L’agriculture contemporaine et les systèmes de gestion de l’eau font face à des défis majeurs : raréfaction des ressources, dégradation de la structure des sols et nécessité de réduire l’empreinte carbone liée aux intrants chimiques. Au cœur de ces problématiques, la compréhension des interactions entre les supports minéraux, comme la céramique, et les micro-organismes apparaît comme une voie prometteuse pour une gestion durable.
Évolution des pratiques de fertilisation et enjeux des matières résiduaires
À la demande des ministères en charge de l’agriculture et de l’écologie, l’Inra, le CNRS et Irstea ont mené une Expertise scientifique collective (ESCo) sur les effets agronomiques et environnementaux de l’épandage des matières fertilisantes d’origine résiduaire (effluents d’élevage, composts, boues…). Si l’épandage des déjections animales est une pratique multiséculaire, ce mode de fertilisation organique a évolué avec l’intensification des systèmes et la spécialisation des exploitations et des territoires. Au cours du 20e siècle, les engrais minéraux de synthèse sont venus compléter voire supplanter la fertilisation organique, en permettant une gestion plus aisée des principaux éléments fertilisants que sont l’azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K).
Plus récemment, le réemploi en agriculture de matières provenant de diverses filières de traitement des déchets domestiques et industriels s’est développé. Il répond à des enjeux d’amélioration du recyclage des déchets, de raréfaction à terme de certaines ressources (comme le phosphore) et de dégradation du taux de matière organique de certains sols cultivés. Aujourd’hui, l’épandage de Mafor, principalement des effluents d’élevage, concerne le quart des surfaces cultivées en France et 30% des surfaces en prairies.
La révolution des engrais microbiens et la protection par revêtement
La production d'engrais chimiques représente environ 1,5 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Les engrais chimiques sont fabriqués à l'aide d'un processus énergivore connu sous le nom de Haber-Bosch, qui utilise des pressions extrêmement élevées pour combiner l'azote de l'air avec de l'hydrogène. Pour surmonter cet obstacle, les ingénieurs chimistes du MIT ont mis au point un revêtement métal-organique (MPN) qui protège les cellules bactériennes des dommages sans entraver leur croissance ou leur fonction. Ce revêtement pourrait permettre aux agriculteurs d'utiliser plus facilement les microbes comme engrais, explique Ariel Furst.
Les revêtements contiennent deux composants - un métal et un composé organique appelé polyphénol - qui peuvent s'auto-assembler pour former une coquille protectrice. Les chercheurs ont constaté que ces revêtements protégeaient les bactéries contre des températures allant jusqu'à 50 degrés Celsius. En utilisant des microbes enduits du MPN le plus efficace, les chercheurs ont constaté que les microbes enrobés amélioraient le taux de germination des graines de 150 % par rapport aux graines traitées avec des microbes frais non enrobés.
Rôle de la céramique et des supports bactériens dans la filtration biologique
La filtration biologique repose sur des colonies bactériennes qui se développent dans la masse filtrante mais aussi dans le sol. Plusieurs types de bactéries interviennent successivement dans la prise en charge des déchets organiques : les premières colonies libèrent de l’ammoniac, toxique pour les poissons, tandis que les bactéries du genre Nitrosomas convertissent ces composés en nitrites, puis en nitrates.
Les bactéries réalisant le cycle de l’azote ont trois exigences : l’alimentation, l’oxygène et un support leur permettant de se fixer. Les tubes en céramique servent de support privilégié. Par exemple, lorsque vous nettoyez votre filtre et que vous disposez d'un tel support, vous pouvez vous permettre de nettoyer à fond la partie mécanique de votre filtration sans risquer de pic de pollution, car les colonies bactériennes sont préservées dans la céramique.
Le Cycle de l'Azote - Expliqué en 3 minutes !
Les Micro-organismes Efficaces (EM) : une technologie transversale
Les micro-organismes efficaces (EM) sont une association d'environ 80 espèces de micro-organismes aux effets extraordinaires et une palette d'applications très large. Ces microbes agissent par trois types d’actions : la fermentation, l’anti-oxydation et la transmission de vibrations. Dans leur rôle anti-oxydant, les EM compliquent la colonisation des surfaces par des agents pathogènes car ils maintiennent les surfaces occupées par de bons micro-organismes.
En dehors de la version liquide, les EM existent aussi en version poudre, encapsulés dans de la céramique. Les perles de céramique ont la capacité de purifier l’eau grâce à l'influence positive des micro-organismes sur la décomposition de la matière organique. Des recherches au laboratoire EDS ont montré qu'une perle de céramique plongée 5 minutes dans l’eau déminéralisée augmente sa valeur énergétique de 20%.
Application scientifique des engrais bio-organiques et santé des sols
Le biofertilisant bioorganique fait référence à un engrais microbien fermenté par des micro-organismes aux effets particuliers. Lorsqu'il est appliqué au sol, il peut fixer l'azote dans l'air, activer les nutriments du sol et améliorer la nutrition des plantes. Les engrais microbiens reposent sur l’action de micro-organismes pour augmenter la production, et leur efficacité dépend d’excellentes souches, d’inoculants de haute qualité et de méthodes d’application efficaces.
La croissance microbienne nécessite suffisamment d’eau, mais trop d’eau entraînera une mauvaise ventilation et affectera l’activité des micro-organismes aérobies. Il faut donc apporter suffisamment d’azote, de phosphore, de potassium et d’oligo-éléments. Par exemple, une quantité appropriée d'engrais phosphatés de calcium et de potassium est propice à la reproduction massive des micro-organismes. L'ajout d’engrais bioorganiques constitue la source la plus directe de matière organique du sol. Si l’apport d’engrais organique est ignoré lors de la fertilisation, cela détruira l'équilibre écologique du sol, et la fertilité du sol sera considérablement réduite.
Limites et précautions dans l'utilisation des agents biologiques
Bien que les effluents d’élevage et les boues d’épuration urbaines contiennent des éléments fertilisants, ils sont susceptibles de véhiculer des agents biologiques pathogènes. À ce jour, aucune étude publiée n’établit de lien causal entre épandage de Mafor et transmission de maladie animale. Cependant, la lente accumulation dans les sols de contaminants difficilement dégradables pourrait, sur le long terme, conduire à une contamination des sols difficile à maitriser.
De même, dans le domaine des revêtements antibactériens, l'usage de dioxyde de titane (TiO2) est débattu, l'Agence européenne des produits chimiques le considérant comme potentiellement cancérigène. Il existe pourtant d'autres options permettant de protéger contre les agents pathogènes sans s'exposer à des risques, comme les traitements à base de composés d'argent, qui fonctionnent même en l'absence de lumière. L'optimisation de l’usage des matières résiduaires nécessite donc une maîtrise des caractéristiques des matières « primaires » et des traitements appliqués, afin de garantir que les bénéfices agronomiques ne soient pas annulés par des risques environnementaux ou sanitaires.