Emissions of nitrous oxide by tropical soil macrofauna : impact of feeding guilds and licrobial communities involved / Muhammad Zeeshan Majeed ; sous la direction de Alain Brauman

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Monoxyde d'azote

Écologie des sols

Écologie microbienne

Sols -- Érosion -- Régions tropicales

Environnement -- Évaluation du risque

Brauman, Alain (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Université des sciences et techniques de Montpellier 2 (1970-2014) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Résumé / Abstract : Les sols représentent environ 63% des émissions de N2O et à eux seuls les sols tropicaux représentent 23% de ce budget soit une contribution bien plus élevé que les sols tempérés. Ces sols sont connus pour abriter une grande biodiversité d'invertébrés dominés par quatre types i.e. termites, vers de terre, fourmis et larves de scarabaeid. Ces groupes macrofaunal sont considérés comme des ingénieurs des sols via notamment leurs actions de régulation de la disponibilité des ressources chimiques, tels que l'azote minéral pour les micro-organismes. Cette régulation est due à leurs capacités de digestion spécifiques de la matière organique ainsi que la création et/ou la modification des habitats des sols. Cette étude est basée sur l'hypothèse suivante (i) l'environnement digestif et les structures biogéniques de ces ingénieurs du sol sont considérées comme des « hot spot » d' émissions de N2O (ii) les taux d'émission de N2O varient en fonction de leurs régimes alimentaires, cette macrofaune ingérant des substrats avec différents C:N (iii) le taux d'émission de N2O de chaque invertébré est corrélé à la densité des communautés bactériennes digestives impliquées dans l'émission de N2O (bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes) et à leur teneur en azote minéral dans leur tube digestif. Pour évaluer ces différentes hypothèses, des mesures des taux d'émission de N2O ont été effectuées in vitro en aérobiose pour la macrofaune (30 espèces différentes en provenance d'Afrique, d'Amérique du Sud et d'Europe) et leurs matériels biogéniques associées (nids, turricules). L'abondance des gènes fonctionnelles des bactéries nitrifiantes (AOA et AOB) et dénitrifiantes (nirK, nirS, nosZ) ont été quantifiés par PCR quantitative. Les termites humivores et champignonnistes ainsi que les larves de scarabaeid émettent des quantités significatives de N2O alors que les fourmis n'en émettent pas. Quand aux termites xylophages et litièrivore, ils absorbent le N2O. Les structures biogéniques des vers de terre (turricules) et des fourmis (nid) émettent des quantités importantes de N2O ce qui n'est pas le cas des nids de termites. La faune du sol et leurs structures biogéniques associées, sont donc, dans la majorité des cas étudiés, un lieu d'émission de N2O, confirmant ainsi notre première hypothèse. Ce travail a également démontré qu'il y a avait une étroite corrélation entre régime alimentaire et intensité de l'émission de N2O au sein de chaque type de macrofaune étudié. En revanche, l'abondance des gènes des communautés digestive nitrifiantes et dénitrifiantes et le contenu en N minéral au sein du tube digestif ne semblent pas être des proxies pertinents des émissions de N2O. A partir de ces mesures, des calculs ont été effectuées pour déterminer l'importance de ces émissions à l'échelle des écosystèmes tropicaux étudiés (forêt et savane). Ces calculs suggèrent que la macrofaune du sol dans ces écosystèmes pourrait contribuer entre 0,1 à 11,7% et 0,1 à 8,8% du budget total des émissions de N2O, respectivement. Les résultats de ces travaux devraient contribuer à une meilleure prise en compte de la composante biotique dans la modélisation des émissions de gaz à effet de serre provenant des sols en milieu tropical.

Résumé / Abstract : Soils account for about 63% of N2O emissions. Tropical soils are estimated to emit 23% of global N2O emission budget which is much higher than temperate soil N2O emissions. These soils also harbor a huge biodiversity of invertebrates dominated by four types of macrofauna i.e. termites, earthworms, ants and scarabaeid grubs. These macrofaunal groups are considered as soil engineers because they regulate the availability of chemical resources, like mineral nitrogen, for the microorganisms via their specific digestion capabilities and/or by creating and modifying soil habitats. This study is based on the following hypothesis (i) the gut environment or biogenic structures of these soil engineers are considered as hotspots of N2O emission (ii) the N2O emission rates will vary according to their feeding behavior as these macrofauna thrive on diverse substrates with different C:N ratio (iii) the rate of N2O emission in each soil fauna will also depend on the gut density of the bacterial communities involved in the N2O emission (nitrifiers and denitrifiers) and on the mineral nitrogen content within the gut. To assess these different hypotheses in-vitro short-term N2O emission rates were assessed for either live macrofauna (30 species collected from Africa, South America and Europe) or their biogenic materials or both under aerobic incubations. Genes abundance of nitrifiers (AOA and AOB) and denitrifiers (nirK, nirS, nosZ) were quantified by real time quantitative PCR. Soil-feeders and fungus-growing termites and scarabaeid grubs emitted in-vivo N2O while ants did not. Surprisingly, wood- and grass-feeding termites revealed an uptake of N2O. Biogenic structures of earthworms and ants emitted substantial amount of N2O while those of termites did not. The emission difference between macrofauna or their biogenic materials and their control materials was significant for most of the macrofaunal groups studied confirming our first hypothesis. We also confirmed that the feeding behavior (total N content and C:N ratio of food material) is the main factor explaining the observed N2O emission pattern of each macrofaunal group investigated whereas genes abundances, particularly of denitrifiers and gut N mineral content did not appear to be relevant proxies of the N2O emissions rates. A back-on-the-envelope data upscaling suggests that soil macrofauna could contribute from 0.1–11.7% and 0.1–8.8% of the total soil N2O emissions, respectively, for the tropical rainforest and dry savanna ecosystems. This work should contribute to a better estimation of the soil biotic compartment in the different models of greenhouse gas emissions from tropical soils.