Petites créatures, grandes actions: le rôle des coupeurs de feuilles dans l'effet de serre des néotropiques

Quelle créature est souvent associée dans la culture humaine au travail acharné, à l'endurance, à la collectivité et même à la responsabilité? Si vous avez pensé aux abeilles, alors vous avez raison, mais aujourd'hui ce n'est pas à leur sujet. Aujourd'hui, nous parlerons de fourmis, et non pas de «simples», mais de coupe-feuilles. Pourquoi avons-nous soudainement décidé de parler de certains insectes? N'y a-t-il pas quelque chose de plus important? Ne vous précipitez pas vers des conclusions, car ces petits bourreaux de travail qui travaillent avec diligence au profit de la colonie (sans injection intraveineuse de café) sans presque aucun repos ne jouent en aucun cas le dernier rôle dans la formation de l'ensemble de l'écosystème. C’est ce que cela signifie - petit, mais distant.

Plus précisément, les coupeurs de feuilles, comme les scientifiques l'ont découvert, produisent du N ₂ O (oxyde nitrique), dont le volume est de trois ordres de grandeur supérieur à celui généré par le réservoir de traitement des eaux usées. Ainsi, les coupe-feuilles jouent l'un des rôles centraux dans le mécanisme de l'effet de serre des néotropiques. Comment les scientifiques ont-ils effectué les mesures, qu'est-ce qu'ils ont réussi à découvrir exactement et que proposent-ils de faire avec les fourmis coupeuses de feuilles? Nous trouverons les réponses dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Un peu de myrmécologie

Les fourmis sont considérées comme l'une des familles les plus développées parmi les insectes. Leur colonie est un grand mécanisme vivant qui fonctionne sans aucun problème. À l'heure actuelle, il y a, pour une seconde, environ 14 000 espèces de fourmis, dont la plupart vivent dans les régions tropicales.



Les héros de l'étude d'aujourd'hui ne sont pas toute la famille, mais certains types de fourmis: Atta et Acromyrmex, qui sont mieux connus sous le nom commun de coupe-feuilles. Vous les avez probablement vus au moins dans un documentaire sur l'Amérique du Sud. Le nom de cette espèce parle assez directement de leurs principales caractéristiques, du moins celles qui sont immédiatement visibles par l'observateur. Les coupeurs de feuilles coupent littéralement des morceaux de feuilles à l'aide de leurs puissantes mâchoires supérieures (mandibules / mandibules) et les transfèrent dans leur colonie. Mais ils ne mangent pas directement de feuillage, ils en ont besoin pour l'agriculture. Oui, ces petits travailleurs acharnés sont de grands agriculteurs.

Dans les profondeurs de leur colonie, les coupe-feuilles écrasent les jardins fongiques qui se nourrissent, c'est-à-dire fertilisent avec des feuilles mâchées. Les plus grandes fourmis ouvrières ramassent le feuillage et les petites fourmis le mâchent et le compostent.


Un petit clip sur les coupe-feuilles.

Il convient également de noter la caractéristique inhabituelle de l'une des espèces étudiées, Acromyrmex. Ces fourmis sont «équipées» d'une glande qui produit le secret nécessaire à l'existence des bactéries Streptomyces. Cette bactérie est nécessaire aux fourmis comme «vaccin» contre les effets nocifs des champignons Escovopsis, qui sont une forme de mauvaise herbe parasite dans une ferme de champignons dans une fourmilière.


Streptomyces coelicolor incroyablement coloré.

Les caractéristiques de la coupe des feuilles et de l'agriculture sont prises en compte dans cette étude. Plus précisément, les chercheurs ont analysé les déchets de coupe-feuilles pour identifier des moyens jusque-là inconnus de traitement du N, ce qui conduit à la libération d'un grand volume de N ₂ O dans l'atmosphère, qui fait partie des gaz à effet de serre. Les déchets ont été analysés en termes de composition chimique et microbienne.

Préparation de l'observation

Des échantillons pour l'étude ont été collectés dans les forêts tropicales du Costa Rica (l'emplacement exact est appelé Piro Biological Station ). La principale caractéristique de cette région est la forêt mixte: une partie (primaire) est constituée de forêts intactes par l'homme, et la seconde (secondaire) est constituée de fourrés nouvellement cultivés sur le site de pâturages il y a 50 ans. L'altitude varie de 0 à 100 mètres. La température annuelle moyenne est d'environ 26 ° C et la pluviométrie moyenne atteint 3400 mm. Les conditions météorologiques au cours de l'année varient de la saison sèche (janvier à mars) à pluvieuse avec un pic en septembre et octobre.


Image n ° 1

Des échantillons ont été prélevés sur 22 colonies de fourmis de l'espèce Atta colombica, qui étaient situées sur une superficie de 4 km ² , affectant à la fois la zone primaire et la zone secondaire de la forêt. Les scientifiques ont enregistré les coordonnées de tous les points de prélèvement d'échantillons pour une analyse plus approfondie de la distribution des gaz à travers la zone autour des colonies. En outre, des mesures ont été faites de la superficie des colonies et des décharges, dans lesquelles plusieurs tuyaux (22 cm de diamètre) ont été placés à une profondeur de 3 cm, fermés sur le dessus avec des couvercles en PVC ventilés. Cela a été fait 10 minutes avant de prendre les images. Par la suite, la profondeur a été mesurée à laquelle les tuyaux se sont avérés après une certaine période d'essai. Ainsi, il a été possible de comprendre le taux de production de déchets.

Toutes les 10 minutes, des échantillons ont été prélevés pendant une demi-heure et placés dans des flacons pré-évacués de 10 ml.

Les échantillons ont été soumis à une analyse de gaz pour la présence de N ₂ O, CO ₂ et CH ₄ . Pour cela, un chromatographe en phase gazeuse avec un méthanateur, un détecteur à capture d'électrons et un détecteur à ionisation de flamme ont été utilisés.

Les échantillons (déchets et terre) ont été conservés à 48 ° C pendant 3 jours et analysés pour déterminer l'activité potentielle de l'enzyme de dénitrification.

Dénitrification * - réduction des nitrates en nitrites, puis en oxydes gazeux et azote moléculaire.

Les échantillons de 10 zones de clôture ont été combinés en un seul, qui a été divisé en aliquotes. En outre, une conduite de 90 minutes, ils ont été incubés avec ou sans ajout d'un échantillon de la surface des tas d'ordures.

Aliquote * - fraction multiple mesurée avec précision de l'échantillon.

Pour déterminer la biomasse microbienne, des échantillons de 8 grammes ont été prélevés 1 heure avant et 3 jours après le processus de fumigation au chloroforme. Au cours de l'analyse, une attention particulière a été accordée à la présence de carbone organique et d'azote dans les échantillons, ce qui a été aidé par l'analyseur Shimadzu TOC-V CPN / TNM-1.



Résultats d'observation


Image n ° 2

Les émissions de N ₂ O des tas d'ordures de fourmis Atta colombica variaient considérablement: de 180 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 à 89000 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 ( 2a ). Ces mesures sont en excellent accord avec les observations dans un véritable écosystème, c'est-à-dire dans la nature. Ainsi, la valeur moyenne du gaz produit est de 11200 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 .

m ^-2 h ^-1 * - par mètre carré par heure.

La figure 2b présente une comparaison de la génération N ₂ O de tas d'ordures de coupe-feuilles et de structures anthropiques (conçues ou entretenues par l'homme): lagunes anaérobies, stations d'épuration, etc. Et comme le montre cette comparaison, les coupe-feuilles chargés de générer du N ₂ O s'en sortent beaucoup mieux.

Le volume de gaz produit par les tas d'ordures est très différent de ce que les scientifiques ont observé dans la forêt primaire et secondaire. Lorsque les émissions de tas d'ordures ont atteint leur pic en juin 2017 au début de la saison des pluies, le volume de N ₂ O de la colonie voisine ne différait pas significativement des forêts environnantes (primaire et secondaire) et s'élevait à environ 67 mg (images 1b et 2a ). Le volume de N ₂ O produit par la forêt elle-même entourant la colonie de fourmis était de 11 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 , le taux annuel moyen n'était généralement que de 2 mg.

Les chercheurs notent que la nitrification et la dénitrification, qui sont très sensibles à la pression partielle d'oxygène et à l'apport de substrat, sont les processus microbiens les plus importants dans la production de protoxyde d'azote. Par conséquent, la structure des tas d'ordures de fourmis devrait avoir certaines caractéristiques qui augmentent la production de N ₂ O.


Image n ° 3

Et une telle caractéristique a été découverte, à savoir une concentration accrue de N et un rapport réduit de C: N (carbone et azote) dans les ordures tombant dans la décharge - 13,5 + 1 ( 3f , 3e ). Cela vaut la peine de le comparer avec le rapport C: N dans les tissus du feuillage vert (21 + 5) et du feuillage tombé (32–42).

Et ici, la logique habituelle aide à se rapprocher un peu plus de la solution: le feuillage couvre suffisamment la surface de la terre dans la forêt, tandis que les fourmis le tirent dans une petite zone, augmentant ainsi la concentration des déchets organiques. Une analyse des données a montré que la concentration d'azote dans les tas est 5 fois plus élevée que dans la litière de la forêt environnante. Dans le même temps, une concentration incroyablement élevée de NH ₄ (500 fois plus élevée) et une très faible concentration de NO3 ^- ( 3g , 3h ) ainsi que des signes d'anoxie sont des facteurs de dénitrification et non de nitrification, en tant que principal mécanisme de production de N ₂ O.

L'anoxie, c'est-à-dire l'absence d'oxygène, est également confirmée par une concentration élevée de méthane (CH ₄ ) - de 0,01 à 250 mg de CH ₄ -C m-1 h-1. Étant donné que la méthanogenèse à un pH de 5,5, tout comme dans les tas d'ordures, est nettement moins efficace que la dénitrification. Cela suggère que les potentiels redox des déchets peuvent être considérablement réduits. En comparant l'activité potentielle de l'enzyme de dénitrification dans les tas et dans la litière forestière environnante, les scientifiques ont découvert qu'en tas, ce chiffre est 25 fois plus élevé ( 3d ).

Ainsi, nous pouvons conclure que les tas d'ordures de coupe-feuilles sont un "mécanisme" très bien coordonné de production de CO ₂ , CH ₄ et de protoxyde d'azote, en raison de la présence de certains facteurs: une grande quantité de biomasse microbienne, la disponibilité du substrat, des conditions abiotiques idéales, etc. La seule chose qui n'est pas claire est la différence de quantité de N ₂ O produite entre les différents tas d'ordures. En d'autres termes, les facteurs ci-dessus pour différentes décharges sont presque identiques. Les scientifiques pensent que la différence de l'indice de N ₂ O peut dépendre, pour ainsi dire, de facteurs plus internes: la structure individuelle des tas d'ordures: le microclimat, l'influence d'autres organismes vivants, la qualité des aliments, les changements dans la biomasse microbienne, l'état de la colonie (individus), etc.


Image n ° 4

De plus, les chercheurs ont rassemblé les indicateurs suivants: le volume de N ₂ O produit par les coupe-feuilles, la superficie des tas d'ordures, la densité des tas d'ordures à la fois dans les forêts primaires et secondaires et dans les zones frontalières. La combinaison de ces données permet de comprendre comment globalement la production de coupe-feuilles N ₂ O affecte l'atmosphère et l'écosystème des néotropiques.

Et maintenant pour la partie amusante. Environ 0,01 à 0,35 kg de N ₂ ON est produit par hectare carré par an dans le tas de coupe-feuilles avec une densité moyenne de 1,2 par hectare. Et cela représente 200% de la production de N ₂ O par la litière de la forêt elle-même (primaire).

Les chercheurs notent que dans la nature, des sauts dans la production de N ₂ O se produisent périodiquement en raison de changements brusques dans l'écosystème (conditions météorologiques, par exemple). Cependant, dans les tas de coupe-feuilles, la température reste assez stable tout au long de l'année. Et des pluies très fréquentes apportent en outre de la matière organique humide enrichie en azote aux tas, ce qui contribue à la production d'un grand volume de N ₂ O.

La «migration» des colonies de coupe de feuilles dans la forêt joue également un rôle important. Déménageant vers un nouvel endroit, les fourmis quittent à la fois la colonie et la décharge, qui se décompose en 1 an. Cependant, même après cela, une concentration accrue d'azote reste dans le sol. Et cela suggère que même les tas de déchets abandonnés continuent de générer du N ₂ O, déjà sans la participation de leurs anciens hôtes de fourmis.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche et ses documents complémentaires .

Épilogue

La principale conclusion de cette étude est le fait que l'activité vitale des coupeurs de feuilles joue un rôle important dans la formation de l'écosystème de toute la région. Les décharges de coupe-feuilles sont des structures uniques aux caractéristiques chimiques inhabituelles qui, ensemble, contribuent à la production massive de N ₂ O.

Grâce à leurs travaux, les scientifiques prouvent une fois de plus combien peut être l'influence des petits organismes sur l'environnement. Tout dans la nature est interconnecté. Mais parfois, nous ne comprenons pas complètement comment et où cette connexion apparaît et ce qu'elle affecte. Eh bien, grâce à cette étude, nous en savons un peu plus sur notre vaste et mystérieux monde.



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