Les molécules d’eau forment des ponts entre les minéraux et les hydrates de carbone pour retenir l’humidité, selon une étude
Des agriculteurs de longue date aux jardiniers amateurs, la plupart des amateurs de plantes savent que l’ajout de matière organique dans un champ, un potager ou un pot de fleurs augmente l’humidité du sol.
Pour la première fois, des scientifiques de l’université Northwestern ont découvert les mécanismes moléculaires qui permettent à la matière organique d’améliorer la capacité du sol à retenir l’eau, même dans des conditions désertiques.
Les glucides, composants clés des plantes et des microbes, agissent comme une colle moléculaire, utilisant l’eau pour former des ponts collants entre les molécules organiques et les minéraux du sol, a découvert l’équipe. Ces ponts retiennent l’humidité qui, autrement, pourrait s’évaporer. Cette découverte éclaire la manière dont les sols restent humides pendant les périodes de sécheresse et même comment l’eau a pu survivre pendant des milliards d’années piégée dans des roches extraterrestres, notamment sur Mars et dans des météorites.
« Une quantité adéquate de minéraux et de matière organique dans les sols permet d’obtenir des sols sains et bien hydratés », a déclaré Ludmilla Aristilde, de l’université Northwestern, qui a dirigé l’étude. « C’est quelque chose que tout le monde a déjà observé, mais nous ne comprenons pas encore parfaitement les principes physiques et chimiques qui sous-tendent ce phénomène. En comprenant ce mécanisme, nous pourrions potentiellement modifier la composition chimique des sols afin d’en faire des éponges à long terme qui préservent l’humidité. »
Experte en dynamique des matières organiques dans les processus environnementaux, Ludmilla Aristilde est professeure agrégée en génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern et membre du Center for Synthetic Biology, de l’International Institute for Nanotechnology et du Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Sabrina Kelch, récemment diplômée d’un doctorat, et Benjamin Barrios-Cerda, chercheur postdoctoral, tous deux issus du laboratoire d’Aristilde, sont respectivement les premier et deuxième auteurs de l’article.
Des ponts qui retiennent l’eau
Pour mener cette étude, l’équipe d’Aristilde a mélangé un minéral argileux commun (la smectite) présent dans les sols avec trois types de glucides : le glucose, l’amylose et l’amylopectine. Alors que le glucose est un glucide simple ou sucre, l’amylose et l’amylopectine sont des polymères complexes présents dans l’amidon, formés par la liaison entre des unités de glucose. L’amylose est une longue chaîne linéaire de glucose ; l’amylopectine est également une longue chaîne, mais elle présente des ramifications en forme d’arbre.
« Nous avons décidé d’utiliser des glucides comme type de matière organique, car ils sont présents partout », explique la chercheuse. « La cellulose, qui est le biopolymère le plus abondant sur Terre, est composée de glucose, et les plantes et les microbes sécrètent différents glucides, simples ou complexes, dans le sol. Nous avons également choisi les glucides car leur composition chimique est simple, ce qui évite de compliquer nos résultats avec certaines réactions secondaires. »
À l’aide d’une combinaison de simulations de dynamique moléculaire, de mécanique quantique et d’expériences en laboratoire, Aristilde et son équipe ont examiné les interactions à l’échelle nanométrique entre les minéraux argileux, les molécules d’eau et les trois types de composés glucidiques. Les scientifiques ont découvert que les liaisons hydrogène constituaient un mécanisme clé permettant aux argiles et aux glucides de retenir l’eau.
Force d’attraction faible, les liaisons hydrogène permettent aux molécules d’eau de « coller » ensemble pour former une gouttelette ou s’écouler à travers un robinet. L’équipe d’Aristilde a découvert que l’eau forme également des liaisons hydrogène avec la surface des minéraux argileux et des glucides, créant ainsi des ponts d’eau entre les deux entités. Ces ponts retiennent l’eau plus fermement, ce qui réduit le risque de perte par évaporation.
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« Lorsqu’une molécule d’eau est retenue par une liaison hydrogène avec un glucide et une liaison hydrogène avec la surface d’un minéral, cette eau a une forte énergie de liaison et reste coincée entre les deux éléments avec lesquels elle interagit », précise t-elle.
Les sucres complexes quintuplent la force des liaisons
À l’aide de simulations moléculaires, les chercheurs ont découvert que les molécules d’eau logées entre la surface du minéral argileux et les glucides avaient une énergie de liaison plus forte que l’eau liée à l’argile seule. En fait, les polymères de sucres complexes ont aidé l’argile à retenir l’eau jusqu’à cinq fois plus fortement que l’argile sans glucides associés. Même dans des conditions extrêmement sèches, l’eau liée à l’argile et aux glucides était beaucoup moins susceptible de s’évaporer et plus susceptible de rester piégée dans les nanopores de l’argile.
« Nous avons augmenté la température pour mesurer la perte d’eau en présence et en l’absence de glucides », a t-elle indiqué. « Par rapport à l’argile seule, il fallait des températures plus élevées pour que l’eau quitte la matrice en présence d’argile et de glucides. Cela signifie que l’eau était retenue plus fortement en présence de glucides. »
Les glucides ramifiés et à longue chaîne ont également empêché les pores de l’argile de s’effondrer complètement dans des conditions sèches. En général, lorsque l’argile sèche, ses pores nanométriques se rétrécissent à mesure que la perte d’eau augmente. Mais les glucides complexes peuvent empêcher l’effondrement complet des nanopores de l’argile. Cela peut aider à préserver la rétention d’humidité associée aux matières organiques piégées dans les
Les glucides ramifiés et à longue chaîne ont également empêché les pores de l’argile de s’effondrer complètement dans des conditions sèches. En général, lorsque l’argile sèche, ses pores nanométriques se rétrécissent à mesure que l’eau s’en échappe. Mais les glucides complexes peuvent empêcher l’effondrement complet des nanopores de l’argile. Cela peut contribuer à préserver la rétention d’humidité associée aux matières organiques piégées dans les pores pendant de longues périodes, y compris pendant les sécheresses.
Non seulement ces nouvelles informations nous aideront à comprendre les sols de notre propre planète, mais elles pourraient également fournir de nouvelles perspectives sur nos voisins du système solaire et au-delà.
« Même si notre objectif était de comprendre comment le sol terrestre conserve son humidité, les mécanismes que nous avons découverts ici pourraient avoir des implications pour la compréhension de phénomènes au-delà de notre planète », a conclu Ludmilla Aristilde. « Il y a beaucoup d’intérêt pour la manière dont cette relation entre les matières organiques et l’eau pourrait se manifester sur d’autres planètes, en particulier celles qui sont considérées comme ayant abrité la vie à une époque. »
Article : « Mechanisms of water retention at carbohydrate-clay interfaces » – DOI : 10.1093/pnasnexus/pgaf259
