Agronomie 22 (2002) 51-68
DOI: 10.1051/agro:2001001

Interactions between microbial processes and geochemical transformations under anaerobic conditions: a review

Fabrice Dassonville and Pierre Renault

INRA, Unité "Climat, Sol et Environnement", Domaine Saint-Paul, Site Agroparc, 84914 Avignon Cedex 9, France

(Received 21 December 2000; accepted 6 November 2001)

Abstract
Anaerobiosis in soil can have undesirable environmental effects on the soil, the deep vadose zone, the aquifer and the atmosphere. These effects include the mobilisation of metals and the emission of greenhouse gases resulting from microbial processes interacting closely with geochemical transformations. The main pathways of anaerobic microbial catabolism are respiration, fermentation, acetogenesis and methanogenesis. On the one hand, geochemical properties of the solution affect microbial activities through substrate availability, thermodynamic regulations and inhibition. On the other hand, microbial activities affect the pH of the soil solution, its reduction/oxidation level, the complexation of metals with volatile fatty acids, and solid particles by modulating adsorption/desorption and dissolution/precipitation reactions. However, some of the solid phases (e.g. calcite, metal oxides and oxyhydroxides) can partially buffer the evolution of the solution. Abiotic transformations can also partly regenerate terminal electron acceptors used by micro-organisms. Only a few models combine microbial and geochemical transformations. Most of them were initially proposed to describe anaerobic biodigestors. In this specific case, geochemical transformations are restricted to acid/base reactions, and reactions between solids and the solution are ignored. Various environmental problems could benefit from improved biogeochemical models, which have to distinguish explicitly between microbial and abiotic transformations because of their kinetic behaviour and their different causal factors.

Résumé
Interactions entre processus microbiens et transformations géochimiques en condition d'anaérobiose : une bibliographie. L'existence de conditions anaérobies dans un sol peut avoir des effets environnementaux néfastes sur ce sol, ainsi que sur la zone non saturée profonde, l'aquifère et l'atmosphère. Ces effets incluent la mobilisation de métaux et l'émission de gaz à effet de serre. Ils résultent de processus microbiens interagissant étroitement avec les transformations géochimiques. Les principales voies du catabolisme microbien anaérobie sont des respirations, les fermentations, l'acétogénèse et la méthanogénèse. D'un côté, les caractéristiques géochimiques de la solution affectent les activités microbiennes au travers de la disponibilité en substrats, de régulations thermodynamiques, et d'inhibitions. D'un autre côté, les activités microbiennes affectent le pH de la solution du sol, son niveau d'oxydoréduction, la complexation des métaux avec des acides gras volatils, et les réactions d'adsorption/désorption et de dissolution/précipitation au niveau des phases solides. Certaines particules solides (calcite, oxydes et oxyhydroxydes métalliques) peuvent toutefois tamponner partiellement l'évolution de la solution et les transformations abiotiques peuvent régénérer partiellement des accepteurs terminaux d'électrons utilisés par les micro-organismes. Peu de modèles couplent processus microbiens et transformations géochimiques ; la plupart d'entre eux ont été proposés initialement pour décrire le fonctionnement des bio-digesteurs anaérobies ; les transformations géochimiques sont alors restreintes aux réactions acido-basiques, et les réactions entre solides et solution sont ignorées. De nombreuses problématiques environnementales nécessitent le développement de modèles biogéochimiques, qui doivent distinguer les transformations microbiennes des transformations abiotiques en raison de leur caractère cinétique et des facteurs spécifiques les affectant.

Key words: anaerobic microbiology / geochemistry / soil / organic matter / model

Mots clés : microbiologie anaérobie / géochimie / sol / matière organique / modèle

Correspondence and reprints: Fabrice Dassonville
    e-mail: fabrice.dassonville@avignon.inra.fr

Communicated by Edward Topp (London, Canada)

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