Quénéa, Katell (2004) Étude structurale et dynamique des fractions lipidiques et organiques rÉfractaires de sols d'une chronosÉquence forÊt/maÏs (cestas, sud ouest de la france). PhD thesis sciences de l'environnement, Paris VI, ENSCP.

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Abstract

Soil organic matter (OM) is an important pool of carbon on Earth. The OM stock depends on biologic factors, thus soil OM constitutes the global carbon cycle compartment the more sensitive to anthropic and climatic disturbances. In the course of biodegradation, OM represents an atmospheric CO2 source, hence a better knowledge of its structure and dynamic modelling is necessary and to forecast atmospheric CO2 variation, linked to environmental modifications. Different kinetic pools have been distinguished in soil OM which residence times vary from years to millennia. The more important residence time pools represent a stable stock of carbon poorly submitted to disturbance. The qualitative determination and quantitative estimation of this stock of carbon still has to be improved. During this work, we have studied the structure and dynamic of lipids, often considered as relatively stable, and of a chemically refractory fraction, obtained by a protocol including acid and basic hydrolyses. This fraction can present a resistance to biodegradation. Thus, we have studied two sandy soils (podzols) belonging to a chronosequence: a forest soil converted to maize cropping.
Lipid composition determination in three particle-size fractions (sand, silt and clay) of these two soils, especially by GC-MS, makes possible to have access to substantial information on their source and dynamic. Spectroscopic methods (13C NMR, FTIR) combine to pyrolytic methods and chemical oxidations provide information on refractory organic matter (ROM) chemical composition and structure. Soil comparison has revealed the corn cropping influence on lipids and ROM. Moreover natural 13C abundance makes possible to obtain data on OM, lipids and ROM dynamic.

Table of content

Sommaire - 1
Avant-propos - 4
Introduction générale - 6
Valorisation des résultats du travail - 9
PARTIE A :CADRE GENERAL DE L'ÉTUDE - 10
I. Le sol - 11
1.1 Définition - 11
1.2 Fraction minérale - 12
1.3 Fraction organique - 12
II. La matière organique du sol - 13
2.1 Définition - 13
2.2 Analyses de la MOS - 13
2.3 Composition de la MOS - 14
2.3.1. Les substances non-humiques - 15
2.3.1.1 Carbohydrates - 15
2.3.1.2 Les composés azotés - 15
2.3.1.3 Les tannins - 15
2.3.1.4 Les lipides - 16
2.3.1.5 La cutine et la subérine - 17
2.3.1.6 Lignine - 19
2.3.1.7 Les carbonisats - 20
2.3.2. Les substances humiques - 21
2.4 Évolution de la MO dans le sol - 24
2.4.1 Minéralisation - 24
2.4.2 Humification - 25
2.4.3 Stabilisation - 26
III. Rôle de la MOS - 27
3.1 Nutrition - 27
3.2 Interaction avec les polluants - 27
3.3 Structure du sol - 28
3.4 La MOS dans le cycle global du carbone - 31
3.4.1 Le cycle global du carbone - 31
3.4.2 Effet de la mise en culture sur le stock de carbone du sol - 33
3.4.3 Pools cinétiques de la MOS - 33
3.4.3.1 Le marquage isotopique naturel de la MO - 34
3.4.3.2 Datation 14C - 36
IV. MO réfractaire - 37
4.1 Les carbonisats - 37
4.2 Les unités aliphatiques - 38
V. Objectifs de l'étude - 39
PARTIE B :LE SOL FORESTIER - 41
I Lipides: Variation de l'abondance relative et de la composition des lipides de différentes fractions granulométriques - 43
1.1. Results and discussion - 44
1.1.1. Mass balance - 44
1.1.2. Molecular composition - 45
1.1.2.1. Free amides - 47
1.1.2.2. Free carboxylic acids - 47
1.1.2.3 Free hydrocarbons - 50
1.1.2.4. Free ketones - 52
1.1.2.5. Free alkanols - 54
1.1.2.6. Lipid saponification - 54
1.2. Conclusion - 62
II Matière organique réfractaire - 64
2.1 Caractéristiques spectroscopiques et pyrolytiques de la fraction macromoléculaire réfractaire d'un sol forestier - 66
2.1.1 Results and discussion - 66
2.1.1.1. ROM abundance and elemental composition - 66
2.1.1.2. ROM spectroscopic features - 67
2.1.2. ROM thermal degradation - 70
2.1.2.1 Conventional pyrolysis (CuPy-GC/MS) - 70
2.1.2.2. Thermochemolysis (THM-GC/MS) - 74
2.1.2 Conclusions - 81
2.2 Dégradations chimiques de la fraction macromoléculaire réfractaire d'un sol forestier - 83
2.2.1. Results and discussion - 83
2.2.1.1. Sodium persulfate degradation of the refractory organic matter (ROM) - 83
2.2.1.2. Alkaline permanganate degradation of ROM - 85
2.2.1.3. Sodium perborate degradation of ROM - 87
2.2.1.4. Ruthenium tetroxide degradation of ROM and HRTEM observations - 89
2.2.2 Comparison of the oxidative treatments - 93
2.2.3 Conclusions - 95
Conclusion partielle de la partie B - 97
PARTIE C :INFLUENCE DE LA MISE EN CULTURE - 98
I. Étude moléculaire et isotopique de lipides dans trois fractions granulométriques d'un sol cultivé: sources, dégradation, comparaison avec le sol forestier - 100
1.1 Results and discussion - 100
1.1.1 Bulk features of the particle-size fractions - 100
1.1.2 Lipid composition of the particle-size fractions - 103
1.1.2.1 Free fatty acids - 104
1.1.2.2 Bound fatty acids - 105
1.1.2.3 Bound hydroxy acids - 106
1.1.2.4 Bound diacids - 108
1.1.2.5 Bound aromatic acids - 109
1.1.2.6 Free alkanols - 111
1.1.2.7 Found alkanols - 112
1.1.2.8 Alkanes - 113
1.1.2.9 Alkanones - 115
1.1.2.10 Lipid sources in particle-size fractions - 117
1.1.3 Differences between the particle-size fractions: Comparison with the forest soil - 118
1.1.4 Contribution of forest-inherited and of maize materials in the cropped soil - 121
1.1.4.1 n-Alkane distribution in maize shoots and roots. Comparison with the cropped soil - 121
1.1.4.2 Bulk isotopic measurements - 123
1.1.4.3 Isotopic measurements on individual compounds - 127
1.2 Conclusions - 129
II Influence de la conversion d'un sol forestier à la culture de maïs sur la structure chimique de la matière organique réfractaire - 132
2.1 Results and discussion - 132
2.1.1. Mass balance, elementary analysis - 132
2.1. 2 Solid state 13C NMR - 135
2.1.3 Pyrolytic studies - 136
2.1.3.1 Conventional pyrolysis (Py-GC/MS) - 136
2.1.3.2 Pyrolysis in the presence of TMAH (THM-GC/MS) - 140
2.2. Conclusions - 146
III Les Carbonisats de 2 sols appartenant à une chronoséquence et dans les différentes fractions granulométriques - 148
3.1 Introduction - 148
3.1.1 Rôle dans le cycle du carbone - 148
3.1.2 Rôle dans le bilan radiatif terrestre et le climat - 149
3.1.3 Interaction avec les polluants - 150
3.1.4 Rôle des carbonisats dans la formation de la MOS - 150
3.1.5 Les carbonisats dans le sols de Cestas - 151
3.2 Résultats et discussion - 151
3.2.1 MOR des différentes fractions granulométriques - 151
3.2.2 Carbonisats - 156
3.2.2.1 Oxydation chimio thermique - 156
3.2.2.2 Tri optique - 157
3.3 Conclusions - 159
Conclusion partielle de la partie C - 160
Conclusions générales et perspectives - 162
Bibliographie - 167
Annexes - 188
1. Site d'étude (d'après Jolivet (2000)) - 189
2. Fractionnement granulométrique - 190
3. Protocoles d'isolement - 191
3.1 Extraction des lipides - 191
3.1.1 Lipides libres - 191
3.1.2 Lipides de haut poids moléculaire - 191
3.1.3 Méthylation et silylation des lipides - 192
3.2 Isolement de la matière organique réfractaire - 192
3.2.1 Protocole 1 - 194
3.2.2 Protocole 2 - 195
3.3 Isolement des carbonisats - 195
4. Dégradations chimiques - 195
5. Méthodes d'analyse - 197
5.1 Analyse élémentaire - 197
5.2 Analyses spectroscopiques - 197
5.2.1 Infra rouge à transformée de Fourier - 197
5.2.2 Résonance magnétique nucléaire à l'état solide du carbone 13 - 197
5.3 Etudes chromatographiques - 198
5.4 Etudes pyrolytiques - 199
5.5 Analyse isotopique du 13C - 200
5.6 La microscopie électronique à transmission haute résolution - 202

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