Le métabolisme synergique de l’azote et du soufre conduisant à la biodétérioration révélé par des analyses métagénomiques et de DNA‑SIP à la résidence de Chen Cihong

Pourquoi les monuments en pierre s’effritent lentement

Des temples anciens aux maisons centenaires, de nombreux bâtiments en pierre bien-aimés se dégradent silencieusement de l’intérieur. Cette étude examine l’ancienne résidence de Chen Cihong, un ensemble de demeures historiques dans le sud de la Chine, afin de comprendre comment des communautés microbiennes invisibles vivant à la surface de la pierre accélèrent la fissuration, l’écaillage et la perte des sculptures. En suivant la façon dont ces microbes traitent deux éléments courants — l’azote et le soufre — les chercheurs dévoilent un moteur chimique caché qui transforme la pluie et l’air en acides et en sels qui détruisent lentement la pierre.

Films microscopiques sur les vieux murs

Quiconque visite la résidence Chen Cihong peut voir des films sombres et des taches sur la pierre, les carreaux, le verre et le bois. Ces surfaces sont des biofilms : de fines couches visqueuses formées par des bactéries, des champignons et d’autres microbes. L’équipe a prélevé des biofilms à plusieurs endroits, en particulier sur des balcons en granit exposés aux intempéries. Ils ont mesuré l’humidité, l’acidité et les ions dissous comme les nitrates et les sulfates, puis utilisé le séquençage de l’ADN pour identifier les microbes présents. Les surfaces pierreuses, en particulier un échantillon du dernier étage, hébergeaient des communautés bactériennes particulièrement riches spécialisées dans l’utilisation des composés azotés, ce qui suggère que des réactions chimiques clés se déroulaient précisément à l’interface pierre‑air.

La boucle azotée cachée

Pour voir ce que faisaient réellement ces microbes, les chercheurs ont utilisé une méthode astucieuse de traçage avec une forme lourde d’azote, connue sous le nom de ¹⁵N. Ils ont cultivé des biofilms de pierre en laboratoire avec de l’ammoniac marqué, puis ont isolé l’ADN ayant incorporé cet azote lourd pour montrer quels microbes l’utilisaient activement. Ils ont aussi suivi la transformation de l’azote marqué en nitrite et en nitrate au fil du temps. Les résultats ont montré que les microbes sur la pierre oxydent activement l’ammoniac en formes d’azote plus oxydées — une chaîne de réactions souvent appelée nitrification — tandis que d’autres microbes convertissaient le nitrate en gaz évacués vers l’air, un processus nommé dénitrification. Une troisième voie, appelée DNRA, recyclait le nitrate en ammoniac. Ensemble, ces étapes forment une boucle azotée interne qui régénère continuellement les composés nécessaires pour maintenir les réactions et continuer à produire des sels dissous agressifs à l’intérieur de la pierre.

Quand l’azote rencontre le soufre

L’analyse métagénomique — c’est‑à‑dire la reconstruction des boîtes à outils génétiques des microbes directement à partir d’ADN environnemental — a révélé un élément supplémentaire : de nombreux groupes microbiens importants portaient des gènes à la fois pour la dénitrification et pour l’oxydation du soufre. Cela signifie que les mêmes biofilms qui manipulent l’azote peuvent aussi arracher des électrons à des composés soufrés, produisant du sulfate. Le sulfate se combine facilement avec le calcium et le magnésium présents dans la pierre pour former des minéraux comme le gypse. Lorsque ces sels croissent et cristallisent dans de minuscules pores, ils repoussent la roche de l’intérieur, provoquant fissures et desquamation de surface. L’étude suggère que les composés azotés produits par la nitrification servent d’accepteurs d’électrons pour les microbes oxydant le soufre, reliant ainsi les deux cycles en un moteur puissant et autorenforçant de formation d’acide et d’accumulation de sels.

Une attaque interne lente mais puissante

Les auteurs montrent que cette chimie couplée azote–soufre n’est pas seulement une curiosité ; elle sous‑tend probablement une grande partie de l’affaiblissement à long terme des œuvres en pierre de Chen Cihong. En périodes humides, les nitrates et sulfates formés par les biofilms sont entraînés dans la pierre avec les eaux d’infiltration. En périodes sèches, ils cristallisent, augmentant la pression interne et favorisant la propagation des fissures. La dénitrification peut parfois réduire la charge en nitrate et alléger légèrement l’acidité, mais en pratique elle reste incomplète et contribue malgré tout à des modifications chimiques nuisibles pour la pierre. La DNRA, en réinjectant de l’ammoniac dans le système, aide à maintenir le cycle pendant des années voire des décennies.

Vers des protections plus intelligentes

Pour les restaurateurs, le message est que nettoyer les surfaces ne suffit pas. L’étude fournit un cadre pour cibler les voies métaboliques spécifiques qui causent les dégâts, comme ralentir sélectivement les microbes oxydant l’ammoniac ou rompre la boucle azotée en éliminant les nitrates accumulés. Toute intervention de ce type doit être douce et soigneusement testée, car ces communautés microbiennes sont complexes et la pierre elle‑même est irremplaçable. Néanmoins, en cartographiant l’entrelacement des cycles de l’azote et du soufre à la surface d’une résidence historique, ce travail offre une feuille de route claire pour protéger le patrimoine pierreux mondial contre une attaque biologique invisible mais implacable.

Citation: Liang, X., Gao, X., Xie, C. et al. Synergistic nitrogen-sulfur metabolism driving biodeterioration revealed by metagenomic and DNA-SIP analyses at the Chen Cihong residence. npj Herit. Sci. 14, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02467-x

Mots-clés: biodétérioration de la pierre, biofilms microbiens, cycle de l’azote, oxydation du soufre, conservation du patrimoine culturel