II. — Ferments nitrificateurs

Q.uand le travail d'humificatîon est à peu près terminé, les matières azotées de Thumus deviennent la proie des ferments nitrificateurs. Elles entrent alors dans la phase de minéralisation, qui comporte trois ordres de phénomènes distincts : lammonisation, la nitrosation^ la nitratation.

(i) Dehbrain : Traité de chimie agricole^ p. 783.

Entre les métamorphoses extrêmes, nous rencontrons invariablement les mêmes états de transformation. A la fermentation ammoniacale succèdent les fermentations nitreuse et nitrique. Chacune de ces phases étant placée sous la dépendance de celle qui la précède immédiatement, il est impossible d'en excepter une sans paralyser les autres, sans enrayer la marche normale de la nitrification (i) qui symbolise, à nos yeux, la série des métamorphoses que doivent subir les matières organiques azotées pour passer à la forme nitrique. En somme, dans ce cycle merveilleux, toutes les étapes sont marquées au passage par le corps évolutif qui va d'un état à Tautre sans jamais en sauter deux à la fois.

Cette étroite subordination ressort manifestement des expériences faites par M. Ombuansky {Archives des Sciences biologiques russes, année 1899).

Les ferments nitreux et nitriques agissent-ils directement sur les matières azotées du sol avec ou sans formation intermédiaire d'azote ammoniacal? Ontils, au contraire, un rôle spécifique propre? La question étant ainsi posée, M. Oméliansky essaya de la résoudre en cultivant des ferments niireux et nitriques purs dans des liquides stérilisés contenant de Turée, de Tasparagine, du blanc d'œuf, de Turine, etc., incorporés à un milieu minéral exempt de sels ammoniacaux et de nitrites ; il ne se produisit aucune transformation, ce qui montre bien que l'azote organique, quelle que soit sa forme, ne subit pas l'action oxydante de ces microbes en l'absence

(x) Nous donnons ici au mot nitrification la plus grande extension de sens. Nous ne considérons pas seulement la transformation des sels ammoniacaux en nitrates — ce qui impliquerait la séparation de Tammonisation — nous envisageons au contraire toutes les phases de la dégradation des substances organiques azotées.

FERMENTS NITRinCATBURS I75

des ferments producteurs d'ammoniaque. Si Ton opère en présence du Bacillus racemosus, capable de dégrader Tazote organique, les conditions expérimentales ne sont plus semblables et les résultats obtenus sont tout différents : le liquide se putréfie et Tammoniaque apparaît. Dès lors, les autres ferments entrant en jeu, il se forme des nitrites et des nitrates.

En répétant ces différents essais, avec des mélanges de Bacillus racemosus et de niirosomonas (ferment nitreux), on voit se former de Tammoniaque et des nitrites, mais pas de nitrates. L'association du Bacillus racemosus et des nitrobactéries (ferment nitrique) ne donne lieu qu'à la production exclusive de composés ammoniacaux.

Il résulte de ces belles expériences que la transformation des matières organiques azotées constitue un remarquable exemple de métabiose, c'est-à-dire un cycle de métamorphoses successives dans lequel les produits d'activité d'un microbe servent de matériaux pour le travail dçs autres.

Fermentation ammoniacale. — La production de Tammoniaque — Vammonisation — est surtout l'œuvre de ferments oxydants et hydratants. A côté d'eux, on trouve encore des moisissures banales : AspergilluSy Mucor racemosus, Fusarium Munt^iiy etc.

Parmi les microbes de l'ammonisation, nous citerons, d'après M. E. Marchal (i) : les Bacillus mjycoï'des {fig. 15), arborescens, mesentericus, liquefaciens et fluorescens, le Bacterium coli, le Proteus vulgaris et différents Micrococcus susceptibles, comme le ferment de l'urée, d'hydrolyser les corps amidés.

(i) Annales agronomiçues, t. XIX, p. ^06.

LBS FBRMBNTS DU SOL

Par quel mécanisme les matières azotées de Thumus donnent-elles naissance aux composés ammoniacaux? Il semble naturel d'admettre que les substances albuminoïdes ou protéiques se dégradent progressivement et passent à Tétat d'amides com-

FiC. 15. — Bacittus mycdides. A) jeune ; B) Ipotttlé.

plexes de la forme R. CO.ÂzH^ lesquels engendrent ensuite, par simple hydratation, les sels ammoniacaux correspondants. Je suppose que ceux-ci sont oxydés, puis transformés en carbonate d'ammoniaque (i). Ce nouveau corps peut nitrifier directement

(1) Les réactions seraient alors semblables à celles-ci : &) Atec les aminei :

a(CH»AzH«) 4- 60 = GO'(A£H*)« + CO« -f- H*0.

methylamine carb. d'amm.

b) Avec If s amides :

^(CH^COAzH») + 80 = œ»(AzH*)« + }CO* + H«0.

acétamide. carb. d'amm.

FERMENTS NITRIFICATEURS I77

OU réagir sur Tacide humique et former un humate très facilement nitrifiable. La nécessité d'une oxydation subséquente ne fait pas Tombre d'un doute, puisque Tammonisation est arrêtée par suite du défaut d'oxygène.

Pour bien montrer le caractère microbien de la formation de Tammonîaque, il suffit d'étudier comparativement la marche de ce phénomène dans une même terre stérilisée ou non stérilisée. MM. Muntz etCouDON (1), en opérant sur un sol contenant 3,5 de calcaire et 20 °/o d'eau — ayant reçu i gramme de sang desséché — ont obtenu les quantités suivantes d'ammoniaque :

ilBBula^u (CB niUi|r.) ëtii 100 p. ëa tom.

Stérilisée. Normale.

Au début 3,6 i»7 .

Après 42 jours. ... 3,5 19,8

Après 105 jours ... 3,3 52,1

On voit que l'échantillon stérilisé n'accuse aucun gain d'ammoniaque. Et si la proportion d'alcali est un peu supérieure au début, c'est en raison de l'attaque des matières azotées qui se produit toujours, ainsi que M. Hébert {1) l'a reconnu, quand on expose la terre à des températures comprises entre 100 et 150 degrés. Par contre, dans le sol normal ou non stérilisé, l'ammonisation se manifeste avec intensité ; elle devient encore plus rapide si l'on renouvelle l'air ambiant au cours de l'expérience :

(i) Annales agronomiques^ t. XIX, p. 209.

(9) Même revue, t. XV, p. 335.

Anntnitqie ftmiée (ei niliigr.) dtii 100 gr. et Um ayant rera Q ^r. 18 d'axtte ëa laig.

Au début

Après 67 jours

a) Terre de Champagne, Stérilisée à 120*». . . .

Non stérilisée (air renooTelé).

Non stérilisée (air erailié). .

b) Terre du Limousin Stérilisée à I20<» . . . .

Non stérilisée (air renoiTelé).

Non stérilisée (air eonilBé). .

La formation de rammoniaque devient très apparente dans les terres humifères auxquelles on ajoute des doses croissantes de carbonate de potasse; en moins de huit jours, il se produit une quantité appréciable d'alcali, et le liquide d'épuisement, traité par le réactif de Nessler, donne un précipité rouge fort abondant caractéristique des sels ammoniacaux.

A titre d'exemple, voici les résultats que j'ai obtenus avec une tourbe des environs d'Abbeville :

Garboiate Aiote annoiiaeal (en milligr.)

de potaiie p. 100 formé dam lOOgr. de toarbe hnmide aprèi

a jours. 5 jours. 8 jours.

M. Bréal, qui a étudié la production de rammoniaque dans des infusions de feuilles de trèfle envahies par des Colpidiums, reconnaît que la réaction alcaline acquise par le milieu devient bientôt mortelle pour les infusoires ; mais on peut maintenir vivants

FERMENTS NITRIFICATEURS I79

ces organismes en plongeant dans le liquide un cristal de bitartrate de potasse qui neutralise l'ammoniaque formé (i).

Au sein de la terre, où abondent Tacide humique et le gaz carbonique, Talcalinité n'est pas à craindre, et Tammonisation se produit normalement, à moins que le milieu, trop chargé d'humus et trop pauvre en bactéries, ne se montre naturellement réfractaire aux actions microbiennes.

Fermentation nitreuse, — Dès que les ferments ammoniacaux ont commencé le travail de minéralisation, les ferments nitreux — agents essentiels de la nttrosation — manifestent leur activité biologique. Ces organismes ont été isolés par M. Winogradsky, et nous connaissons aujourd'hui leur mode d'action ainsi que les conditions nécessaires à leur développement. Ils ont pour mission de transformer l'ammoniaque en acide nitreux ou les sels ammoniacaux en nitrites (2).

On cultive ces ferments dans une solution essentiellement minérale contenant du sulfate d'ammoniaque, du phosphate de potasse, un peu de sel, des traces de sulfate ferreux et du carbonate de magnésie; ils sont de forme ovale ou presque sphérique [nitrosococcus, fig. 16) et plus gros que la nitrobactérie. Certaines espèces ont des cils vibratiles apparents et parfois très longs {nitrospmonas, fig. 17) ; ils assimilent le carbone des carbonates et trouvent dans l'oxydation de l'ammoniaque l'énergie nécessaire à la décomposition de l'acide carbonique ; ils transfor-

(i) Annales agronomiques s t. XXII, p. 363.

(3) L'oxydation de rammoniaque peut se représenter ainsi : AzH» + 3O « AzO^OH + H*0

intervenir dans l'oxydation : il doit agir vraisemblablement comme stimulant. Le rcMe du carbonate, au contraire, est de toute première importance. Non seulement ce corps apporte une base salifiable — la magnésie — permettant la transformation de l'acide nitreux en nitrite, mais il peut fournir au microbe du carbone alimentaire.

Le ferment nitreux, en effet, bien que dépourvu de chlorophylle, assimile directement l'acide carbonique à l'instar des plantes vertes.

Toutefois, si l'on s'en rapporte aux essais de M. Godlew- SKi (i), ce n'est pas au carbonate que le microbe emprunterait le carbone, mais à l'air atmosphérique. En faisant des cultures en milieu confiné, avec des solutions contenant, par litre, 2 gr. 5 de sulfate d'ammoniaque et 10 grammes de carbonate basique de magnésie — en présence de l'air pur ou chargé d'acide carbonique (4 et 6 pour 100) — on observe de très sensibles différences à l'analyse : en l'absence d'acide carbonique (air purifié), le volume gazeux reste constant pendant six mois, et la solution ne renferme aucune trace de nitrites et de nitrates ; avec de l'air chargé de 4 pour 100 d'acide carbonique, on trouve, au contraire, après quatre mois, une réduction de volume de 125 ce, et l'analyse des gaz accuse :

Acide carbonique disparu .... 12 ce.

Oxygène disparu 117 ce. 03

Azote apparu o ce. 83

Or, si l'on calcule la quantité d'oxygène strictement nécessaire pour transformer gr. 0484 d'azote ammoniacal en acide azoteux, on trouve o gr. 1654 d'oxygène. D'autre part, pour former les gr. 001 1 d'azote gazeux (correspondant aux ce. 83 d'azote apparu), il a fallu encore o gr. 0043 d'oxygèrie. Soit une consommation totale de o gr. 1697 d'oxygène, très sensiblement équivalente au volume disparu : les 117 ce. 03 pesant o gr. 1673.

M. GoDLEWSKi conclut de là : que le ferment nitreux emprunte le carbone à V acide carbonique libre et non au

(1) Annales agronomiques, t. XXVI, p. 309.

FERMENTS NITRIFICATEURS 183

carbonate. Il se peut qu'il en soit ainsi, dans le sol, où l'atmosphère est riche en acide carbonique ; nous pensons néanmoins que, dans les bouillons de culture, le carbonate intervient indirectement par la mise en liberté de son acide, lors de la formation des nitrites, quand la fermentation est amorcée.

Fermentation nitrique^ — La nitrobactérie oxyde les nitrites et les transforme en nitrates (i) ; elle est ainsi l'agent de la nitratation. Cet important phénomène pourrait même se produire spontanément, par voie chimique, en raison de l'instabilité des composés nitreux (A. Mûntz). Les caractères biologiques et morphologiques de la monade nitrique sont encore moins bien connus que ceux des ferments nitreux. M. WiNODGRADSKY a décrit un organisme spécial — formé de très petits bâtonnets anguleux et irréguliers — qui transforme les azotites en azotates et n'oxyde pas l'ammoniaque : ce serait le véritable ferment nitrique (a),

Culture du ferment nitrique. — On ne connaît bien qu'une seule nitrobactérie : celle que M. Winodgradsky a isolée, en 1891, d'une tefre de Quito. Il est possible de la cultiver sur la silice gélatineuse, mais la gélose semble préférable. Les méthodes employées sont identiques à celles précédemment décrites : la solution nutritive, quelque peu différente, contient par litre :

Nitrite alcalin . . . . « 9 gr.

Carbonate de soude calciné .... i gr.

Phosphate de potasse ..'.... 0,5

Gélose 15 gi"*

(i) La réaction est des plus simples :

AzO-OH 4- O = AzO'OH

ac. nitreux. ac. nitrique,

(i) C. R. de TAcadémie des sciences, t. CXIII, p. 89.

Quand les colonies sont bien pures, le bouillon ordinaire doit rester stérile après ensemencement.

Quel est le rôle du carbonate alcalin contenu dans la solution nutritive ? Nous savons que, dans la fermentation nitreuse, ce corps sert à la saturation de Tacide nitreux; mais, ici, son action est-elle semblable ? Rien ne permet de le supposer ; et cependant Texpérience montre que sans carbonate de soude, dans une atmosphère privée ou non d*acide carbonique, le nitrite persiste indéfiniment. II suit de là que le carbonate est indispensable. Néanmoins, l'influence de ce corps demeure imprécise, puisque le ferment, d'après Winodgradsky, prend le carbone à l'atmosphère. On sait seulement que ce sel agit très efi&cacement à la dose d'un millième.

Les sels ammoniacaux, même en faible quantité, paralysent la nitratation ; les nitrites sont également préjudiciables à partir de i pour 100. Parmi les matières organiques, la glycérine, l'asparagine, la peptone et Turine (à cause de l'ammoniaque) ralentissent considérablement l'oxydation des nitrites à des doses de quelques millièmes; le glucose et le butyrate de sodium ont une action déprimante à partir de t pour 100; les décoctions de foin, de feuilles mortes et de terreau n'agissent pas défavorablement (Winodgradsky et Oméliansky) (i).

Production naturelle des nitrates. — Sous l'action combinée des différents microbes nitrificateurs, les matières humiques du sol, ainsi que les engrais organiques azotés, donnent naissance à des composés amr moniacaux, à des nitrites et à des nitrates. Mais si la production naturelle du nitre était depuis longtemps connue — comme en témoignent les instructions rédigées en 1777 par les régisseurs généraux des poudres Qt salpêtres — on en ignorait encore la véritable cause. A la suite des travaux de Kuhlmann sur Toxydation de l'ammoniaque en présence de l'air et de la mousse de platine (oxydation donnant lieu à la for-

(1) Annales agronomiques^ t. XXVI.

FERMENTS NITRIFICATBURS iS^

mation d'azotate d'ammoniaque), il fut admis que les nitrates prenaient naissance par voie chimique dans la terre faisant Toffice d'un corps poreux. C'est seulement en 1878 que MM. Schlœsing et Muntz découvrirent le processus biologique ou microbien de la nitrification (i). Depuis lors, les organismes nitrificateurs ont été isolés, et de nombreuses recherches ont permis de bien préciser les conditions favorables à leur développement. Au point de vue agricole, la connaissance d'un tel phénomène présente le plus grand intérêt. Et Dbhérain a pu dire avec raison : Toute terre qui nitrifie bien est une terre fertile.

Sans vouloir lier aussi étroitement la fertilité du sol à sa capacité nitrifiante, il faut bien reconnaître qu'il y a cependant une certaine relation de cause à effet. J'estime personnellement — et je l'ai maintes fois répété — que la détermination de la capacité nitrifiante en dirait plus que l'analyse chimique sur la fraction disponible ou utilisable de l'azote contenu dans la terre. Au point de vue économique, la question n'est pas d'un moindre intérêt... La culture s'impose tous les ans de lourds sacrifices pour acheter des engrais azotés ; si nous pouvions, si nous savions tirer parti des ressources que nous offrent et la terre et les ferments qu'elle recèle, peutêtre arriverions-nous à restreindre considérablement ces dépenses. Il suffirait pour cela d'exalter, en temps opportun, l'activité de la nitrification. Et d'abord, quelles sont les conditions favorables ou défavorables à la production naturelle des nitrates?

Influence des milieux, — Dans les sols perméables — qui mangent le fumier — l'oxydation des matières organiques atteint le maximum d'intensité : la nitri-

(i) C. R. de rÂcadémie des Sciences, tomes 84, 85, 86 et 1

l86 LES FERMENTS DU SOL

fication se poursuit toujours activement... Au contraire, si le sol est humide, gorgé d'eau, les ferments oxydants travaillent avec plus de difficulté, et la combustion de Tliumus se trouve, par ce fait, considérablement ralentie. La nature des milieux influe donc de façon très sensible sur l'activité microbienne, et l'on peut dire que la production naturelle des nitrates est étroitement subordonnée aux conditions générales de Vérémacausis.

Cela ne fait aucun doute, d'ailleurs. Et comme la combustion lente des matières humiques nécessite le triple concours de l'air, de l'eau et de la chaleur — qui sont autant de facteurs essentiels de l'activité vitale — il n'y a pas de raison pour que le bon fonctionnement des organismes nitrifîcateurs ne soit influencé par les agents atmosphériques.

Mais ce n'est pas touti Les caractères physicochimiques du sol entrent aussi en ligne de compte. Les ferments ont besoin d'un support et d'aliments... Or, la terre arable, par sa structure et sa constitution, n'offre-t-elle pas ordinairement, à cet égard, les meilleures qualités? Elle est poreuse, et par cela même accessible aux agents extérieurs ; elle est perméable^ ce qui détermine le mouvement de l'eau et de l'air; elle est suffisamment riche en éléments minéraux et organiques pour assurer la nutrition des microbes qui l'habitent : elle contient, enfin, le plus souvent, un stock considérable de matières à transformer.

Dès lors, si l'allure de la nitrification présente des irrégularités d'un sol à l'autre ou d'un moment à l'autre (pour une même terre), il sera très facile d'en rechercher la cause et d'y porter remède. Étant donné que les ferments sont universellement répandus, nous supposerons que les microbes nitrifîcateurs existent dans toutes les terres normalement consti-

FERMENTS NITRIFICATEURS 187

tuées. Et si le milieu se montre trop réfractaire à leur activité, nous n'aurons à considérer alors que les deux cas suivants : Le sol est-il suffisamment accessible aux agents atmosphériques? Contient-il une matière azotée nitrifiable à Fétat naturel ? De fait, les conditions pratiques de la nitrification sont à la fois d'ordre physique et d'ordre chimique.

1° Conditions PHYSiauEs. — La minéralisation de l'humus comporte essentiellement des phénomènes d'oxydation, d'hydratation et de dédoublement qui sont surtout l'œuvre des ferments. Pour oxyder, il faut de l'oxygène : c'est l'air qui le fournit ; pour hydrater, il faut de l'eau, et c'est encore de l'atmosphère, par les pluies, que le sol la reçoit. Mais l'eau qui tombe sur la terre meuble en déplace les gaz — du moins en partie — et il doit s'établir un équilibre convenable entre ces éléments.

L'expérience montre qu'un sol sec ne nitrifie pas. Dans les conditions habituelles, la quantité d'eau la plus favorable oscille de lo à 15 pour 100. Si la terre est saturée, l'accès de l'air devenant impossible, la nitrification s'arrête. C'est ce qui ressort manifestement des multiples recherches effectuées par M. Th. ScHLŒSiNG. Mais la nature des terrains, en raison de leur inégale capacité pour l'eau, influe considérablement et recule la dose optimum. J'ai reconnu que le degré d'humidité le plus favorable est compris entre le quart et le tiers de la quantité d'eau totale qu'un sol peut retenir; dans les terrains humifères, par exemple, la nitrification croît avec l'humidité au-delà de 20 pour 100 et parfois jusqu'à 50 pour 100 (sols tourbeux).

La virulence ou l'activité des microbes croît aussi avec la température, mais pour des limites comprises entre 10 et 37 degrés. Dès lors, une terre qui s'échauffe aisément ou qui retient bien la chaleur

pourra se montrer plus propice aux transformations microbiennes. Et voilà comment le travail biologique se trouve lié aux propriétés physiques essentielles du sol : porositéy perméabilité, ichauff entent.

Le? conditions climatériques n'étant pas toujours semblables d'une année à Tautre, il peut en résulter de sensibles variatrons dans la production des nitrates. P. -P. Dehérain a suivi pendant six ans, de mars 1892 à mars 1897, la marche de la nitrification dans la terre des cases d© végétation de Grignon restées sans culture (terres nues) ; il a trouvé les quantités suivantes d'azote nitrique dans les eaux de drainage :