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Doctorant (H/F) - Caractérisation physique du domaine d'activité microbiologique dans les sols

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : samedi 9 juillet 2022

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Informations générales

Référence : UMR7619-DAMJOU-002
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : samedi 18 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Damien Jougnot
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Ce sujet de thèse se propose de faire un travail de recherche faisant appel à des notions d'enzymologie, de microbiologie des sols et d'hydrogéophysique. Cette combinaison novatrice de disciplines a pour objectif de mieux comprendre comment les interactions entre microorganismes des sols et leur environnement influencent leur activité.

Contexte. Les sols agricoles sont au coeur des préoccupations sociétales actuelles. Alors que l'on cherche à réduire les émissions de gaz à effet de serre et/ou à les compenser, les sols agricoles en sont de substantiels émetteurs et leur stock de carbone diminue un peu partout dans le monde. Pour contrecarrer cette tendance, l'évolution des pratiques agricoles apparaît comme un enjeu majeur. Toutefois pour évaluer les impacts et évaluer l'efficacité de nouvelles pratiques agricoles, les modèles actuels de flux de carbone, développés à l'échelle de la parcelle, ne représentent pas de façon satisfaisante la biodégradation des matières organiques du sol (MOS) par les microorganismes. Les recherches menées sur la dynamique du carbone suggèrent que la stabilité du C dans les sols est davantage une propriété de l'écosystème (interactions avec la matrice minérale du sol, séparation spatiale entre organismes décomposeurs et MO...) qu'une propriété intrinsèque des molécules formant la matière organique (Schmidt et al., 2011). Ce serait donc vers les interactions entre la composante biologique et son environnement physico-chimique qu'il faudrait se tourner pour bien appréhender la dynamique du C dans les sols.
Il a été observé que la minéralisation des MOS est souvent linéaire avec la racine carrée du temps, typique de processus limités par la diffusion (Nunan, 2017). Dans ce cas de figure, les propriétés du milieu qui affectent les chemins de diffusion vers les organismes décomposeurs auront une influence profonde sur la minéralisation. Les chemins de diffusion varient en fonction de la connectivité et de la tortuosité de la phase fluide dans le réseau poral. Ce volume aqueux, connecté à un organisme décomposeur, peut être vu comme le « volume actif » du sol dans lequel certaines molécules organiques peuvent librement diffuser.

Objectifs scientifiques. Les objectifs de cette thèse sont d'évaluer expérimentalement l'hypothèse d'une limitation de la décomposition du C organique par la diffusion et de caractériser les propriétés de la phase fluide qui influencent la diffusion (distribution et connectivité de la teneur en eau dans le milieu) par des approches utilisées en hydrogéophysique (mesure de la tortuosité et connectivité électrique).

Problématique.
1. Limitation de la décomposition par la diffusion
La décomposition des MOS est catalysée par des enzymes d'origine microbienne (Schimel & Weintraub, 2003). Les enzymes du sol sont généralement adsorbées sur des surfaces et la cinétique d'enzymes immobilisées diffère significativement de celle d'enzymes libres qui, elles, suivent une cinétique de type Michaelis - Menten. En biotechnologie, où l'on cherche à immobiliser les enzymes afin de ralentir leur dénaturation (Chaplin & Bucke, 1990), des études ont montré que l'activité des enzymes immobilisées étaient modulées par le rapport entre la vitesse maximale de catalyse (exprimée par unité de surface) et la vitesse de diffusion du substrat, appelé le nombre de Damköhler (Chaplin & Bucke, 1990). Les caractéristiques cinétiques spécifiques des enzymes michaeliennes et des enzymes limitées par la diffusion devrait permettre de déterminer la part de la diffusion dans la régulation de la minéralisation des matières organiques des sols.
2. Caractérisation de la phase fluide
La diffusion effective en phase aqueuse est fonction de la tortuosité et de la connectivité de la phase fluide (Revil & Jougnot, 2008). Dans des milieux poreux, ces paramètres dépendent de l'interaction entre le degré de saturation et l'architecture du réseau poral (Jougnot et al., 2018). De plus, il a été montré que la distribution de la saturation ne dépend pas seulement de l'organisation du réseau poral mais aussi de la structure des pores et de la dynamique de la saturation (Maineult et al., 2018). Comme la connectivité du réseau poral et la connectivité de la phase aqueuse dans le réseau poral ne sont pas fortement reliées en conditions non-saturées, les chemins de diffusion ne sont pas bien décrits par des mesures de la géométrie (connectivité, tortuosité) du réseau poral, tel qu'on les obtient par tomographie à rayons-X.
La mesure de la résistivité électrique est une méthode géophysique non-intrusive (mesures en surface du milieu) et intégratrice (représentative d'un volume défini par l'écartement entre les électrodes) (e.g., Guérin, 2005). Elle peut être utilisée comme proxy pour déterminer la teneur en eau d'un milieu poreux et la connectivité de la phase aqueuse dans cette porosité (Jougnot et al., 2018). En utilisant les modèles pétrophysiques appropriés, il est possible d'estimer les coefficients de diffusion des différentes espèces ioniques dans le milieu à partir des mesures électriques (Revil & Jougnot, 2008 ; Jougnot et al., 2009). La résistivité électrique est une propriété du milieu poreux qui devrait être considérée comme un tenseur, tout spécialement dans le cas des milieux partiellement saturés où l'anisotropie est plus importante (Jougnot et al., 2018). La répétition de mesures de résistivité selon différentes configurations permet à la fois d'assurer un suivi temporel de ce paramètre et de son anisotropie, donc de l'évolution de la connectivité de la phase aqueuse (Maineult et al., 2018 ; Jougnot et al., 2019).

Méthodologie et démarche : La thèse comportera deux parties expérimentales : (1) mise en évidence d'une limitation de l'activité de décomposition par la diffusion et (2) caractérisation de la connectivité de la phase fluide. Les deux parties expérimentales utiliseront une gamme assez large de sols (entre 10 et 15 sols ayant des textures et des teneurs en C différentes) afin de vérifier la généricité des résultats obtenus.
1. Limitation de la décomposition par la diffusion. Dans les couches profondes du sol, les communautés microbiennes, et donc les sites de décomposition, sont plus dispersées qu'en surface (Nunan et al., 2002). Les distances entre les sites de décomposition sont, en moyenne, plus grandes et les chemins de diffusions des substrats plus longs. Nous faisons donc l'hypothèse que la diffusion imposera des contraintes plus fortes sur la décomposition des MO en profondeur qu'en surface. Cette hypothèse sera testée en apportant différentes concentrations d'un substrat marqué au 13C (isotope stable du carbone) à des cylindres de sol prélevés en surface et en profondeur, et en mesurant le taux de minéralisation en réponse à cet apport.
2. Caractérisation de la phase fluide. La récente application de la pétrophysique à l'approche hydrogéophysique a permis de grands progrès dans l'utilisation de mesures géophysiques, particulièrement la résistivité électrique, comme proxy de propriétés de transport en milieu poreux partiellement saturés en eau, notamment à travers la tortuosité de la phase aqueuse (e.g., Clennel, 1997). Nous utiliserons cette méthode, simple à mettre en oeuvre et rapide à mesurer (~1 s), pour relier la distribution de la résistivité électrique dans le milieu poreux et son anisotropie pour quantifier et suivre l'évolution des chemins de diffusion à différentes saturations en eau. Les mesures de résistivité électriques seront complétées d'une série de caractérisations pétrophysiques classiques (porosité, argilosité, tomographie de rayons X).

Références bibliographiques :
Chaplin, M.F., Bucke, C. (1990) Enzyme technology. Cambridge University Press, R-U.
Clennell, B. (1997). Tortuosity: A guide through the maze. Geological Society, London, Special Publications, 122(1), 299–344.
Davidson, E.A., Janssens, I.A. (2006) Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature 440, 165–173.
Guérin, R. (2005) Borehole and surface-based hydrogeophysics. Hydrogeology Journal, 13(1), 251-254.
Jougnot, D., Revil, A., Leroy, P. (2009) Diffusion of ionic tracers in the Callovo-Oxfordian clay-rock using the Donnan equilibrium model and the formation factor. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(10), 2712-2726.
Jougnot D., Jimenez-Martinez, J., Legendre, R., Le Borgne, T., Meheust, Y., Linde, N. (2018) Impact of small-scale saline tracer heterogeneity on electrical resistivity monitoring in fully and partially saturate d porous media: Insights from geoelectrical milli-fluidic experiments. Advances in Water Resources 113, 295–309.
Jougnot D., A. Mendieta, P. Leroy, A. Maineult (2019) Exploring the effect of the pore size distribution on the streaming potential generation in saturated porous media, insight from pore network simulations, Journal of Geophysical Research - Solid Earth, 124(6), 5315-5335, doi:10.1029/2018JB017240.
Juarez, S., Nunan, N., Duday, A.-C., Pouteau, V., Schmidt, S., Hapca, S., Falconer, R., Otten, W., Chenu, C. (2013) Effects of different soil structures on the decomposition of native and added organic carbon. European Journal of Soil Biology 58, 81–90.
Maineult, A., Jougnot, D., Revil, A. (2018) Variations of petrophysical properties and spectral induced polarization in response to drainage and imbibition: a study on a correlated random tube network. Geophysical Journal International 212(2), 1398–1411.
Nunan, N. (2017) The microbial habitat in soil: Scale, heterogeneity and functional consequences. Journal of Plant Nutrition & Soil Science 180, 425–429.
Nunan, N., Wu, K., Young, I.M., Crawford, J.W., Ritz, K. (2002) In situ spatial patterns of soil bacterial populations, mapped at multiple scales, in an arable soil. Microbial Ecology 44, 296–305.
Raynaud, X, Nunan, N. (2014) Spatial Ecology of Bacteria at the Microscale in Soil. PLoS ONE 9, e87217.
Revil, A., Jougnot, D. (2008). Diffusion of ions in unsaturated porous materials. Journal of Colloid and Interface Science, 319(1), 226-235.
Ruamps, L.S., Nunan, N., Chenu, C. (2011) Microbial biogeography at the soil pore scale. Soil Biology and Biochemistry 43, 280–286.
Ruamps, L.S., Nunan, N., Pouteau, V., Leloup, J., Raynaud, X., Roy, V., Chenu, C. (2013) Regulation of soil organic C mineralisation at the pore scale. FEMS Microbiology Ecology 86, 26–35.
Schmidt et al., 2011 Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature 478, 49–56.

Contexte de travail

Les travaux expérimentaux seront réalisés dans les laboratoires de deux unités mixtes de recherche (UMR), Metis et IEES Paris, toutes deux situées sur le Campus Pierre et Marie de Sorbonne Université. Les deux encadrants (D. Jougnot et N. Nunan) disposent déjà de tous les équipements nécessaires à la bonne réalisation du projet. La thèse s'inscrit dans le cadre du projet BIOMASS (BIOgeophysical characterization of Microbial Activity in SoilS), qui est financé par l'initiative MITI 80|PRIME du CNRS. La thèse interagira également avec le projet TERRA FORMA EQUIPEX, qui a démarré en 2022 et dont un work package est dirigé par D. Jougnot.

Contraintes et risques

Non applicable

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