Mieux comprendre la réponse des forêts boréales aux changements climatiques

Le rôle insoupçonné du vanadium dans les écosystèmes nordiques

Forêt boréale québécoise.
Forêt boréale québécoise.

Photo : Fournie par Jean-Philippe Bellenger

Une recherche collaborative menée par l’Université de Sherbrooke et les universités de Princeton et Duke aux États-Unis révolutionne notre compréhension des liens existant entre les cycles des métaux dans l’atmosphère et le cycle de l’azote. C’est par l’étude de lichens échantillonnés dans le Nord québécois que les chercheuses et chercheurs ont réussi à démontrer que le vanadium est, contrairement à ce qu’on croyait jusqu’alors, d’une grande importance dans la fixation biologique de l’azote, un nutriment essentiel à la croissance des plantes.

Les plantes sont essentiellement faites de carbone, et un bon apport en azote évite au carbone qui les compose d’être libéré dans l’atmosphère sous forme de CO2.

Les forêts boréales couvrent environ 20 % des continents, supportent approximativement 15 % de la biomasse forestière terrestre et stockent une quantité substantielle de carbone dans leurs sols. La disponibilité en azote, un nutriment essentiel à la croissance des plantes, va fortement influencer la réponse des forêts boréales aux changements climatiques au cours des 100 prochaines années. Notre capacité à prédire avec précision le devenir du carbone dans l’écosystème boréal et arctique est donc intimement liée à notre compréhension des mécanismes responsables de l’entrée et du devenir de l’azote dans ses écosystèmes.

La principale source d’entrée d’azote pour les forêts boréales est la fixation biologique de l’azote qui est réalisée par des microorganismes, principalement des cyanobactéries formant des associations avec des lichens et des mousses. Cette réaction biologique transforme l’azote de l’air, constituant près de 80 % de notre atmosphère, en ammonium biodisponible pour nourrir les plantes. Le molybdène, un métal lourd utilisé en sidérurgie, est essentiel au fonctionnement de la nitrogénase, l’enzyme responsable de la fixation biologique de l’azote. Or le molybdène est un métal très rare dont la disponibilité limite l’activité de la nitrogénase en milieu terrestre. Cette limitation de l’entrée d’azote a donc un impact important sur la croissance végétale et sur le stockage de carbone dans les sols boréaux.

Le rôle du vanadium dévoilé

Marie Renaudin, étudiante auprès de Pr Jean-Philippe Bellenger et co-auteure de l'étude,, collecte du lichen dans le Nord québécois.
Marie Renaudin, étudiante auprès de Pr Jean-Philippe Bellenger et co-auteure de l'étude,, collecte du lichen dans le Nord québécois.

Photo : Romain Darjanoux

L’étude du Pr Jean-Philippe Bellenger et de ses collègues américains, publiée dans la prestigieuse revue scientifique Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), a démontré que le vanadium est un métal crucial qui aide à soutenir la fixation biologique de l’azote lorsque la disponibilité du molybdène est insuffisante.  À l’aide de lichens collectés le long d’un transept sud-nord de 600 km en forêts boréales québécoises, les auteurs ont découvert que le vanadium contribue à hauteur de 15 à 50 % à la fixation biologique de l’azote chez ces organismes modèles. Cette contribution est plus importante au nord du Lac-Saint-Jean, et en fin de saison (fin d’été ˗ début d’automne). Finalement, l’étude a permis d’identifier une quantité minimale en molybdène (soit environ 250 nanogrammes de molybdène par gramme de lichen) en deçà de laquelle le vanadium devient important pour la fixation biologique d’azote. La démonstration de l’existence de ce seuil a permis aux auteurs d’extrapoler les résultats de cette étude à l’ensemble de la ceinture boréale et d’autres écosystèmes. En effet, les lichens sont utilisés comme des bio-indicateurs de la qualité de l’air, et la littérature sur les contenus en métaux des lichens est abondante. L’analyse de cette littérature révèle que les contenus en molybdène des lichens sont souvent en deçà du seuil de 250 nanogrammes de molybdène par gramme de lichen sur l’ensemble de la ceinture boréale, suggérant un rôle important du vanadium sur l’ensemble des milieux nordiques.

Des résultats qui changent la donne

Ces résultats sont importants, car ils modifient de manière profonde notre compréhension des liens existant entre les cycles des métaux et le cycle de l’azote. Le vanadium est un métal qui, en milieu continental, n’a pas de fonction biologique majeure connue et qui a été principalement étudié pour sa toxicité. La découverte de son importance pour la fixation biologique de l’azote démontre que c’est un métal précieux pour la biosphère boréale continentale. La contribution du vanadium à la fixation biologique de l’azote remet également en question la validité des estimations de la quantité d’azote apportée aux écosystèmes nordiques, car les méthodes actuelles de mesure sous-estiment l’activité de l’enzyme au vanadium. Les résultats de l’étude montrent que les entrées d’azote pourraient en réalité être 30 % plus élevées qu’actuellement estimé. Ces erreurs sont significatives si l’on considère les faibles entrées d’azote dans les milieux nordiques (quelques kilogrammes par hectare et par année) et leurs importances pour la réponse de ces écosystèmes aux changements climatiques globaux.

L’influence humaine

L’étude implique également que les humains influenceraient directement le fonctionnement des écosystèmes naturels en fournissant de nouveaux flux de métaux d’origine anthropique, tels que les pollutions causées par l’exploitation des sables bitumineux qui sont enrichis en molybdène et vanadium. « L’étude suggère que la dépendance des écosystèmes boréaux au vanadium aurait été plus élevée à l’époque préindustrielle, lorsque les niveaux de dépôt atmosphérique en métaux d’origine anthropiques étaient plus faibles. Cela sous-entend également que les politiques de contrôle de la pollution atmosphérique qui ont conduit à la baisse récente des dépôts atmosphériques en métaux lourds, comme le Clean Air Act aux États-Unis, pourraient contribuer à maintenir la limitation en molybdène et la dépendance de la fixation biologique de l’azote au vanadium dans les forêts de hautes latitudes », explique Romain Darnajoux, premier auteur de l’article, ancien doctorant en chimie à l’Université de Sherbrooke dans le laboratoire du Pr Jean-Philippe Bellenger et actuellement postdoctorant à l’université de Princeton.

La collaboration pour remettre en question nos connaissances

Cette étude est le point d’orgue d’une recherche collaborative et multidisciplinaire de près de 20 ans sur le rôle de la nitrogénase au vanadium sur la fixation biologique de l’azote en milieux naturels. « Cette publication est la conclusion d’un travail de longue haleine, qui a impliqué de nombreux chercheurs et chercheuses de disciplines scientifiques variées, comme la biogéochimie, la géomicrobiologie, la chimie analytique et l’écologie, indique le Pr Bellenger. C’est un travail qui démontre que, lorsque l’on n’hésite pas à défier les conventions et que l’on surpasse les frontières entre les disciplines, nous sommes capables de nous attaquer à des questions complexes qui font avancer de manière significative la compréhension de notre environnement. La multidisciplinarité n’est pas juste un mot à la mode, c’est une nécessité en science environnementale moderne. La multidisciplinarité est indispensable à l’avancement des connaissances sur le fonctionnement de notre planète dans toute sa complexité. »