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Agriculture

L’ozone et les plantes, histoire d’une relation toxique

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« Pollution à l’ozone, réduisez votre vitesse ». Vous avez sans doute déjà croisé ce message sur votre route !

Phénomène loin d’être nouveau, la pollution de l’air a été décrite par nombre d’écrits historiques faisant état des fumées nocives des villes, provoquées par le chauffage au bois et au charbon.

La révolution industrielle de la fin du XIXe siècle exacerbe cette situation, immortalisée par Claude Monet en 1903 dans ses tableaux montrant la Tamise noyée dans un mélange de fumée et de brouillard.

Charing Cross Bridge est une série de tableaux peints par Claude Monet entre 1899 et 1904. Elle fait partie d’un ensemble de peintures sur le thème du brouillard de Londres sur la Tamise.
Claude Monet

Le danger du smog

En 1905, le docteur Des Voeux invente le terme de smog, contraction de smoke (fumée) et de fog (brouillard). Présent pendant l’hiver, il contient des poussières, de l’oxyde de soufre et d’azote issus du chauffage au charbon et des industries, provoquant des troubles respiratoires.

En décembre 1952, Londres subit ainsi un épisode de pollution de 5 jours qui cause quelque 4 000 morts. Aux États-Unis, des épisodes de pollution sont aussi observés à la même époque, comme celui de Donora (ville située près de Pittsburgh) qui causa 20 morts en octobre 1948.

La présence importante de composés toxiques dans l’atmosphère est due à un phénomène d’inversion de température, permettant à une couche d’air chaud de recouvrir de l’air plus froid, emprisonnant les composés toxiques produits par l’industrie.

Le travail pionnier d’Arie Haagen-Smit

À la même époque, le smog fut aussi observé à Los Angeles. Même si une couche d’inversion de température était bien à l’origine de ce phénomène, il se produisit toutefois en été, causant des irritations oculaires et des troubles respiratoires ainsi que des dommages à toute une gamme de plantes.

Les autorités locales demandèrent à Arie Haagen-Smit, professeur à l’Université de Californie à Los Angeles, d’identifier les polluants responsables.

Se basant sur la ressemblance entre l’odeur du smog et celle présente dans son laboratoire lorsqu’il expérimentait l’effet de l’ozone sur les terpènes (ozonolyse), Haagen-Smit démontra que les plantes étaient endommagées par la présence d’un mélange d’oxydes d’azote et d’hydrocarbures imbrûlés provenant principalement des gaz d’échappement et produisant, à la lumière, l’ozone comme polluant secondaire.

Ces dommages subis par les plantes étaient identiques à ceux observés lors d’épisodes de smog.

Ce travail de pionnier, publié en 1952, a induit de multiples dispositions gouvernementales, tant aux USA qu’en Europe, plus récemment en Asie, visant à réduire les sources de pollution.

Mais le smog photochimique a continué au cours des décennies à envahir les grandes métropoles, comme Los Angeles, New York, Mexico, Pékin, Athènes, Paris mais aussi d’autres villes moins peuplées, comme Nancy.

Smog à Los Angeles en mai 2017.
Jose Aitor Pons Buigues/Pixabay, CC BY-NC-SA
Vues de Nancy, prises par temps clair et en présence de smog depuis le parc de la Cure d’air, 2016.
Pierre Dizengremel, CC BY-NC-SA

Ozone stratosphérique et ozone troposphérique

Wikipedia
Ozone, du grec ozô, exhaler une odeur. Gaz bleu pale, quasi incolore, à l’odeur caractéristique d’eau de Javel.

L’ozone O3 est une substance chimique formée de trois atomes d’oxygène. Présent dans l’atmosphère jusqu’à 35 km d’altitude, il se répartit en deux couches : l’ozone stratosphérique, qui représente environ 90 % du total et est bénéfique (il protège du rayonnement ultraviolet) et l’ozone troposphérique qui nous intéresse ici.

Lorsque sa teneur est élevée, l’ozone troposphérique peut devenir toxique pour les humains et la végétation. Les tendances à long terme de sa concentration montrent une stagnation en Europe de l’Ouest et aux États-Unis, tandis que des augmentations sont encore à prévoir en Asie.

Cela n’exclut pas des pics de « smog photochimique » liés à de très fortes teneurs en ozone à l’ouest des États-Unis et en Europe du Sud.


Pierre Dizengremel (adapté de Wikipedia), CC BY-NC-ND

Les plantes attaquées

Les effets de l’ozone sur les arbres et les plantes de grande culture furent d’abord identifiés aux États-Unis entre 1960 et 1990 puis en Europe à partir des années 1980 grâce à différents programmes de recherche, dont Eurosilva.

Tous ces travaux ont permis de montrer que de fortes concentrations d’ozone créent des dommages visibles (chloroses et nécroses des feuilles), tandis que des concentrations plus faibles, mais délivrées de manière chronique, altèrent la croissance sur le long terme.

La principale fonction touchée est la photosynthèse, qui transforme le carbone atmosphérique CO2 en sucres, protéines et lipides.

Symptômes visibles de dommages causés par l’ozone (taches chlorotiques) sur des aiguilles de pin d’Alep.
Pierre Dizengremel, CC BY-NC-ND

À côté de la réduction de cette fonction essentielle à la croissance de la plante, les processus respiratoires augmentent pour la défendre contre l’ozone. C’est-à-dire qu’au lieu de la nourrir, ils vont lui fournir l’énergie et les ingrédients nécessaires à la synthèse des composés antioxydants, qui s’opposent à l’action toxique de l’ozone.

Le résultat est un déséquilibre par épuisement des ressources carbonées, qui sont détournées de leur participation à la croissance vers une fonction de défense.

Ozone et dégradation des forêts

Dès la fin des années 1960, des dégâts importants et une forte mortalité furent signalés dans les forêts tchèques et polonaises, au voisinage de centres industriels. Ces dommages, également décrits dans les années 1970 en Allemagne et dans les Vosges, seront d’abord imputés aux oxydes de soufre et d’azote.

Mais l’attention s’est assez rapidement tournée vers l’ozone, qui est devenu le principal polluant atmosphérique incriminé lorsque des mesures réalisées en forêt ont révélé, en 1987, sa prédominance en fin de printemps et en été.

L’ozone jouerait donc un rôle dans le dépérissement des forêts, en combinaison avec d’autres facteurs, comme la monoculture, la pauvreté des sols, et des épisodes climatiques défavorables, de sécheresse notamment.

Des espèces plus ou moins sensibles

Depuis les années 1990, les progrès de la recherche internationale ont permis de cerner les mécanismes de toxicité de l’ozone sur les plantes et d’identifier le degré de sensibilité des différentes espèces à sa présence.

Il apparaît que les plantes annuelles sont globalement plus affectées par l’ozone que les arbres.

Parmi les céréales, le blé est plus sensible que l’orge, le maïs et le sorgho. Les arbres à feuilles caduques (peuplier) y sont également plus vulnérables que les persistants (épicéa). Il existe aussi toute une gamme de sensibilité à l’ozone au sein d’une même espèce.

Comment l’ozone agit sur les plantes

Au niveau de la feuille ou de l’aiguille, l’ozone pénètre par les stomates, petites ouvertures permettant l’entrée du CO2 et la sortie de l’eau. Le degré de fermeture des stomates – qui diffère selon les espèces – constitue la première barrière restreignant l’entrée de l’ozone dans les cellules foliaires (on l’appelle l’évitement).

Une fois entré, l’ozone se décompose en espèces actives d’oxygène qui agressent les mécanismes physiologiques assurant la prise de carbone et la synthèse des composés organiques nécessaires à la croissance.

Toute une série de composés antioxydants existe constitutivement dans les cellules (on l’appelle la défense-détoxication). Mais il faut renouveler leur stock et cette opération est plus ou moins bien réalisée par les espèces végétales.

Lorsque la barrière est surpassée, les dégâts cellulaires apparaissent, les fonctions physiologiques sont dégradées, la croissance altérée et, à plus ou moins long terme, la plante meurt.

Schéma des effets intracellulaires de l’ozone sur une feuille.
Modifié de Dizengremel et coll., 2008

Des conséquences sur les rendements

Au niveau d’un champ, d’une forêt, d’un écosystème, la toxicité de l’ozone diminue le rendement d’une récolte de céréales ou légumineuses ; elle perturbe la croissance de parcelles forestières.

Plus globalement, la toxicité de l’ozone peut perturber l’ensemble d’un écosystème en intervenant différemment sur les espèces annuelles et pérennes qui cohabitent. L’exemple des effets différenciés de l’ozone sur des céréales peut amener le monde agricole à des modifications de choix d’espèces cultivables. La structure des paysages pourrait alors être modifiée.

À partir des années 2000, en même temps que les techniques modernes d’analyse permettaient d’affiner les mécanismes moléculaires d’action de l’ozone, des progrès importants furent accomplis dans la réalisation de modèles prédictifs d’action de l’ozone sur des espaces de plus en plus larges.

Le principal défi demeure dans le passage de l’attaque cellulaire/tissulaire vers un modèle prédictif à grande échelle.


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Covid-19 et pollution

Depuis le début de la pandémie, on a souvent lu dans la presse que la pollution de l’air avait diminué dans les agglomérations urbaines au cours du premier confinement.

Prenons exemple en Angleterre. Entre le 16 mars et le 20 avril 2020, la concentration en dioxyde d’azote (NO2) a en effet diminué.

Mais, à l’inverse, celle de l’ozone a augmenté. Ceci est dû au fait que l’équilibre entre production et destruction d’ozone, cette dernière étant régulée par le NO2, a été rompu par la baisse de concentration de NO2.

Qualité de l’air et changement climatique

De nombreux réseaux de surveillance permettent de suivre les concentrations de fond de l’ozone et la fréquence d’épisodes de pics. Les chercheurs doivent absolument intégrer ce paramètre dans les prévisions de rendement agricole et dans les stratégies sylvicoles.

Il s’agit aussi de mieux comprendre les effets combinés de la qualité de l’air et du changement climatique (température, sécheresse) sur les évolutions des pratiques en matière d’agriculture et de gestion des forêts.

Des stratégies sur le choix des espèces de grande culture et des espèces forestières, ainsi que sur leur future aire de répartition (via la migration assistée), doivent être envisagées afin d’assurer un bon équilibre futur des écosystèmes, à la fois sur les aspects agroalimentaire et socio-économique.



Pierre Dizengremel, Professeur émérite d’écophysiologie végétale, Université de Lorraine

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons.

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