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BERCHOUX Tristan BONNEFOND Romain LACHIA Nina RULLIER Noémie SIMOLI Gabriel

Edith LECADRE Brigitte BRUNEL

Module : Géochimie et écologie des sols pour une gestion durable des milieux anthropisés

Micro-projet : Utilisation du Phosphore organique en agriculture Une entreprise fabricante d’engrais de synthèse se pose la question de l’utilisation des formes organiques et vous délègue la gestion R&D de cette question.

Introduction : Problème posé. La majorité des engrais de synthèse apportent du phosphore sous forme inorganique (Pi). En effet, seules les formes orthophosphates (inorganiques) du phosphore sont assimilables par la plante. Cette forme minérale pose cependant des problèmes, car le Pi interagit avec les constituants du sol, le rendant peu labile et accentuant les pertes par lixiviation. Ainsi, cette méthode de fertilisation manque d’efficacité au niveau du rapport quantité de Pi apporté/ quantité de Pi en solution dans le sol. De ce fait il est intéressant de réfléchir à une méthode d’apport en phosphore différente. Dans le cas de l’apport de phosphore organique, il est nécessaire que des enzymes (les phytases) hydrolysent le Po pour le rendre assimilable, ces enzymes étant déja présentes dans le sol. D’autre part, les composés organiques chargés négativement empêchent le phosphore de se complexer avec les minéraux (Al, Fe, Ca, Mg, Zn) du sol ou certaines protéines. Le phosphore organique (Po) est alors accessibles aux réactions comme la minéralisation biologique au niveau de la rhizosphère et le Pi est alors disponible à la plante sur le long terme et moins susceptible d’être entraîné par lixiviation. Peut-on utiliser le phosphore organique comme source de phosphore assimilable par la plante ? Il s’agit donc d’étudier les mécanismes permettant de fournir à la plante du phosphore assimilable à partir de phosphore organique. Nous nous concentrerons particulièrement sur l’activité phosphatase d’enzymes du sol capables d’exercer ces fonctions. Celles-ci peuvent être sécrétées par la plante ou par d’autres organismes tels que les champignons. Afin de répondre à cette problématique, nous allons déterminer la quantité de Pi libéré à partir de l’hydrolyse du Po dans différentes modalités, puis nous allons


modéliser le devenir de ce Pi (ions orthophosphates) en solution dans le sol et donc assimilable par la plante.

I. Caractérisation des différents paramètres d’entrée : Etude de cas. Afin de déterminer les données d’entrée du modèle, nous avons caractérisé certains paramètres.

• Les formes du Po dans le sol Le phosphore organique peut se trouver sous différentes formes dans le sol. Elles dépendent des caractéristiques physico-chimiques du sol et de la texture. La forme majoritaire est cependant celle du phytate, qui représente environ 80% du phosphore total. Plus précisément, nous considérerons par la suite la forme myo-inositol hexakisphotphate qui est la forme la plus susceptible d’être minéralisée puis utilisée par la plante. (LES PHYTASES : Structure, Caractérisation et Applications, Marco Antonio Mendoza Parra)

• Texture du sol La texture du sol jouant sur l’adsorption des phytases, et celle-ci influant sur leur activité, nous avons donc fait varier la texture du sol en faisant varier l’activité enzymatique (de 10 à 80%).L’activité enzymatique considérée est corrélée négativement avec la teneur en argile. Ainsi, une activité de 80% correspond à un sol très peu argileux, et une activité de 10% à un sol très argileux.

• pH du sol Nous avons considéré une gamme de pH comprise entre 4 et 6,4. Ce choix nous a été imposé par les données de Km et Vm que nous avions.

• Volume de solution du sol Le phosphate susceptible d’être minéralisé est présent dans la solution du sol. Nous devons donc calculer un volume de solution du sol afin de donner une estimation à l’hectare de la quantité d’ions orthophosphates qui seront disponibles pour la plante.

o Volume du sol L’absorption des nutriments, et donc de l’eau, par les racines des plantes dépend du volume qu’elles occupent. Nous avons choisi un horizon de 30cm sur une surface de 1ha. Le volume de sol considéré sera donc de 0.3*10000 = 3000 m3.

o Capacité au champ Celle-ci dépend du type de sol. (Caractéristiques hydrodynamiques et termes du bilan hydrique d'un sol sableux de basse-Cote d'Ivoire, B. GOUE & N. R. YAO, 1991)

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Nous avons considéré par la suite une capacité au champ de 20%. Ce chiffre est bien sûr susceptible d’être ajusté selon les types de sols.

o Densité apparente En général, un sol sableux a une porosité de 0.47 et une densité apparente de 1.4kg/m3. (Le sol: propriétés et fonctions, Volume 1, Raoul Calvet)

o Quantité d’eau La masse de sol est de 1.4*3000=4200kg. D’où une masse d’eau de 0.20*4200=840kg d’eau, soit 840L.

• Teneurs en Po, en mg/g de sol sec Les teneurs en phosphore du sol sont extrêmement variables et dépendent de nombreux paramètres. Elles dépendent du type de sol, mais aussi du climat, de l’époque de la mesure et du type de végétation. (La mobilité du phosphore, Isabelle Beaudin, 2008) Étant données ces nombreuses variations, nous avons considéré comme entrée du modèle une moyenne de 40 mg/L de phosphore total.

• Choix de l’enzyme Nous avons choisi une phytase sécrétée par le champignon Aspergillus ficuum. Ce champignon est commun dans plusieurs types de sol et plusieurs études se sont concentrées sur l’activité de la phytase qu’il sécrète. (George et al, 2005 et résultats non publiés donnés par Mme Lecadre).

II. L’hydrolyse du Po : pré-modèle Les groupements phosphates sont susceptibles d’être hydrolysés et libérés dans la solution du sol.

• Caractéristiques de l’Enzyme : cinétique et activité de l’enzyme en fonction du pH. Nous avons tout d’abord calculé la vitesse d’hydrolyse (V) de l’enzyme sécrétée par Aspergillus ficuum d’après les données de Km et Vm trouvées dans la littérature (résultats non publiés). Etant donné que l’activité de l’enzyme est influencée par le pH du sol, nous voulons déterminer l’influence du pH sur la libération des ions orthophosphates. Ainsi, nous avons utilisé des données de Km et Vm pour un pH allant de 4 à 6,4. À partir de V, nous avons obtenu la quantité de Pi libérée sur un temps déterminé (1 jour), puis une concentration de Pi en solution de sol, en considérant un volume de 1L (volume déterminé pour notre étude).

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Courbe : influence du pH sur la libération du Pi

• Adsorption de l’enzyme On considère que la totalité du phosphore organique présent dans le sol (80% du phosphore total) est hydrolysée par les phytases. L’activité des phytases est réduite de 10 à 80% en fonction de son adsorption (Georges et al. 2005). Celle-ci est fonction du type de sol (pH, %MO!). Nous avons donc représenté l’influence de ce changement d’activité que subit l’enzyme sur la quantité de phosphore inorganique libéré. Afin de déterminer la courbe d’influence de l’adsorption des phytases sur la concentration de Pi libéré, nous avons fixé le pH à 5,8 (pH d’activité maximale de l’enzyme). Nous avons donc calculé les Vm et Km de l’enzyme correspondant, puis la quantité de Pi libéré par jour (dans le cas où l’activité de l’enzyme est de 100%). Nous avons ensuite considéré qu’une activité de 40% (par exemple) équivalait à la libération de 40% de la quantité de Pi libérée si l’activité avait été de 100%. Il existe donc une relation linéaire entre l’activité de l’enzyme (elle-même fonction de l’adsorption de l’enzyme) et la libération de phosphore inorganique. Courbe : influence du pH sur la libération du Pi

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III. Devenir du Pi : simulation Visual Minteq •

Données d’entrées

o Choix du pH Dans un premier temps, nous avons fixé un pH.

Fenêtre d’entrée sur Visual MINTEQ o Choix d’un isotherme Nous n’avons pas trouvé de valeurs d’isotherme de Freundlich dans la bibliographie, mais des valeurs d’isotherme de Langmuir. Cependant, après modélisation, nous nous sommes aperçu qu’il n’y avait aucune absorption avec ces valeurs, ce qui nous a semblé incohérent au vu des caractéristiques d’adsorption du phosphore inorganique. Nous avons donc choisi de raisonner avec un isotherme de Freundlich. N’ayant pas de valeurs pour le phosphore, nous avons fait l’approximation que l’adsorption du phosphore était du même ordre de grandeur que celle du bore. Nous avons donc pris les valeurs suivantes : • log (K) = 3,33 • m = 0,4

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Choix isotherme d’adsorption de Freundlich o Simulations Grâce au pré-modèle, nous avons pu déterminer la quantité de phosphore inorganique produite (pour une activité enzymatique de 100%). Nous avons ensuite fait varier l’activité ce qui nous a permis de déterminer différentes quantités de phosphore inorganique produites, que nous avons rentrées une à une dans visual minteq. Nous avons ensuite récupéré les proportions des différents éléments en solution. Nous avons sommé les quantités assimilables (HPO42- et H2PO4-) afin de déterminer quelle est la modalité qui libère le plus de phosphore directement assimilable par la plante.

Tableau de sortie : concentration des différentes espèces

Tableau de sortie : répartition des différentes espèces

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Nous avons réitéré ce processus pour chaque pH (de 4 à 6,4 par pas de 0,5 avec une valeur en plus : 5,8 qui correspond au pH optimal pour les phytases considérées). o Résultats La libération de Pi étant fonction linéaire de l’activité enzymatique, nous avons donc vu qu’une activité enzymatique de 80% était celle qui permettait la libération la plus élevée de Passimilable. Nous avons donc récupéré les valeurs de Passimilable pour une activité enzymatique de 80% pour chaque pH, que nous avons rassemblé sur le graphique suivant. Courbe : influence du pH sur la libération du Passimilable

Ainsi, nous voyons que la modalité qui libère le plus de Passimilable est celle où l’activité enzymatique est la plus forte (80%) -donc où la teneur en argile est la plus faible- et dont le pH est égal à 4.

Limites du modèle

Les limites de la simulation se définissent en majorité au niveau des hypothèses émises lors de la caractérisation de notre étude de cas. En effet, afin de pouvoir modéliser le devenir du Pi précédemment hydrolysé, nous avons du restreindre le nombre de facteurs influençant ce processus. Le premier biais est que nous ne considérons qu’une seule enzyme qui hydrolyse le Po, alors qu’il en existe beaucoup d’autres sécrétées par la micro faune du sol (mycorhizes) ainsi que par les racines. Nous n’avons donc considéré qu’une cinétique enzymatique parmi toutes celles existantes. Nous considérons d’autre part que l’enzyme est en excès, c’est-à-dire qu’elle hydrolyse tout le Po présent en Pi, alors que la concentration en enzymes peut être limitante dans certains sols. De plus, nous avons considéré que l’activité enzymatique était fonction linéaire de l’adsorption de l’enzyme dans le sol. Dans la réalité, cette approximation n’est pas réalisée à cause des nombreux facteurs influençant l’adsorption.

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Nous considérons qu’il y a 80% de Po dans le sol alors que ce pourcentage varie sur une fourchette de 10 à 80% suivant les types de sol, l’historique et la géographie de la zone considérée. En ce sens, nous surestimons la quantité de Po hydrolysé donc la libération de Pi. Cependant, ces données sont facilement obtenables sur le terrain. De plus, chaque sol possède sa propre composition chimique (métaux, acides organiques, ions!) qui dépendent eux aussi des types de sol et de l’historique de la parcelle. Les mécanismes des différentes réaction ainsi que leur importance relative sont très difficile à estimer, notamment à cause des nombreuses interactions qui ont lieu. L’isotherme d’adsorption des ions orthophosphates que nous utilisons est en réalité l’isotherme du bore alors que leur adsorption doit être différente. D’autre part nous fixons cet isotherme alors que nous faisons varier le pH lors de l’hydrolyse du Pi. Or, les valeurs des isothermes d’adsorption sont fortement corrélées au pH du sol. Ainsi, nous ne pouvons pas avoir de données précises entre quantité de Pi libérée après hydrolyse et quantité de Pi dissoute dans la solution du sol. Néanmoins, ce paramètre est facile à mesurer sur le terrain.

IV. Conclusion, Perspectives •

Résultats

Nous avons donc pu conclure que les meilleures conditions pour que le plus de phosphore organique soit hydrolysé en phosphore inorganique sont un sol très sableux (et donc peu argileux) et acide (pH=4). Cependant, ces conditions ne sont jamais réalisées dans la nature, un tel sol ne pouvant être cultivé. Le sol cultivable le plus efficace pour le phosphore serait donc un sol de pH égal à 5,8 contenant le moins d’argile possible. Cependant, ces conditions ne permettent de conclure que pour le phosphore, un tel sol pouvant être moins bon qu’un autre sur d’autres plans. • Exemple d’application Application au champ : Pour un litre de solution du sol, on obtient d’après ce modèle une certaine quantité de phosphore assimilable: mPi = MH2PO4- (g/mol) x nPi (mol) = 96 g Donc sur un hectare, nous pourrions obtenir : mPi = 96 (g) x 840 (L de solution du sol) = 80,6 kg.jour-1.ha-1 Cette quantité semble excessive. Ceci s’explique par les nombreuses limites du modèle expliquées ci-dessus. Cependant, cela montre qu’il est effectivement possible d’obtenir de grandes quantités de phosphore inorganique à partir de phosphore organique.

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Ainsi, l’utilisation de phosphore organique comme fertilisant des sols serait intéressant pour les agriculteurs des zones tropicales. Ceci pour deux raisons : la première s’explique par la difficulté de l’accès aux engrais minéraux. La seconde par la composition des sols tropicaux qui sont très riches en aluminium et en fer. Or, ces deux éléments influencent la concentration de phosphore en solution dans le sol par leur effet d’adsorption sur cet élément. Ainsi la biodisponibilité du phosphore pour les plantes est réduite. De plus, du fait de la forte pluviométrie dans ces zones tropicales, le lessivage du phosphore minéral est accentué. Ainsi, l’apport de phosphore par des engrais minéraux sur des sols tropicaux n’est pas efficace. En ce sens, l’apport du phosphore organique pour la fertilisation de ces sols semble être une alternative intéressante à l’apport d’engrais minéraux. En effet, le phosphore organique est hydrolysé par différentes enzymes présentes dans le sol afin de former des ions orthophosphates assimilables par la plante. Dans les sols tropicaux, nous pouvons émettre l’hypothèse que la quantité d’enzyme (phytases) présente dans le sol est importante du fait de la richesse de ces sols en eau et en MO. Ceci favorisant la présence de micro et macro faune. Comme nous l’avons vu précédemment, l’hydrolyse du Po est influencée principalement par le pH du sol et le pourcentage d’adsorption de l’enzyme. Dans les conditions d’un sol tropical le pH est acide (aux alentours de 5,5) et l’adsorption des phytases serait aux alentour de 50 à 80% suivant le taux d’argile. Le Pi est donc libéré suivant une cinétique enzymatique spécifique, c’est à dire en continue, ceci limitant les pertes par lixiviation. Nous pouvons donc imaginer que la quantité de Pi dissoute dans la solution du sol est alors plus importante (apport continu de Pi) et donc la biodisponibilité du Pi pour les plantes serait améliorée. Néanmoins, il serait intéressant de réfléchir sur le moyen de diminuer l’adsorption du Pi dans ces types de sol qui a une grande influence sur la quantité de Pi absorbable par les plantes. Afin de limiter la complexation des ions orthophosphates avec le fer et l’aluminium, il pourrait être intéressant de jouer sur la capacit�� d’échange ionique du sol (les ions du complexe adsorbant et ceux présents dans la solution du sol). En effet, un ajout d’anions pourrait permettre de piéger les cations (Al et Fe) ce qui permettrait une meilleure mobilité des ions orthophosphates. Pour conclure, la fertilisation organique des sols est une voix à creuser. En effet, une libération continue de Pi à partir de l’hydrolyse du Po permet d’éviter des excès localisés de phosphore, d’éviter les pertes par lixiviation (et donc les pollutions qui en résultent), et pour l’agriculteur d’éviter les passages répétés pour apporter dun phosphore inorganique. Cependant, il reste à élucider la thématique de l’apport. Faut-il apporter de la MO contenant du Po sachant que le sol en contient déjà une grande quantité, ou vaut il mieux apporter des phytases (et comment faire) ou apporter des composés libérant des anions capables d’éviter la complexation du Pi par les cations Al et Fe ?

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Bibliographie

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Paula Toshimi MATUMOTO-PINTRO. 1996 . Rôle des phytases dans l’utilisation du phosphore organique par les champignons ectomycorhiziens (Thèse) J. LOUCHE. 2009. Régulation de la sécrétion des phosphatases acides des champignons ectomycorhiziens et mobilisation de phosphore organique dans la rhizosphère des arbres forestiers. Clément MATHIEU & Françoise PIELTAIN. 2009. Analyse chimique des sols. G.K. ASARI & Co. 2009. Hydrolysis of Organic Phosphorus forms by Phytases and Phytases Producing Fungi of Arid and Semi Arid Soils of India. Dc R.R. LILIA. 2004. Gestion de la fertilité et de la fertilisation phosphatée des sols ferralitiques des hautes terres de Madagasar. B.L. Turner & Co. 2003. Organic Phosphorus in the environment. Markus Wyss & Co. Biochemical characterization if fungal Phytases: Catalytic properties. E. Le Cadre & Co. Rhizospher Phosphorus pools as affected bu intercropping. Centre ORSTOM de Nouméa. 1997. La rétention du phosphore dans les sols. GEORGE & Co. Interactions between Phytases and soil constituents : implications for Hydrolysis of Inositol Phosphates. A. Musy & Co. 1991. Physique du sol R. Calvet. 2003. Le sol, propriétés et fonctions - Volume I

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