internodes) and underground parts (roots). 13C-labeled flax stems were used to quantify accurately carbon mineralization in different carbon pools. To assess the relationships between plant residue quality and associated soil biological functions, controlled microcosm experiments were performed using agricultural and forest soils. Carbon mineralization and chemical characteristics (C and N contents, total sugars and lignin contents) of the plant residue, microbial biomass and enzyme activities (L-leucine aminopeptidase (LAP), cellobiohydrolase (CBH-1), xylanase, cellulase and laccase) were determined at different stages of decomposition. The results of first study indicated that activities of epiphytic and endogenic microorganisms were of the same order of magnitude in case of roots while the activities of specific enzymes (cellulase, xylanase and laccase) were highly correlated to the degradation of their target substrates (glucans, xylans and lignin, respectively). In the second study, little effect of repeated residue addition was observed on microbial biomass and enzyme dynamics except LAP and laccase. These results suggest that plant residue quality is the main factor which determines the fate/patterns of microbial biomass and their extracellular enzymes during decomposition process in soil. The results of last study demonstrated that nitrogen addition repressed the carbon mineralization of less lignified residues (F2, F2bm1) but did not affect more lignified residue (F292bm3) in long term decomposition. For estimation of phenol oxidase and peroxidase activities, ABTS appeared as a better substrate than L-DOPA, pyrogallol and TMB.Key words: decomposition, microbial biomass, extracellular enzymes, residue quality, maize.