Extraction et quantification de la matière organique des - laboratoire ...

UNIVESITE DE TOULON ET DU VAR
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Encadreur : Gaël Durrieu
Année 2006/2007
RAPPORT DE STAGE
Extraction et quantification de
la matière organique des deux
sols cultivés différemment
Etudiant : MOAHAMED Abdou Koudroi

REMERCIMENT
Ce présent travail est autant le fruit d’un labeur personnel que d’effort de mon
encadreur.
C’est ainsi que je suis particulièrement reconnaissant à Monsieur Gaël Durrieur
d’avoir me supporté lors de ce travail.
Il m’a toujours offert son soutien, son savoir faire, mais surtout il était toujours
présent à tout moment et il a bien veillé pour le bon déroulement de ce travail.
J’adresse aussi mes vifs remerciements à Monsieur Yves Lucas de m’avoir permis
travailler dans son laboratoire.
Je tiens à remercier l’ensemble des professeur du laboratoire aussi que les autres
stagiaires pour leur collaboration et leur gentillesse tout au long de ce travail.
Je serai ingrat si j’ai pas adressé mes profonds remerciement aux trois drôles
dames ; Véro, pour m’avoir offrir sa superbe blouse ; Patricia, pour sa patience le
moment où j’ai renversé l’acide provoquant un court-circuit, et en fin Patel, pour sa
compréhension son encouragement.
2

Bibliographe :
Swift .R.S., 1996. Organic Matter characterization.
Abréviations utilisées
AH : Acides Humiques
AF : Acides Fulviques
FNH : fraction non humifiée
SH : substances humiques
%C : pourcentage en carbone
CT : carbone total
MOS : matière organique de sol
Liste des figures et schémas.
Schémas 1 : distribution de la matière organique de sol……………………….pg 6
Figure 2 : présentation des sites d’études……………………………………….pg 7
Figure 3 : profils de sol et points de prélèvement………………………………pg 8
Figure 4 : Schéma du protocole d’extraction des acides humiques et des
acides fulviques.... ………………………………………………………pg10
Figure 7 : variation de la quantité de carbone total selon les points
de prélèvement………………………………………………………..pg 13
Figure 8 : variation de carbone organique lié à (AF + FNH ) selon les points
de prélèvement…………………………………………………….pg 14
Figure 9 : Variation de carbone organique lié l’acide humique AH selon les points
de prélèvement…………………………………………………………pg 14
Figure 10 : variation de carbone organique lié aux humines selon les points
de prélèvement……………………………………………………….pg 15
3

1. INTRODUCTION
SOMMAIRE
2. ORGINE ET NATURE DES SUBSTANCES HUMIQUES
Le sol et la matière organique
Composition de la matière organique du sol
3. PRESENTATION DES SITES
4. MATERIELS ET METHODES
Préparation des échantillons
Matériels utilisés
Réactifs utilisés
Extraction des acides humiques (AH), fulviques (AF) et les humines
5. ANALYSE ET RESULTATS
Adaptation du protocole par rapport au type de sol
Instrumentation
Présentation et discussion des résultats
• Analyse de carbone total
• Analyse de carbone lié à FA et FNH
• Analyse de carbone lié à AH
• Analyse du carbone lié aux humines
6. CONCLUSION
4

1. INTRODUCTION
Bien que la matière organique (MO) soit un composant mineur des sols, elle est l’un
des principaux composants du sol. Elle s’avère l’élément caractéristique pour un sol
en terme de productivité et ceci dû aux multiples effets qu’elle génère. Elle constitue
environ de 5 à 10 % de la plupart des sols agricoles et est formée par les substances
humiques et non humiques.
Les substances humiques (SH) sont les constituants majeurs de la matière
organique. Elles sont présentes dans tous les écosystèmes, sous forme de
macromolécules carbonées complexes provenant de la dégradation et de la
transformation de la matière organique. Elles présentent de nombreux effets sur
l’environnement au niveau du sol, des plantes ou des microorganismes. Elles sont
décrites comme des molécules stimulantes. Elles ont une influence favorable sur la
structure du sol, sur la croissance et sur le développement des plantes.
Le but de cette étude faite sur deux sites situés sur le Mont Bambouto (chaîne
volcanique du Cameroun) est d’extraire et quantifier la matière organique liée à ces
deux sols afin de comprendre leur évolution ; et d’établir également un protocole
d’extraction bien adapté à ces sols. On a détaillé les divers techniques mises en
place pour caractériser les substances humiques (SH) et ses différents composants.
Dans cette études, l’extrait de la matière organique du sol est caractérisé par l’acide
humique (AH) qui est la fraction insoluble acide (précipité à pH 1), l’acide fulvique
(AF) qui est la fraction soluble à tout pH et les humines fraction insoluble à tout pH.
Par la suite on analyse la quantité de carbone organique total (CO) lié aux
extractions de AH et AF.
.
5

2. ORIGINE ET NATUR DES SUBSTANCES HUMIQUES.
Le Sol et la Matière Organique.
Le sol est un système complexe constitué de différents composants minéraux et
organiques soumis à des phénomènes physiques, chimiques et biologiques en
constante interaction.
. La matière organique des sols est très hétérogène en raison de la nature des
constituants qui la composent et de leur stade de décomposition. Ces constituants
varient selon la diversité de la biomasse et la composition des sols qui en résulte. De
plus, la dégradation des débris organiques est influencée par les conditions
pédoclimatiques (pH, température, humidité et aération du sol) et la variabilité de la
flore microbienne.
Matière organique du sol
Matières non altérées Produits transformés (humus)
Substances humique
(géo polymère)
Figure1 : Distribution de la matière organique des sols
Substances non humiques
(bio polymère)
humines Acides fulviques AF Acides humiques AH
L'humus peut donc être défini comme étant le composé final de la dégradation de la
matière organique. C'est un composé organique stable, à noyaux aromatiques,
riches en radicaux libres et est formé en composé indentifiable et en composé
réfractaire. L'humus est généralement associé aux minéraux argileux et forme le
complexe argilo-humique qui joue un rôle essentiel dans la structure du sol, ses
propriétés mécaniques, physiques, hydriques et chimique.
6

3. PRESENTATION DES SITES D’ETUDE
Le présent travail est effectué sur le Mont Bambouto chaîne volcanique du
Cameroun (voir la petite insertion sur le schéma 1) en particulier sur deux chaînes de
montagne connus sous les noms Mont Méléta et Loung (figure 2 b, étoiles noirs). Ils
couvrent 45% de la superficie de Mont Bambouto. Le Mont Méléta est situé à une
altitude de 2740 m, avec une température annuelle moyenne de 12°C et une
précipitation 2500 mm par an. Le Loung est situé à une altitude de 1820 m, avec une
température annuelle moyenne de 18°C, et une précipitation de 1680 par an.
Figure 2 : présentation des sites d’études
7

La figure 3 est un coupe vertical montrant la différentiation des deux profils étudiés. Il
sont subdivisés en différents horizons. Notre travail est focalisé seulement sur les
horizons extérieurs notés (A) que se soit dans le Mont Méléta ou le Loung. Sur le
Mont Méléta, seulement le premier point (MA11) a été étudié, faute du temps.
Figure 3 : profils de sol et points de prélèvement.
Andosols (Mt Méléta) : Sol noir, fertile, léger, à fort pouvoir absorbant, se
développant sur roches volcaniques dans des conditions de température pas trop
élevée et d'humidité persistante. Ses caractéristiques originales sont sa richesse en
matière organique et la présence de constituants argileux appelés allophanes,
dérivant de l'altération de projections volcaniques basiques ou acides.
Pour le sol Andi ferralitique est un sol dominé par des oxydes de Fe et Al hydratés et
peu de SiO2 , et est intermédiaire entre le sol de basse altitude et l’Andosol. Donc il
peut plus ou moins bénéficier les critères de ces deux sols.
8

4. MATERIAUX ET METHODES
Echantillons
La préparation des échantillons est un étape important dans cette étude. Pour cela,
les échantillons ont été broyés à l’aide d’un mortier d’agate. Ensuite ils sont passés à
travers un tamis de 0,6 mm et un tamis de 0,4 mm. Des sous échantillons sont pris
pour l’analyse de carbone total (CT).
Matériaux :
- Centrifugeuse : pour la séparation de surnageant et de résidu
- Tubes à centrifugeuse.
- Agitateur : pour secouer et homogénéiser les mélanges.
Réactifs utilisés :
- Solution de HCl 1M
- Solution de HCl 6M
- Solution de NaOH 1 M
- Solution de NaOH 0,1M
Toutes les solutions sont préparées avec de l’eau desionisée obtenue par un
système de Millipore-Q.
Extraction des acides humiques (AH), acides fulviques (AF) et les Humines
Ce protocole permet le fractionnement des substances (SH) en acides humique et
fulvique en fonction de leur solubilité différente selon le pH (figure 4). La séparation
de AF et FNH en utilisant une résine XAD 8 n’a pas été faite, faute du temps. Ce
Protocol a été modifié à partir de celui de Swift (1996). Pour chaque type de sol, un
triplicat a été fait.
Etape 1
1 g de sol est mis en suspension avec 30 ml de HCl 1M dans un tube à centrifuger
jusqu’à pH 1. Ceci permet la précipitation des acides humiques AH (insoluble à pH
acide). La suspension est secoué sur un agitateur pendant 1 heure, en suite
centrifugé à une vitesse (2800 tours/min) pendant 30 minutes pour enlever le
surnageant (S1) qui contient les acides fulviques (FA). Le résidus (R1) est solubilisé
de nouveau avec 30 ml de HCl 1M à pH 1. Ce procédé est répétée trois fois pour
chaque réplica pour donner trois surnageant, qui sont mis en commun et seront
analysés pour le carbone organique associé aux fulviques plus humines.
Etape 2
Le résidu (R1) est mis en suspension avec 15 ml de NaOH 1M et 15 ml de NaOH
0,1M jusqu’à pH 13. Le milieu alcalin permet l’entrainement en suspension des
acides humiques (AH) et des acides fulviques (AF) n’ayant pas été extraits lors de
l’étape 1. La suspension est agitée pendant 3 heures sous atmosphère d’azote et
centrifugée avec une vitesse (2800 tours/min) pendant 30 minutes. Le résidu (R2) est
récupéré séché à l’étuve à une température

1 g sol + 30 ml HCl 1M pH =1
Agitation pendant 1 h + centrifugation pendant 30 mn à 2800 tours/mn
Résidu (R1) AH Surnageant (S1)
R1 + 15 ml NaOH 1M + 15 ml 0,1M pH = 13
Agitation pendant 3h sous N2 + centrifugation pendant 30mn
Surnageant Résidu (R2) humine
Surnageant + 20 ml HCl 6M
Résidu (R3)
AH
Dissolution des acides
humiques AH dan 25 ml
de NaOH 1M sous N2
Surnageant (S2)
Acides fulviques AF +
fraction non humifiée FNH
Figure 4 : Schéma du protocole d’extraction des acides humiques et des acides fulviques.
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5. ANALYSE ET RESULTAS.
Adaptation par rapport au type de sol du protocole.
Lors de ce travail, on a jugé nécessaire d’apporter certains changements par rapport
à d’autres extractions faites en suivant ce même protocole afin de mieux fractionner
les différentes fractions des substances humiques.
D’abord une ratio sol extractant de 1g de sol pour 30 ml d’extractant (HCl) pour
l’extraction de AF. Cela est dû à un essai d’un ratio de 10g de sol pour 30 ml
d’extractant et dont couleur d’extrait qu’on a eu était très saturé.
En suite, on a procédé à une répétitivité pour chaque réplicat pour s’assurer qu’on a
extrait le maximum les substances humiques. On a utilisé également des réactifs de
très fortes concentration (HCl 6M) pour précipiter AH lors de la deuxième étape et
(NaOH 1M) pour la dissolution de AH.
Instrumentation
Les analyses de carbone dans les échantillons que se soient solide ou dissous sont
effectuées par oxydation par « voie sèche» à l’aide d’un Shimadzu TOC-5000A
couplé des ses modules SSM-5000A pour les échantillons solides et ASI-5000A
pour les échantillons
liquides (figure 5).
Figure 5 : Photo du Shimadzu TOC-5000A
Principe et appareillage.
Pour les échantillons liquides, le tube à combustion du TOC est rempli de
catalyseur d’oxydation et chauffé à 680°C Le gaz vecteur ( oxygène pur) est
introduit dans ce tube après humidification par un humidificateur et régulation du
débit à 150 ml/mn par un contrôleur de pression et un contrôleur de flux massique.
11

L’échantillon est introduit dans le tube à combustion à l’aide d’un injecteur, tout le
carbone de l’échantillon est alors brûlé et décomposé en CO2. Le gaz vecteur
contenant le produit de la combustion passe à travers un piège halogène, puis dans
la cavité échantillon de la cellule de détection à infrarouge, où a lieu la détection du
CO2. La cellule NDIR génère un signal de détection qui représente un pic dont la
surface est calculée par une unité de traitement de données.
Cette aire est proportionnelle à la concentration de carbone total dans l’échantillon.
Par conséquent, si l’équation de la courbe d’étalonnage exprimant la relation entre la
surface du pic et la concentration en carbone total est connu grâce à un étalonnage
préalable avec une solution standard d’hydrogenophtalate de potassium (dont la
concentration et la composition en carbone sont connues), la concentration en
carbone dans l’échantillon peut être déterminée à partir de la surface calculée du pic.
Pour les échantillons solides, le tube à combustion est chauffé à 900°C.
L’échantillon es placé dans un creuset de céramique brûlé à vide préalablement et
ensuite introduit dans le tube à combustion par un injecteur. Tout le carbone de
l’échantillon est enfin brûlé et décomposé en CO2, puis extraire comme pour les
échantillons liquides.
Etalonnage
Comme pour toute méthode analytique, il est nécessaire d’étalonner l’appareil avec
des solutions standard. Pour une meilleure précision des analyses, il est
recommandé d'adapter les concentrations des solutions standard à celles des
échantillons à analyser. De même, le nombre de points de gamme sera fonction de
la concentration des échantillons. Dans notre cas, on a utilisé une solution de
glucose pour le sol (module SSM).
Aires
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
Courbe Courbe d’étalonnage d'étalonage pour le solide
y = 40,12x
R 2 = 0,9987
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
[C] en micrograme
Figure 6 : Courbe d’étalonnage pour le carbone solide
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Présentation et discussion des résultats
Afin de bien s’assurer que nos échantillons n’ont pas été contaminés lors des
extractions, on a analysé les blancs. Les valeurs trouvées sont de l’ordre de 0,01%C
et 0,02%C , donc très négligeables par rapport aux pourcentage en carbone lié aux
différentes fractions.
De plus, le s valeurs des étalons obtenues lors des analyses de carbone associé que
se soit à AH ou AF+FNH ont été bien corrélées.
La petite différence observée entre le carbone total et la somme de toutes les
fraction correspond au carbone inorganique qui est tellement négligeable.
%C lié au %C lié à %C lié à %C lié au Σ%C(AH, humine,
humine AH AF+FNH Carbone Total FA+FNH )
LA11 2,628 0,901 2,130 6,254 5,66
LA12 3,069 1,201 2,612 7,277 6,883
MA11 5,761 3,404 4,182 13,579 13,347
Tableau présentant l’ensemble des résultats obtenus
Analyse de Carbone Total dans le sol brut
%C
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Carbone Total (CT) dans le sol brut
LA11 LA12 MA11
Points de prélèvement
Figure 7 : variation de la quantité de carbone total selon les points de prélèvement
1- LA11 : Loung en surface
2- LA12 : Loung en profond
3- MA11 : Méléta en surface
Dans cette figure, on observe une légère différence entre la surface et la
profondeur dans le site de Loung. En surface le pourcentage de carbone total est
de 6,7% alors qu’en profondeur il est de 7,1%. Donc une migration de carbone de
la surface vers le fond. Pour le site de Mont Méléta, on remarque une forte teneur
en carbone total par rapport à celle de Loung. Elle est de 13,25% et est à peu
près deux fois celle de Loung en moyenne. Ceci est dû non seulement au climat
tempéré humide et frais qui règne aux altitudes élevées favorisant le
développement de ces sols, avec une température annuel moyen de 12°C, mais
aussi à la nature de ce sol (andosol) riche en matière organique
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%C
Analyse de carbone lié aux fractions fulvique et non humifiée (AF + FNH ).
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
carbone associé àl'acide fulvique et au fraction non humifiée
LA11 LA12
points de prélevement
MA11
figure 8 : variation de carbone organique lié à (AF + FNH ) selon les points de prélèvement.
Analyse de Carbone lié à la fraction humique (AH).
%C
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Carbone organique lié à l'acide humique
LA11 LA12 MA11
points de prelevement
figure 9 : Variation de carbone organique lié l’acide humique AH selon les points de prélèvement.
Comme la figure (8) nous montre, sur le site de Loung (LA), on a une légère
différence de pourcentage de carbone organique aux acides fulviques entre le point
(LA11) en surface et le point (LA12) un peu profond (61 cm) de 2,13% et 2,61%
respectivement. De même pour la graphe (9) on observe un pourcentage en carbone
organique associé aux acides humiques de 0,9% en surface et 1,2% en profondeur.
Ceci résultats vienne de confirmer l’hypothèse de la matière organique vers le fon.
Pour le site de Mt Méléta, dans la figure (8), on a un pourcentage de carbone
organique de 4,18% qui avoisine deux fois celui de Loung en moyenne.
Ce qui est remarquable dans la figure (9), le pourcentage dans le Mt Méléta est plus
élevé par rapport à celui de Loung. Il est de 3,4% et est trois fois plus grand en
moyenne que celui de Loung.
14

Analyse du carbone lié aux humines
%C
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Crbone lié aux Humine
LA11 LA12
Points de prélevement
MA11
Figure 10 : variation de carbone organique lié aux humines selon les points de prélèvement
Dans cette figure on remarque que le carbone organique associé aux humines dans
la région de Loung varie comme celui associé aux acides humiques et aux acides
fulviques + fraction non humifiée (FNH ). Cependant, on observe par rapport aux
résultats précédent une réduction de l’écart entre la quantité de carbone organique
associé aux humine dans la région de Mont Méléta et la région de Loung . Dans la
région de Loung, on a 2,62% en surface et 3,06% en profondeur (61 cm) ; alors que
dans la région de Mont Méléta on a 5.76%.
D’une manière générale, le rapport AH/AF (en faisant abstraction FNH ) est très faible.
Il est de 0,813 dans le Mt Méléta, 0,459 dans Loung en profondeur, et 0,423 en
surface. Ceci montre la jeunesse de deux sols en particulier le Loung.
En outre, on a une contribution en humine de 42,42%, en acide fulvique de 30,79%
et en acide humique de 25,06% par rapport au carbone total dans le Mt Méléta.
De même, dans la région de Loung, on a des contributions en moyenne de 42,1%
pour les humines, 15,53% pour les acides humiques et 35,05% pour les acides
fulviques.
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6. CONCLUSION.
L’objectif de ce travail est non seulement d’extraire et quantifier la matière organique
de ces deux sols, mais aussi de mettre en place un protocole spécifique à ces types
de sols.
En effet, lors de cette étude, on a extrait la matière organique de ces deux sols en
utilisant des réactifs très concentrés, un ratio sol – extractant bien adapté (1g de sol
pour 30 ml extractant et procédure de replicats.
Cependant, la contribution élevée des humines par rapport aux autres fractions
indique que on a des sols anaérobies, dégradation moins de la matière organique.
En outre, la matière organique de ces deux sols contient 98,29% de carbone
organique ( Mt Méléta) et 92,69% de carbone organique (Loung).
En fin, la région de Loung peut être caractérisé par sa teneur en acide fulvique plus
élevée (35,05%) que sa teneur en acide humique (15,53%).
Mais on remarque également sa teneur en carbone organique en profondeur qu’en
surface qui es la migration de carbone organique. Ce qui m’a impressionné.
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