Cycle et niveau de classe

• Fin de cycle 4 pour pratiquer une démarche de modélisation et développer l’esprit critique. 

• Seconde en proposant une ressource et une question complémentaires, après l’interprétation des résultats, afin de tester la validité du modèle. 

Objectifs pédagogiques

Mettre en œuvre une démarche scientifique de modélisation pour montrer le rôle des cyanobactéries dans les sols cultivés et les conséquences, à l’échelle globale, de leur disparition liée à la pratique d’une agriculture intensive. 

Source : d’après les travaux de recherche de Vincent Jassey, chercheur au CNRS (publication scientifique du 1/02/2022 sur la contribution du phytoplancton du sol au cycle du carbone et sur l’enjeu de sa préservation comme piste d’atténuation du réchauffement climatique )

Compétences et capacités travaillées

- Mettre en œuvre un protocole expérimental avec usage de microcontrôleurs (sonde à CO₂ utilisable dans l’air ; référence MH-Z16)
- Utiliser un logiciel d’acquisition et de traitement de données : logiciel Arduino

CRCN1.3 : Traiter des données
CRCN 5.2 : Evoluer dans un environnement numérique

Outils numériques - intérêt et limites

- Utiliser Arduino permet d’aborder la programmation avec des capteurs à moindre coût. Ce logiciel permet de capter des données dans un fichier tableur pour les traiter.

- Utiliser un sol stérile (placé à l’étuve) aurait été pertinent pour réaliser la modélisation mais, dans ce cas, la vapeur d’eau du milieu perturbe le fonctionnement du capteur à CO₂ en émettant un rayonnement infra-rouge. C’est pourquoi, le sol stérile est modélisé par du papier filtre stérile qui absorbe l’humidité lors du dépôt des cyanobactéries et du milieu nutritif.

- Utiliser une Lampe LED pour éviter l’effet de serre. 

- Utiliser des surfaces équivalentes de papier filtre permet de déposer des volumes de cyanobactéries équivalents pour pouvoir comparer les résultats obtenus et tester leur fiabilité. 

- Confronter le modèle à la réalité permet d’interroger la démarche suivie. 

Contextualisation 

Aujourd’hui l’agriculture intensive, de par ses pratiques culturales comme le labour et l’utilisation de pesticides, provoque une perte de la biodiversité des microorganismes qui peuplent les sols. Les cyanobactéries disparaissent des sols cultivés. 

Objectif : 

Afin d’argumenter sur le rôle des cyanobactéries dans les sols cultivés, on cherche à montrer qu’un sol riche en cyanobactéries a la capacité d’absorber le CO₂ atmosphérique, un des principaux gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. 

Organisation : 

Répartition : groupes de deux élèves de fin de cycle 4
Durée : 1h30 

Consignes :

1. Concevoir une stratégie expérimentale, à partir du matériel et des ressources mis à votre disposition, pour montrer qu’un sol riche en cyanobactéries a la capacité d’absorber le CO₂ atmosphérique à la lumière mais aussi dans des conditions de faible intensité lumineuse comme le matin, le soir ou par temps nuageux. 

Matériel à disposition : 

• Erlenmeyers de 100 ml (bioréacteur) dont l’orifice est adapté au diamètre du capteur

• Parafilm et papier aluminium pour assurer l’étanchéité de l’orifice en présence du capteur

• Echantillon de cyanobactéries du genre Nostoc 

• Support nutritif (papier filtre stérile imbibé de liquide nutritif) représentant sol stérile riche en eau et en sels minéraux

• Pinces longues

• Lampe LED (lumière blanche) 

• Papier aluminium

• Sonde à CO₂ utilisable dans l’air (MH-Z16)

• Logiciel Arduino d’acquisition et de traitement de données (fiche technique)

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Ressources : 

Acquisition d'une observation microscopique de cyanobactéries (x1 000)

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Données : 

Une cyanobactérie est une cellule chlorophyllienne

Equation bilan de la photosynthèse :

Une cellule chlorophyllienne contient des pigments dont les molécules de chlorophylle de couleur verte qui absorbent les radiations lumineuses nécessaires à la photosynthèse. 

Les cyanobactéries ne réalisent pas la respiration : elles ne rejettent donc pas de CO₂.
 

2. Mettre en œuvre le protocole pour obtenir des résultats exploitables. 

Étapes du protocole à réaliser : 
 - Déposer les cyanobactéries sur le support nutritif 
 - Déposer le support recouvert de cyanobactéries au fond de l’erlenmeyer 
 - Réaliser des mesures de la concentration en O₂ dans l’air de l’erlenmeyer étanche pendant 6 minutes

La manipulation sera successivement réalisée pour les 3 conditions d’éclairement : 

• 2 min en lumière blanche directe (lumière ambiante et lampe LED allumée)

• 2 min avec une faible intensité lumineuse (lumière ambiante mais lampe LED éteinte pour simuler une faible intensité lumineuse)

• 2 min sans lumière (erlenmeyer recouvert de papier aluminium)

 - Reproduire ces étapes en déposant le support nutritif sans cyanobactéries au fond de l’erlenmeyer. 

Point de vigilance : placer des supports nutritifs de surfaces équivalentes (un carré de papier filtre stérile de 3 cm de côté) dans l’erlenmeyer. 

Photos du dispositif expérimental : 

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Il est possible d’installer le logiciel Sparkvue de Sordalab sur le portable pour mesurer et quantifier l’intensité lumineuse en Lux durant l’expérience. 

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3. Communiquer les résultats sous la forme de votre choix et les exploiter pour répondre à l’objectif visé.

Exemples de productions d’élèves

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Montage	Témoin

Résultats complémentaires obtenus avec le même dispositif expérimental mais sur une durée plus longue et avec une condition de pénombre en plus

Mesure de la luminosité	Mesure de la concentration en CO2
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Exploitation des résultats

Constat : En présence de lumière, quelle que soit l’intensité lumineuse, les cyanobactéries du sol absorbent le CO₂ dans l’air. Sans lumière cette absorption cesse. Sans cyanobactéries sur le support (témoin), la concentration en CO₂ de l’air reste stable. 

Apport des connaissances utiles : les cyanobactéries sont des cellules chlorophylliennes dont les pigments peuvent capter les radiations lumineuses pour réaliser la photosynthèse qui utilise le CO₂. De plus elles ne pratiquent pas la respiration et ne rejettent pas de CO₂.

Déduction : les cyanobactéries ont la capacité d’absorber le CO₂ atmosphérique à la lumière mais aussi avec de faibles intensités lumineuses (le matin, le soir ou par temps nuageux). 
Donc un sol riche en cyanobactéries fixe le CO₂ atmosphérique durant toute la journée. Le CO₂ est l’un des principaux gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Donc la préservation des cyanobactéries dans les sols constitue une piste d’atténuation du réchauffement climatique. 

Bilan et retour des élèves

- Motivation et engagement des élèves de collège qui conçoivent et mettent en œuvre leur stratégie expérimentale de modélisation avec acquisition et traitement de données.

- Esprit critique suscité : nécessité de réaliser le protocole dans des conditions expérimentales identiques pour permettre la reproductibilité de l’expérience afin de comparer les résultats obtenus à un ensemble plus représentatif. 

Pour aller plus loin

En classe de seconde, développer l’esprit critique en proposant une ressource et une question complémentaires, après l’exploitation des résultats, pour tester la validité du modèle en le comparant à la réalité de la biodiversité du sol. Lien vers l’activité

Il est possible également de mener cette démarche expérimentale dans le cadre d’un projet expérimental et numérique sur le niveau de Première, en enseignement scientifique. En effet, on peut la relier à la partie sur le rayonnement solaire.

En enseignement scientifique de Terminale, on peut l’envisager dans la partie sur la complexité du système climatique pour montrer que les organismes chlorophylliens constituent un puits de CO₂.

Le dispositif Arduino se compose de la carte Arduino Uno, du module Grove Shield, du capteur CO2 MH-Z16B et du détecteur de lumière Grove 101020030. La carte Arduino et l'interface de connexion peuvent être intégrées dans un boîtier imprimé en 3D.