Contribution des microbes phototrophiques à la fixation de carbone des tourbières dans un contexte de changement climatique

Contribution of phototrophic microbes to peatland carbon uptake in a changing climate

• Auteur / Autrice : Samuel Hamard
• Direction : Régis Céréghino, Vincent Jassey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 11/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Julien Cucherousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Zinger, Cécile Lepère
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Lauga, Télesphore Sime Ngando

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Tourbières

Mots clés libres

Microbe phototrophique

Tourbière

Production primaire

Changement climatique

Structure des communautés

Cycle du carbone

Phototrophic microbe

Peatland

Primary production

Climate change

Community structure

Carbon cycle

Résumé

Tous les écosystèmes sur Terre dépendent de la production primaire qui converti du carbone (C) inorganique en matière organique et en biomasse. Les microbes phototrophiques sont omniprésents dans les écosystèmes terrestres, et des estimations globales montrent qu'ils contribuent en moyenne à 6% de la fixation de C des écosystèmes. Ces estimations restent cependant grossières, et cette contribution microbienne est sous-étudiée dans de nombreux systèmes, incluant ceux qui stockent du C comme les tourbières nordiques. La prise en comptes des microbes phototrophiques pourrait compléter notre vision actuelle des dynamiques du C dans les tourbières et pourrait aussi remettre en question nos prédictions de leurs réponses aux changements climatiques. L'enjeu est grand car les tourbières nordiques jouent un rôle majeur dans le cycle global du C. Elles pourraient relâcher d'énormes quantité de carbone à cause du changement climatique, avec des conséquences dramatiques sur le réchauffement. Dans ces travaux, nous avons voulu apporter une nouvelle pièce dans la compréhension de la dynamique du C des tourbières en explorant les communautés de microbes phototrophiques, leurs activités photosynthétiques et leurs réponses au changement climatique. Nous avons trouvé que les microbes phototrophiques sont extrêmement abondants et diversifiés dans les tourbières nordiques, et que la structure de leurs communautés est régie par des facteurs environnementaux comme la microtopographie, la disponibilité en eau ou la composition des plantes. En particulier, nous avons trouvé un rôle clé des sphaignes - mousses des tourbières - et de leurs métabolites dans la détermination et la structure des réseaux trophiques microbiens incluant des microbes phototrophiques spécifiques. Dans l'ensemble, nous avons montré que les microbes phototrophiques fixent des quantités importantes de C, 11 µgC.h- 1.cm-3 en moyenne, ce qui représente 9% de la production primaire des tourbières. Malgré des différences structurelles, nous avons trouvé que différentes communautés phototrophiques répondent de manière similaire au changement climatique, ce qui souligne une forte similarité et redondance fonctionnelle parmi les microbes phototrophiques. Une augmentation des températures stimule la photosynthèse microbienne de presque 20% par degré. Une saisonnalité existe cependant dans cet effet, dépendant de l'humidité du sol. Les gains dus à des températures plus élevées peuvent s'estomper quand les sphaignes sont trop sèches ou trop humides. Ces résultats révèlent la vulnérabilité de la dynamique du C des tourbières à des changements de température et de régime des précipitations. Dans l'ensemble, nos résultats montrent l'importance des microbes phototrophiques comme producteurs primaires dans les tourbières nordiques. En combinaison avec des études récentes, montrant que les microbes phototrophiques peuvent stimuler les activités hétérotrophiques et la décomposition de la tourbe, nos résultats apportent des informations nouvelles et inquiétantes dans la compréhension due la dynamique du C des tourbières et sa réponse aux changements climatiques. Notre travail souligne le besoin urgent d'étudier plus en détail les microbes phototrophiques dans les tourbières nordiques.

All ecosystems on Earth depend on primary production, which converts inorganic carbon (C) into organic compounds and living biomass. In terrestrial systems, phototrophic microbes are widespread, and recent global estimates show that they contribute on average to approximately 6% of ecosystem C uptake, in addition to plants. These estimates are however rough, and microbial contribution remains underexplored in many terrestrial systems, including C-accreting systems such as northern peatlands. Considering the functional role of phototrophic microbes could alter our current view of peatland C dynamic and deeply question our prediction of peatland C sink under climate change. This challenge is worthy because northern peatlands play a major role in the global C cycle, and their response to climate change could release the majority of warming-induced soil C loss over the next century, with dramatic consequences for the global climate. To bring a new piece in the understanding of peatland C dynamic, we explored phototrophic microbial communities, their activity and their response to climate change. We found that phototrophic microbes are extremely abundant and diverse in northern peatlands and that environmental drivers such as microtopography, water availability, or plant composition shape their community structure. In particular we found a key role of peat mosses, Sphagnum, and of their metabolites in determining and structuring the microbial food web and the place of specific phototrophic microbes. Overall, we showed that phototrophic microbes fix significant amounts of C, on average 0.11 µgC.h-1.cm-3, which represents 9% of peatland primary production. Despite structural differences, we further found that different phototrophic microbial communities respond similarly to climate change, emphasizing the strong functional similarity and redundancy among phototrophic microbes. Rising temperatures stimulate microbial photosynthesis of up to nearly 20% per degree gained, but we found a seasonality in these effects, according to soil moisture content. Benefits of warmer temperatures can flip to neutral when Sphagnum moisture is either too dry or too moist. These results reveal the vulnerability of peatland C dynamics to changes in temperature and precipitation patterns. Altogether, our result show the importance of phototropic microbes as primary producers in northern peatlands. Combined with recent studies showing that phototrophic microbial organic matter can stimulate heterotrophic activities and peat decomposition, our results bring a new and worrying piece in the understanding of peatland C dynamic and its evolution under future climates. Our results highlight the urgent need to focus more intensely on the unseen phototrophic microbes in northern peatlands.