Bioélectronique, Oxydo-Réduction, Principes et effets du potentiel RedOx, Impacts des pratiques agricoles sur le redox
Le potentiel d'oxydoréduction (ou redox) est un bon indicateur de la bonne ou de la mauvaise santé d'un sol ou d'une plante. Les mécanismes d'oxydoréduction régulent tout dans la plante, le sol, le vivant. Ils régulent la physiologie (nutrition, immunité, processus cellulaires, émissions de gaz à effet de serre,...), la phénologie, les interactions avec les bioagresseurs.
Une plante et son sol ont besoin d'un bon équilibre redox pour se développer et résister aux agressions. Cet équilibre est permis par la structure physique du sol et par la diversité de la vie du sol et des racines qu'on y trouve.
Cet article explique comment l'oxydoréduction fonctionne et comment une plante réagit face à ses variations. Le fonctionnement d’une pile électrique illustre bien le phénomène.
Généralités
Il est très important de noter que le potentiel redox et le pH sont dépendants l'un de l'autre, et qu'une valeur de potentiel redox n'a de sens que si elle est accompagnée de la valeur de pH du milieu où elle a été mesurée.
Le potentiel redox peut se trouver sous 2 dénominations :
- Eh lorsqu'il est exprimé en Volts ou mV.
- pE lorsqu'il est exprimé selon une échelle (du type de l'échelle du pH) qui exprime l'activité des électrons.
On peut considérer que le neutre du potentiel redox se situe à 400mV :
- Eh>400mV : état oxydé.
- Eh<400mV : état réduit.
L'essentiel des réactions dans une cellule vivante sont acide/base (pH) et/ou oxydo/réduction (Eh), et les deux sont interdépendants. C’est pour cela que l'on regarde plutôt les axes en diagonales de la croix redox (Eh+pH) au lieu des axes du pH et du potentiel redox (Eh) seuls.
Les chimistes et les biologistes n’ont pas la même définition du redox, mais sont correctes toutes les deux, tout dépend du point de vue.
- Selon le biologiste : oxydation = perte d'hydrogène = un gain d’oxygène.
- Selon le chimiste : oxydation = perte d'électron.
Dans les réactions acide/base, des protons sont échangés alors que dans les réactions d'oxydoréduction ce sont les électrons qui sont échangés. Ces protons + électrons qui font l'énergie, c'est l'hydrogène (qui est composé d'un proton et d'un électron). La plante stockant l'énergie sous forme d'hydrogène, peut donc être comparée à une pile à hydrogène.
Lors de la photosynthèse, l'eau est hydrolisée, cela signifie que l'hydrogène (énergie) est récupéré. Cet hydrogène est ensuite fixé à du carbone. Si l'on garde l'image de la pile à hydrogène, on peut donc comparer le carbone au compartiment d'une batterie dont la source d'énergie est l'hydrogène.
Si l'on regarde le schéma de la croix redox : en bas à gauche il y a plein d'énergie et en haut à droite, il n'y en a pas. Il ne faut toutefois pas se situer trop en bas à gauche car on n'aurait plus de quoi utiliser l'énergie. Il faut un équilibre entre l'hydrogène (carburant) et l'oxygène (comburant) pour que le système fonctionne.
Oxydoréduction et transferts d'énergie dans une culture
Comme nous venons de le voir, par réduction (=gain d'hydrogène grâce à l'hydrolyse de l'eau) la photosynthèse permet aux plantes de fixer l’énergie solaire. Cette énergie va être stockée sous forme de matière dans la biomasse vivante et morte du sol. Plus il y aura de végétation en bonne santé, plus il y aura de photosynthèse et donc d’énergie stockée.
Par exsudation racinaire, les plantes nourrissent les microorganismes du sol. Cette microfaune en bonne santé crée de bonnes conditions du sol :
- bonne structure,
- digestion de la matière organique,
- libération de nutriments utilisables par les plantes.
On a donc un sol sain, propice à une production de biomasse végétale importante.
Ces exsudats racinaires sont une libération d'énergie pour la plante, qui ont également pour effet d'adapter localement le pH et l'Eh à ses besoins. Dans certains cas ces dépenses représentent jusqu'à 80%[1] de l'énergie produite par la photosynthèse.
Toutes les réactions métaboliques des plantes sont contrôlées par le pH et le redox. Elles sont donc obligées de maintenir des niveaux de pH/Eh spécifiques dans chaque compartiment cellulaire, et pour cela elles ont aussi besoin que le sol soit dans une certaine gamme de pH/Eh.
On trouve dans les sols cultivés des pH de 4 à 9 et des potentiels redox entre -300 mV (très réduit) et +900mV (très oxydé) en moyenne[2], mais la plupart sont en fait oxydés quand il fait sec et asphyxiés quand il pleut.
La bonne situation pour des plantes c’est "en bas à gauche" du diagramme de la croix redox (mais pas trop non plus sinon ça correspond à un milieu sans oxygène, type rizière).
Alimentation et assimilation des nutriments du sol
Les conditions pH/Eh déterminent sous quelle forme sont disponibles les éléments nutritifs et donc la facilité avec laquelle les plantes pourront les assimiler. Elles sont alors capables de modifier localement autour de leurs racines les conditions pH/Eh pour pouvoir se nourrir.
Les diagrammes de Pourbaix permettent de visualiser les espèces présentes en fonction du potentiel redox et du pH.
Diagramme de Pourbaix de l'azote
La meilleure forme d'assimilation de l'azote c'est une forme organique mais en général c'est plutôt une forme minérale qui est présente dans le sol. La forme oxydée de l'azote est le nitrate (NO3-), la forme réduite est l'ammonium (NH4+).
L'ammonium et les nitrates ont tendance à déséquilibrer la plante en charge électrique et de fait en pH. La plante se rééquilibre d'elle-même au niveau du pH grâce à des mécanismes physiologiques (pompes à protons), mais cela lui coûte de l’énergie. Dans l’idéal elle absorbe donc ammonium et nitrates en même temps pour qu’ils se compensent l’un l’autre, mais sur des sols déséquilibrés, elle n’a accès qu’à une des deux formes.
Diagramme de Pourbaix du fer
Le diagramme de Pourbaix du fer est aussi intéressant à regarder car le fer est un élément essentiel qui bloque rapidement dès que le sol est oxydé.
La structure du sol est fondamentale
- Sur un sol bien structuré, il y a circulation d'air et d'eau, ce qui va permettre une large gamme de niches pH/Eh dans l'espace et qui vont peu bouger dans le temps. C'est très favorable à l'activité biologique (présence de plusieurs types de micro-organismes) et aux cycles bio-géo-chimiques des différents éléments car une plante pourra toujours "aller mettre une racine" dans un agrégat qui lui apporte ce dont elle a besoin (fer, manganèse, nitrates,...), antibiotiques naturels, acides aminés et protections diverses.
- Sur un sol compacté (où l'eau et l'air circulent mal), quand il s'assèche, la forme de l'azote qui sera présente va être le nitrate (NO3-) et dès qu'il va pleuvoir, le sol va s'asphyxier et la forme présente sera l'ammonium (NH4+). Ce type de sol va donc être considéré comme oxydés en saison sèche mais à l'automne il seront trop réduits.
La physique (structure du sol) domine la chimie (forme de l'élément présente dans le sol) et la biologie (micro-organismes présents dans le sol et donc développement de la plante).
Ainsi chaque végétal ne peut se développer correctement que dans certaines conditions de pH et de redox données. On considère que l'optimum pour la plupart des plantes est :
- pH = 6,5 à 7.
- Eh = 400 à 450 mV.
Les conditions réductrices sont particulièrement limitantes, cependant certaines plantes comme le riz peuvent se développer dans des conditions très réductrices. L'Eh d'un sol immergé de rizière peut en effet atteindre -200mV. Le riz est capable d'y résister en faisant augmenter le potentiel redox localement autour de ses racines, en y envoyant de l'oxygène depuis ses organes aériens.
Les facteurs de l'oxydation du sol
- Le dioxygène (O2) étant un très bon oxydant, le niveau d'oxydation du sol va dépendre fortement de son oxygénation et donc de sa porosité et teneur en eau. Il dépend également de l'activité d'organismes aérobies, consommateurs d'O2.
- La matière organique du sol joue un rôle important. La matière organique fraîche est réduite et elle constitue une source importante d'électrons. Elle constitue un très bon tampon qui évite l'hyper-oxydation comme l'hyper-réduction. Le potentiel redox de la paille fraîche par exemple est autour de 150mV[2].
- La teneur en argile : le fer dans les feuillets d’argile peut accepter ou donner des électrons, et l’argile permet de former le complexe argilo-humique qui est à la base d’une bonne structure du sol. Il est plus difficile sur sols très sableux de maintenir une bonne structure.
Santé et capacité de la plante à se défendre contre ses agresseurs
Tout comme les végétaux, les insectes, les champignons et les bactéries ont un équilibre pH/Eh optimal pour leur fonctionnement. Les équilibres des pathogènes se situent tous dans une zone qui correspond à un état de stress pour la plante. Quand le système est pauvre en énergie, c'est-à-dire qu’il est oxydé, les conditions sont propices au développement des pathogènes. Et la plante n’a pas assez d’énergie disponible pour rétablir des conditions réductrices "plus saines pour elle".
Lorsque pE+pH se situe entre 7 et 9-10 (selon les espèces), l'apoplaste (milieu extra-cellulaire), le xylème (qui conduit la sève brute) et le phloème (qui conduit la sève élaborée) sont équilibrés et la plante est apte à se défendre.
En vieillissant, les plantes s'acidifient et s'oxydent, elles deviennent donc moins sensibles aux bactéries et plus sensibles aux champignons. Les périodes de stress comme le froid, l'ombrage, les carences, font diminuer l'activité photosynthétique et provoquent alors l'oxydation des tissus, ce qui augmente le risque d'infection par les champignons et les virus.
Conditions pH/Eh favorables aux développement des champignons
Lorsque l'apoplaste est oxydé, c'est à dire lorsque les conditions sont acides et oxydées, les champignons nécrophages et biotrophes se retrouvent dans des conditions pH/Eh favorables à leur développement.
Par exemple : Botrytis cirenea se développe quand le pH est entre 5-6 et l'Eh entre 500-550 mV.
Conditions pH/Eh favorables aux développement des bactéries et des oomycètes
Lorsque le xylème est oxydé, c'est à dire lorsque les conditions sont légèrement acides à légèrement basiques (selon les espèces et le type de stress) et le pE+pH>10, les bactéries et les oomycètes se retrouvent dans des conditions pH/Eh favorables à leur développement.
Conditions pH/Eh favorables aux développement des virus
Lorsque le phloème est oxydé, c'est à dire lorsque les conditions sont basiques et oxydées et pE+pH>9 - 10 (selon les espèces), les virus se retrouvent dans des conditions pH/Eh favorables à leur développement.
Conditions pH/Eh favorables aux développement des insectes
Les insectes eux, vont s'attaquer à une plante est oxydée pE+pH>9-10 (selon les espèces).
Défenses de la plante
Les plantes peuvent se défendre contre ces attaques en modulant leur potentiel redox ou leur pH. Cependant il arrive souvent qu'elles n'aient pas assez d'énergie et d'électrons pour créer des conditions réductrices. La solution reste alors de créer une hyper-oxydation locale, comme un contre feu dans le cas d'un incendie, en produisant des molécules hyper-oxydées telle que l'eau oxygénée (H2O2) et de les concentrer autour du champignon. Cela tue aussi les cellules végétales mais limite l'infection. C’est aussi le fonctionnement de la plupart des fongicides.
Il est donc possible de prévenir des maladies des cultures en favorisant les mécanismes de défense des plantes, grâce à des sols légèrement réduits et acides, donc chargés en électrons et en énergie. En effet, si le potentiel redox du sol est déjà favorable, alors les plantes n'ont pas besoin d'y envoyer les molécules et énergie issues de la photosynthèse pour l'ajuster. A la place elles peuvent tout garder pour elles et donc lutter contre les pathogènes qui aiment les milieux oxydés.
Comment favoriser la santé des plantes ?
En favorisant un système plein d’énergie par des couverts permanents et une bonne structure du sol !
On a vu plus haut comment un sol sain et des plantes saines s’auto-entretiennent réciproquement.
- Un sol sain et plein d’énergie s’obtient en faisant beaucoup de photosynthèse (tout comme on charge une batterie avec beaucoup de panneaux solaires).
- Un sol sain est poreux, et permet la circulation de l’eau et de l’air (donc d’hydrogène et de dioxygène).
- Il est plein de niches dans lesquelles les conditions pH/Eh sont différentes permettant ainsi d'avoir des micro-organismes et des nutriments différents, donc à l’échelle de son réseau racinaire, la plante a tout ce qu’il lui faut pour pousser. Les conditions pH/Eh du sol sont très variables dans l’espace mais pas dans le temps.
- La matière organique et les argiles ont un rôle de tampon important.
Pratiques favorables et défavorables
Techniques qui oxydent le sol
Action du travail du sol (injection d'oxygène, oxydation de la MO)- Action du soleil (Sec // chaud)
- Action de la pluie (contient de l'oxygène dissous)
- Toures les fertilisations avec oxygène (NO3-, SO3, SO4, P2O5, K2O, CaO, MgO, ...)
- Tous les produits phytosanitaires (CuSO4, herbicides, fongicides, insecticides)
Techniques qui réduisent le sol
Action de la photosynthèse (récupération d'électrons par le cycle de Calvin)- Action des résidus (paille, bois, feuilles, racines, humus, MO sol)
- Action des effluents (fumiers, compost, lisiers, digestat)
- Action de l'absence d'oxygène (hydromorphie, compaction, type de sols)
- Toutes les fertilisations sans oxygène (NH4+, NH2, NH3, oligo, ...)
- Tous les acides organiques (acide ascorbique, lactique, humique, fulvique, citrique ?, acétique ? aspirine ?)
Le potentiel redox d'un sol
Mesurer le potentiel redox d'un sol n'a pas vraiment d'intérêt car il est très variable dans l'espace et le temps selon sa structure. Il vaut mieux mesurer le redox d'une plante car c'est un bon indicateur de son état de santé.
Impacts des pratiques agricoles sur le potentiel redox du sol
La plupart des pratiques culturales conventionnelles oxydent les sols :
- Le travail du sol : un labour va incorporer de l'oxygène dans le sol et retirer des plantes qui font de la photosynthèse.
- L'apport d'intrants : les engrais (nitrates, chlorures,...) sont oxydants, les herbicides, fongicides et insecticides ont un effet hyper-oxydant .
- La pulvérisation : va incorporer de l'oxygène dans les intrants qui sont déjà eux-mêmes oxydants.
- L'absence de couverture du sol : les rayons du soleil sur un sol nu oxydent fortement le sol. Un paillage ou un couvert limitent l'oxydation.
De plus ces pratiques conventionnelles déstructurent les sols, ce qui conduit à des sols compactés avec de fortes fluctuations dans le temps des conditions pH/Eh, ce qui est très défavorable à la biodiversité et à la croissance des plantes.
Un sol non perturbé et couvert de végétation est approvisionné régulièrement en électrons (donc en matière réduite) par les plantes. Il existe donc un gradient de potentiel redox important entre la surface du sol et les couches inférieures. Le labour en retournant le sol détruit ce gradient, ce qui perturbe le fonctionnement de la microfaune et les déplacements d'ions (K+, Na+...), nécessaires aux cultures et à la régulation du pH.
Un potentiel redox favorable aux cultures est stable (les variations fréquentes étant très énergivores pour les plantes) et peut être favorisé par une structure stable permettant le stockage de l'eau et la circulation de l'air, donc par des pratiques telles que :
- Le non retournement du sol.
- La couverture végétale vivante.
- La restitution de biomasse.[3]
Mesurer le potentiel redox d'une plante
Redox-mètre
Pour mesurer le potentiel redox dans une plante, il faut se munir d'un redox-mètre qui est en fait un voltmètre. Le protocole de mesure est expliqué dans ce document :
Spectrométrie proche infrarouge
Les mesures électrochimiques présentées ci-dessus sont longues et délicates. Des méthodes plus rapides basées sur la spectrométrie proche infrarouge ont été récemment développées. C'est le cas du Food Scanner développé par Senseen.
Cet outil est un spectromètre proche infrarouge (NIRS) miniaturisé mesurant le stress des plantes et permettant un pilotage des systèmes agroécologiques par le potentiel redox, le pH et la conductivité
(CE). Par un simple scan des produits directement sur le terrain, il est possible d’évaluer l’état des sols, des vignes, du blé et du colza (pour le moment) et d’obtenir des mesures prédites par l’intelligence artificielle. Ces données pourront être liées à des outils d’aide à la décision.
En résumé
- L'énergie vient de la photosynthèse.
- Un sol bien structuré offre une grande diversité de niches pH/Eh à la plante, ce qui lui permet de mieux se nourrir, d'être en meilleure santé et de produire plus.
- Le sol et les plantes cherchent constamment à s’équilibrer, c’est le phénomène de l’homéostasie. A l’interne : dans le cycle de vie de la plante et/ou à l’externe : face aux variations du climat, des types d’atteintes dues aux pratiques agricoles, des bioagresseurs …
- Plus le système sol/plante est sain, mieux il va pouvoir réagir. Lorsqu’il y a trop de déséquilibres, c’est autant de portes ouvertes à des pathogènes et autres attaques. La vie, qu’elle soit dans le sol ou dans la plante, va chercher à compenser les déséquilibres en les réajustant, action qui est très gourmande en énergie, énergie qui ne sera donc pas disponible pour autre chose.
- Le pH/Eh varie en permanence. Il est donc d’autant plus utile de connaître ce qui impacte le système en termes d’oxydation ou de réduction, d’acidification ou d’alcalinisation afin de pouvoir réduire au maximum ce qui nuit au système. Plus le système est sain, plus il est réactif à moindre coût énergétique.
- Il faut des sols sains pour avoir des plantes saines, mais il n'y a pas de sol sain sans plantes !
Effet du potentiel redox Eh sur la pollution
Pollution par les nitrates et le protoxyde d'azote
- Dans un milieu oxydé (Eh>500 mV à pH 7[2]), les nitrates (NO3-) sont la forme majoritaire d'azote. Or c'est aussi une molécule très mobile, sensible au lessivage. Il y a donc un risque important de pollution des nappes d'eau et de carence pour les cultures.
- Dans des milieux alternant entre inondations et drainages (et donc entre réduction et oxydation), comme c'est le cas en riziculture par exemple, on observe aussi de grandes pertes d'azote. Quand le sol est drainé, l'azote est oxydé en nitrate, puis quand le sol est inondé, les nitrates sont transformés via la dénitrification en deux gaz qui s'échappent du sol : en diazote N2 ou en protoxyde d'azote N2O, qui est un puissant gaz à effet de serre. Les pertes sont d'autant plus élevées que l'alternance est rapide[4]. Les pertes sous forme de diazote sont maximales pour Eh<0mV[5] et ne sont qu'une perte de nutriments pour les cultures. Par contre les pertes sous forme de protoxyde d'azote, maximales autour de Eh=0mV[5], sont aussi une source de pollution atmosphérique.
Formation
Cet article a été rédigé avec l'aimable participation d'Olivier Husson - CIRAD.
Voir la formation complète :
- 1/7 : Introduction au Redox-pH en agriculture
- 2/7 : Redox-pH et fonctionnements des sols
- 3/7 : Redox-pH et fonctionnement des plantes et de la vigne
- 4/7 : Redox-pH et santé des plantes et de la vigne
- 5/7 : Impacts des pratiques agricoles sur le Redox-pH
- 6/7 : Redox-pH, vinification et mesures terrain
- 7/7 : Redox-pH et santé des animaux
Pour aller plus loin
- https://www.researchgate.net/publication/233729357_Redox_potential_Eh_and_pH_as_drivers_of_soilplantmicroorganism_systems_A_transdisciplinary_overview_pointing_to_integrative_opportunities_for_agronomy Redox potential (Eh) and pH as drivers of soil/plant/microorganism systems: A transdisciplinary overview pointing to integrative opportunities for agronomy - Olivier Husson.]
- Soil and plant health in relation to dynamic sustainment of Eh and pH homeostasis: A review - Olivier Husson, Jean-Pierre Sarthou, Lydia Bousset, Alain Ratnadass, Hans-Peter Schmidt, John Kempf, Benoit Husson, Sophie Tingry, Jean-Noël Aubertot, Jean-Philippe Deguine, François-Régis Goebel & Jay Ram Lamichhane
Articles dans cette thématique
par Earl de Longueil
Sources
- Interview d'Olivier Husson le 30/07/2022.
- La santé du sol par les plantes - Centre Samekh.
- Sarah E.Johnson-BeeboutOlivyn R.AngelesMaria Carmelita R.AlbertoRoland J.Buresh (2009), Simultaneous minimization of nitrous oxide and methane emission from rice paddy soils is improbable due to redox potential changes with depth in a greenhouse experiment without plants, Geoderma Vol 149, Issues 1–2, 15 February 2009, Pages 45-53 https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2008.11.012
- Ver de Terre Production (13 mai 2019) RedOx, pH, résistivité en Sol Vivant, https://www.verdeterreprod.fr/redox-ph-du-sol-et-des-plantes/
- Wacker L. (9 mai 2022) Le potentiel redox du sol influence la croissance de la plante, AgroLeague
- Wacker L. (9 mai 2022) Le Redox - épisode 2 : le paramètre oublié des maladies fongiques, AgroLeague
- ↑ Husson Olivier - pH et Redox en agriculture
- ↑ 2,0 2,1 et 2,2 Husson, O. Redox potential (Eh) and pH as drivers of soil/plant/microorganism systems: a transdisciplinary overview pointing to integrative opportunities for agronomy. Plant Soil 362, 389–417 (2013). https://doi.org/10.1007/s11104-012-1429-7 https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-012-1429-7#citeas
- ↑ Singla S., Husson O. (septembre/octobre 2018) Le potentiel redox - La vie est un petit courant électrique alimenté par le soleil, AGRONOMIE, ÉCOLOGIE ET INNOVATION. TCS N°99 https://agriculture-de-conservation.com/sites/agriculture-de-conservation.com/IMG/pdf/pdfsam_potentiel_redoxtcs99_light.pdf
- ↑ K. R. REDDY and W. H. PATKIC‘K. JK, Effect of alternate aerobic and anaerobic conditions on redox potential, organic matter decomposition and nitrgoen loss in a flooded soil, Biol. Biochem. Vol 7, pp 87-94, Pergamon Press 1995
- ↑ 5,0 et 5,1 Kralova, M., Masscheleyn, P.H., Lindau, C.W. et al. Production of dinitrogen and nitrous oxide in soil suspensions as affected by redox potential. Water Air Soil Pollut 61, 37–45 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00478364
