Une nouvelle découverte sur la bactérie comammox pourrait aider à réduire les émissions d’oxyde nitrique dans l’agriculture

Une équipe de recherche internationale dirigée par le Centre de microbiologie et de science des systèmes environnementaux (CeMESS) de l’Université de Vienne a découvert que les bactéries comammox, identifiées pour la première fois en 2015, peuvent se développer en utilisant la guanidine, un composé organique riche en azote, comme seule source d’énergie et d’azote. Cette capacité unique ouvre de nouvelles perspectives pour la culture ciblée de ces microbes énigmatiques et pourrait également fournir une solution pour réduire les émissions d’oxyde nitrique dans l’agriculture.

Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la revue Nature.

La nitrification, c’est-à-dire la conversion de l’ammoniac via les nitrites en nitrates, est réalisée par des micro-organismes spécialisés appelés nitrificateurs. Ce processus est extrêmement important pour le cycle biogéochimique global de l’azote dans pratiquement tous les écosystèmes, mais il joue un rôle ambivalent dans le changement global.

D’une part, la nitrification contribue à l’émission de protoxyde d’azote, un gaz à effet de serre puissant et une substance appauvrissant la couche d’ozone, et entraîne des pertes massives d’engrais dans l’agriculture, ce qui entraîne l’eutrophisation des plans d’eau. D’autre part, la nitrification est indispensable en tant qu’étape de purification biologique pour l’élimination des nutriments dans les stations d’épuration des eaux usées, protégeant ainsi les plans d’eau d’un apport excessif d’azote provenant des eaux usées. Les auteurs de l’étude ont maintenant trouvé un moyen de promouvoir les nitrificateurs dans l’environnement qui émettent moins de protoxyde d’azote.

Nitriteurs « verts »

Les bactéries Comammox sont considérées comme des nitrificateurs « verts » car, contrairement à de nombreux autres nitrificateurs, elles ne produisent que de petites quantités de protoxyde d’azote comme sous-produit de leur métabolisme et éliminent efficacement les composés azotés des eaux usées dans les stations d’épuration. Depuis la découverte des nitrificateurs au 19e siècle, on pensait que ces micro-organismes ne pouvaient respirer que de l’ammoniac et de l’urée. En 2015, les groupes de recherche dirigés par Michael Wagner et Holger Daims ont démontré que certains nitrificateurs pouvaient également utiliser le cyanate chimiquement instable pour leur métabolisme énergétique.

« Dans l’article récemment publié, notre équipe a maintenant montré que les bactéries comammox peuvent également se développer avec un substrat non conventionnel, la guanidine », explique Marton Palatinszky, premier auteur de l’étude. « Les bactéries comammox utilisent un transporteur et une enzyme, que nous avons caractérisés en détail sur le plan structurel et fonctionnel, qui leur permettent de produire de l’ammonium à partir de la guanidine de manière très économe en énergie au sein de la cellule. »

La guanidine est un produit métabolique des micro-organismes et des plantes. On sait peu de choses sur son rôle dans le métabolisme humain et animal. Elle se forme dans les sols lors de la dégradation des engrais synthétiques et dans les eaux usées lors de la dégradation de la metformine, un médicament couramment utilisé. On sait cependant peu de choses sur la distribution et la transformation ultérieure de la guanidine dans l’environnement.

L’équipe de recherche internationale, composée de microbiologistes du Centre Helmholtz de recherche environnementale de Leipzig (Allemagne) et de l’Université d’Aalborg (Danemark), a démontré que la guanidine est présente non seulement dans l’urine humaine mais aussi dans les excréments du bétail et que les bactéries comammox utilisent la guanidine dans les stations d’épuration des eaux usées. Ils ont également montré que la guanidine est métabolisée par les nitrifiants dans les sols agricoles.

De nouvelles opportunités pour la culture et la réduction du protoxyde d’azote

Les microbiologistes viennois tentent désormais d’enrichir et d’isoler la bactérie comammox, très répandue, à partir d’échantillons environnementaux en utilisant de la guanidine, car une seule souche est actuellement disponible en culture pure dans le monde.

« Cela semble particulièrement prometteur, car aucune des autres souches nitrifiantes que nous avons testées ne pouvait pousser avec la guanidine comme seule source d’énergie et d’azote », explique Katharina Kitzinger, chercheuse principale au CeMESS. L’équipe souhaite également déterminer si l’ajout de guanidine aux engrais agricoles pourrait augmenter l’abondance des bactéries comammox dans les sols arables, réduisant ainsi les émissions d’oxyde nitrique agricoles.

« Ce travail n’aurait pas été possible sans l’étroite collaboration de nombreux chercheurs impliqués dans le cluster d’excellence « Microbiomes Drive Planetary Health », lancé en 2023. Nous adressons nos sincères remerciements au Fonds autrichien pour la science (FWF) pour ce soutien particulier », déclare le responsable de l’étude Wagner.