par Tsachidou, Bella
Président du jury Drouet, Thomas
Promoteur George, Isabelle ;Delfosse, Philippe
Publication Non publié, 2024-04-02
Thèse de doctorat
Résumé : Climate change is a critical environmental threat that adversely affects the agricultural sector and its capacity to produce the agricultural commodities necessary to sustain human life. Conversely, the agricultural sector is an important contributor to climate change through emissions of long-lived greenhouse gases and other environmental pollutants. One of the main agricultural practices that contributes to climate change and environmental degradation is the production and excessive application of chemical nitrogen fertilizers on agricultural soils to feed the growing population. To mitigate climate change and alleviate environmental pollution associated with nitrogen fertilization of agricultural soils, there is an imperative need to substitute chemical nitrogen fertilizers by bio-based, environmentally friendly and commercially viable alternatives without compromising agricultural productivity while at the same time facilitating agricultural sustainability.This work is structured around the anaerobic digestion process which is known as one of the green technologies with the least environmental footprint that has gained increasing importance in Europe for energetic purposes and due to the imperative need to recycle and sustainably manage organic wastes. In addition to bioenergy in the form of biogas, anaerobic digestion also generates biogas residues that have been utilized as a nutrient-rich biofertilizer and an alternative to chemical fertilizers. This thesis is a synthesis of studies designed to address several of the concerns and risks related to long-term repeated application of biogas residues, and to assess their agricultural performance and mitigation potential with the aim to further advance the integration of anaerobic digestion into the agricultural sector, facilitate the substitution of chemical fertilizers by biogas residues and help modify the EU Nitrates Directive. Given the excessive input of chemical nitrogen fertilizers in the grassland soils of western Europe, and the importance of grassland agroecosystems in livestock farming, ecosystem services and climate change mitigation overall, we conducted a series of fertilization experiments on the grassland soils of the Greater Region which is a Euroregion composed of five regional authorities located in four European states. A broad range of chemical nitrogen fertilizers, fractions of biogas residues, untreated manure, and combinatorial schemes of chemicals fertilizers and biogas residues were evaluated over the period of seven years.In this attempt to help advance sustainable agriculture, we investigate the agricultural and environmental benefits of biogas residues while also demonstrating the harmful nature of chemical fertilizers. Since nitrogen pollution is the most widespread, costly and challenging environmental problem caused by nitrogen fertilization, as well as one of the main risks that must be assessed to guarantee the safe use of biogas residues, the principal research axis of this thesis is nitrogen-centred. We focused on the accumulation of nitrate in the soil profile and the nitrate leaching potential of various nitrogen fertilizers while at the same time monitoring the agricultural performance parameters of nitrogen use efficiency, nitrogen fertilizer replacement value and forage productivity over short- and longer-term. We successfully demonstrated that substitution of chemical fertilizers by biogas residues can substantially reduce nitrate accumulation and nitrate leaching in grassland soils, without compromising nitrogen use efficiency nor forage yield.The second research axis of this thesis is carbon-centred, given the great carbon sequestration and climate change mitigation potential of both grassland soils and biogas residues. We investigated the impact of different nitrogen fertilizers on organic matter decomposition and nutrient release processes in grassland soils, while also assessing the potential of the carbon-rich granulated biogas residue fraction to provide nutrients and enhance soil carbon sequestration when incorporated as exogenous organic matter in grassland soils. Overall, our findings suggested that biogas residues have the potential to supply nutrients to soil biota over time, and promote carbon sequestration in grassland soils, while chemical nitrogen fertilizers can accelerate the decomposition of organic matter and carbon release.Finally, as soil microorganisms have an enormous role in sustainable agriculture, the third axis of this contribution is microbe-centred and focuses on the microbial communities residing within the grassland soils. We explored and compared the impact of repeated application of different nitrogen fertilizers on the bacterial and fungal communities in the grassland soils over the period of two years using high-throughput marker gene amplicon sequencing. We emphasized on the emerging case of ammonium sulfate and the potential involvement of the sulfammox process in loss of soil microbial diversity. Furthermore, as pathogen contamination is one of the main concerns related to the application of biogas residues on agricultural soils, to assess the risk and prove their safety, we scanned the soil microbial community for the most prominent pathogens that are often detected in biogas residues and untreated manure. Finally, given the paramount importance of arbuscular mycorrhizal fungi in sustainable agriculture and climate change, we assessed their presence and their response to the different nitrogen fertilizers. Our results indicated that the soil bacteriome is more sensitive than the mycobiome to nitrogen fertilization, and in particular to ammonium sulfate, while we did not detect any risk for pathogen contamination following the repeated long-term application of biogas residues on grassland soils.Altogether, our results verified the harmful nature of the chemical nitrogen fertilizers and confirmed the agricultural and environmental benefits of biogas residues, while also demonstrated the great benefits emanating from the substitution of chemical fertilizers by biogas residues. This information can give farmers more confidence to substitute chemical fertilisers by biogas residues, and support evidence-based policy making in the EU with respect to agricultural sustainability under climate change.
Le changement climatique représente une menace environnementale critique qui affecte négativement le secteur agricole et sa capacité à produire les biens agricoles nécessaires pour soutenir la vie humaine. Réciproquement, le secteur agricole est un contributeur majeur au changement climatique via les émissions de gaz à effet de serre à longue durée de vie dans l’atmosphère et d'autres polluants environnementaux. L'une des pratiques agricoles principales contribuant au changement climatique et à la dégradation environnementale est la production et l'application excessive de fertilisants azotés chimiques sur les sols agricoles pour accroitre la production et répondre à l'augmentation de la population. Pour atténuer le changement climatique et réduire la pollution environnementale associée à l'azote dans les sols agricoles, il est impératif de substituer les fertilisants azotés chimiques par des alternatives respectueuses de l'environnement, issues de l’économie circulaire et commercialement viables, sans compromettre la productivité agricole tout en favorisant la durabilité agricole.Ce travail est structuré autour du processus de digestion anaérobie, reconnu comme l'une des technologies vertes ayant le moins d'impact environnemental et d'une importance grandissante en Europe pour des fins énergétiques. Ce processus répond également à la nécessité impérieuse de gérer et recycler durablement les déchets organiques, dont les effluents animaux. En plus de produire de l'énergie sous forme de biogaz, la digestion anaérobie génère également des résidus solides et liquides (digestats) qui sont utilisés comme biofertilisants et comme alternative aux engrais chimiques car riches en nutriments et en matière organique. Cette thèse est une synthèse d'études visant à aborder plusieurs des préoccupations et risques liés à l'application répétée et à long terme des digestats, et à évaluer leur performance agricole et leur potentiel d'atténuation des émissions, dans le but de promouvoir davantage l'intégration de la digestion anaérobie dans le secteur agricole, faciliter la substitution des engrais chimiques par les digestats et contribuer à la modification de la Directive Nitrates de l'UE. Étant donné l'apport excessif d'engrais azotés chimiques dans les sols de prairies d'Europe occidentale, ainsi que l'importance des agroécosystèmes de prairies pour l'élevage, les services écosystémiques et l'atténuation du changement climatique dans son ensemble, nous avons mené une série d'expériences de fertilisation sur des sols de prairies de la Grande Région qui est une Eurorégion composée de cinq autorités régionales situées dans quatre États européens.Nous avons évalué une large gamme d'engrais azotés chimiques, de fractions de résidus de biogaz, de fumier non traité, et de fertilisations combinatoires d'engrais chimiques et de résidus de biogaz sur une période de sept ans.Dans cette tentative de promouvoir une agriculture durable, nous avons étudié les avantages agricoles et environnementaux des digestats tout en démontrant la nature nocive des engrais chimiques. La pollution azotée est le problème environnemental le plus répandu, le plus coûteux et le plus difficile à résoudre en lien avec une fertilisation azotée pratiquée à large échelle, ainsi que l'un des principaux risques à évaluer pour garantir l'utilisation sûre des digestats. Par conséquent, l'axe de recherche principal de cette thèse a été centré sur l'azote. Nous avons axé nos recherches sur l'accumulation de nitrate dans le profil du sol et le potentiel de lessivage des nitrates de divers engrais azotés, tout en surveillant les paramètres de performance agricole tels que l'efficacité d'utilisation de l'azote, la valeur de remplacement des engrais azotés et la productivité du fourrage à court et long terme. Nous avons démontré que la substitution des engrais chimiques par les résidus de biogaz peut réduire considérablement l'accumulation de nitrate et le lessivage des nitrates dans les sols de prairies, sans compromettre l'efficacité d'utilisation de l'azote ni le rendement du fourrage.Le deuxième axe de recherche de cette thèse a été centré sur le carbone, compte tenu du grand potentiel de séquestration du carbone et d'atténuation du changement climatique à la fois des sols de prairies et des digestats. Nous avons étudié l'impact des différents engrais azotés sur la décomposition de la matière organique et les processus de libération des nutriments dans les sols de prairies, tout en évaluant le potentiel de la fraction riche en carbone des digestats sous forme de granulés pour fournir des nutriments et améliorer la séquestration du carbone dans les sols de prairies lorsqu'elle est incorporée comme matière organique exogène. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que les résidus de biogaz ont le potentiel de fournir des nutriments au biote du sol sur le long terme, et de promouvoir la séquestration du carbone dans les sols de prairies, tandis que les engrais azotés chimiques peuvent accélérer la décomposition de la matière organique et la libération de carbone.Enfin, comme les microorganismes du sol jouent un rôle primordial dans les sols, le troisième axe de cette contribution a été centré sur les communautés microbiennes résidant dans les sols de prairies. Nous avons exploré et comparé l'impact de l'application répétée de différents engrais azotés sur les communautés bactériennes et fongiques dans les sols de prairies sur une période de deux ans en utilisant le séquençage à haut débit de fragments de marqueurs phylogénétiques. Nous avons mis l'accent sur le cas particulier du sulfate d'ammonium et l'implicationpotentielle du processus sulfammox dans la perte de diversité microbiologique du sol. De plus, comme la contamination par les pathogènes est l'une des principales préoccupations liées à l'application des digestats sur les sols agricoles, pour évaluer le risque et prouver leur innocuité, la communauté microbienne du sol a été analysée pour la recherche des pathogènes les plus courants souvent détectés dans les résidus du processus de biogaz et le fumier non traité. Enfin, étant donné l'importance primordiale des champignons mycorhiziens arbusculaires dans l'agriculture durable et le changement climatique, nous avons évalué leur présence et leur réponse aux différents engrais azotés. Nos résultats indiquent que le bactériome du sol est plus sensible que le mycobiome à la fertilisation azotée, et en particulier au sulfate d'ammonium, tandis que nous n'avons détecté aucun risque de contamination par les pathogènes suite à l'application répétée et à long terme des digestats sur les sols de prairies.Dans l'ensemble, nos résultats ont confirmé la difficulté de gérer les engrais azotés chimiques et ont confirmé les avantages agricoles et environnementaux des digestats. Nous avons démontré également les avantages découlant de la substitution des engrais chimiques par les résidus de biogaz pour la protection des sols et des eaux souterraines sans perte notable de rendement. Ces résultats peuvent donner aux agriculteurs plus de confiance pour substituer les engrais chimiques par des résidus de biogaz et soutenir l'élaboration de politiques fondées sur des données probantes dans l'UE en ce qui concerne la durabilité de l'agriculture dans le contexte du changement climatique.

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