1. Résumé historique bref
Les bactéries du sol sont au cœur de la microbiologie depuis la fin du XIXe siècle. Sergueï Winogradsky a établi le rôle des bactéries chimiolithotrophes dans la nitrification et les cycles du soufre et de l’azote ; Martinus Beijerinck a développé les cultures d’enrichissement et étudié des symbioses fixatrices d’azote.
Au XXe siècle, les sols deviennent une source majeure d’antibiotiques, notamment via les Actinomycètes comme Streptomyces. Dans les années 1980, la great plate count anomaly souligne que la majorité des microbes observables ne pousse pas sur milieux standards. Depuis les années 2000, le séquençage 16S, la métagénomique et les approches multi-omiques ont révélé une diversité beaucoup plus vaste que celle accessible par culture seule. ([OUP Academic][1])
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2. Nature des bactéries du sol
Un sol est un écosystème tridimensionnel hétérogène : particules minérales, matière organique, eau, air, racines, champignons, protozoaires, nématodes, virus et bactéries. Les bactéries ne sont pas réparties uniformément : elles colonisent surtout les films d’eau, les agrégats, la rhizosphère — zone influencée par les racines — et les micropores.
Un gramme de sol peut contenir jusqu’à environ :
$$10^9 - 10^{10}\ \text{cellules bactériennes}$$
selon le type de sol, l’humidité, la profondeur et la méthode de mesure. La diversité peut atteindre des milliers à dizaines de milliers de taxons par gramme, mais ces estimations varient fortement selon les méthodes moléculaires utilisées. ([PLOS][2])
Les grands groupes fréquents sont : Pseudomonadota/Proteobacteria, Actinomycetota/Actinobacteria, Bacillota/Firmicutes, Acidobacteriota, Bacteroidota, Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Nitrospirota et parfois Cyanobacteriota dans les croûtes biologiques. Les anciens noms restent très utilisés en pédagogie et dans la littérature.
Le pH du sol est l’un des meilleurs prédicteurs de la diversité bactérienne : les communautés bactériennes varient fortement entre sols acides, neutres et alcalins. Une étude continentale classique a montré que le pH expliquait une grande part de la variation de richesse bactérienne, et une analyse globale récente indique que plus de \(75\ \%\) des genres bactériens étudiés peuvent être reliés à des préférences de pH. ([PNAS][3])
Liens avec les autres disciplines :
- Physique : diffusion de \(\mathrm{O_2}\), de l’eau et des solutés dans les pores.
- Chimie : pH, potentiel redox, complexation des métaux, disponibilité du phosphore.
- Écologie : compétition, mutualisme, prédation, réseaux trophiques.
- Mathématiques : modèles spatiaux, abondance relative, indices de diversité.
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3. Rôles écologiques majeurs
3.1 Cycle du carbone
Les bactéries dégradent les sucres, acides organiques, protéines, lipides, lignocelluloses partiellement accessibles, exsudats racinaires et molécules humiques. Elles participent à la minéralisation de la matière organique :
$$\mathrm{matière\ organique} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \mathrm{biomasse} + \mathrm{chaleur}$$
En conditions anaérobies, elles réalisent des fermentations ou respirations utilisant d’autres accepteurs d’électrons : nitrate, sulfate, \(\mathrm{Fe(III)}\), \(\mathrm{Mn(IV)}\). Les bactéries méthanotrophes consomment le méthane, tandis que la méthanogenèse proprement dite est surtout assurée par des archées, non par des bactéries.
3.2 Cycle de l’azote
Les bactéries interviennent dans presque toutes les étapes majeures du cycle de l’azote : ammonification, nitrification, dénitrification et fixation biologique de \(\mathrm{N_2}\). ([Centre d’Information en Biotechnologie][4])
Fixation biologique de l’azote :
$$N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$$
Cette réaction est catalysée par la nitrogénase, enzyme très coûteuse énergétiquement et sensible à l’oxygène. Elle est réalisée par des bactéries libres comme Azotobacter, associatives comme Azospirillum, symbiotiques comme Rhizobium/Bradyrhizobium chez les légumineuses, ou Frankia chez certaines plantes actinorhiziennes.
Nitrification globale simplifiée :
$$NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$$
Elle acidifie le sol par production de protons.
Dénitrification simplifiée :
$$2NO_3^- + 10e^- + 12H^+ \rightarrow N_2 + 6H_2O$$
Si elle est incomplète, elle peut produire du \(\mathrm{N_2O}\), puissant gaz à effet de serre.
3.3 Cycles du phosphore, du soufre, du fer et des métaux
Certaines bactéries solubilisent le phosphore minéral par production d’acides organiques, phosphatases ou phytases. D’autres oxydent ou réduisent le soufre, le fer ou le manganèse, modifiant la mobilité des nutriments et des contaminants.
3.4 Effets sur les plantes
Les bactéries de la rhizosphère peuvent stimuler les plantes par :
- fixation de \(\mathrm{N_2}\) ;
- solubilisation du phosphate, du potassium ou du zinc ;
- production de sidérophores captant \(\mathrm{Fe^{3+}}\) ;
- production d’auxines comme l’IAA ;
- activité ACC désaminase, qui réduit le stress lié à l’éthylène ;
- induction de résistance systémique contre certains pathogènes ;
- production d’antibiotiques, lipopeptides ou composés volatils. ([PubMed Central][5])
3.5 Structure du sol
Les biofilms et exopolysaccharides bactériens participent à la formation d’agrégats, à la rétention d’eau et à la stabilité structurale. Cet effet est couplé à l’activité des champignons, racines et faune du sol.
Liens avec les autres disciplines :
- Thermodynamique : les bactéries exploitent les gradients redox pour produire de l’ATP.
- Biochimie : enzymes extracellulaires, chaînes respiratoires, transporteurs membranaires.
- Climatologie : \(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{CH_4}\) et \(\mathrm{N_2O}\) dépendent partiellement des métabolismes microbiens.
- Agronomie : fertilité, rendement, santé des plantes, stockage du carbone.
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4. Culture en laboratoire
4.1 Principe général
La culture consiste à prélever un sol, disperser les cellules dans un diluant stérile, réaliser des dilutions décimales, ensemencer des milieux solides ou liquides, puis isoler des colonies. Mais la culture donne une vision partielle : une faible fraction des bactéries du sol pousse sur milieux standards, car beaucoup exigent des conditions lentes, pauvres, symbiotiques, anaérobies ou très proches de leur microhabitat naturel. ([PubMed Central][6])
4.2 Conditions usuelles
Pour des bactéries hétérotrophes non exigeantes, on utilise souvent :
| Objectif | Milieux possibles | Conditions typiques |
|---|---|---|
| Bactéries hétérotrophes générales | TSA dilué, R2A, gélose nutritive, extrait de sol | \(20-30\ ^\circ\mathrm{C}\), 2-14 jours |
| Oligotrophes | R2A dilué, milieux pauvres | incubation longue |
| Actinomycètes | ISP, amidon-caséine, milieux avec antifongique si autorisé | colonies sèches, croissance lente |
| Fixateurs libres d’azote | milieux sans azote combiné, ex. type Ashby | sélection fonctionnelle |
| Solubilisateurs de phosphate | milieux avec phosphate insoluble | halo clair autour des colonies |
| Dégradeurs de cellulose | CMC + révélation appropriée | halo enzymatique |
| Anaérobies | jarres anaérobies, chambres anaérobies | absence d’\(\mathrm{O_2}\) |
| Microbes de gradients redox | colonne de Winogradsky | enrichissement écologique |
La colonne de Winogradsky est un dispositif pédagogique et expérimental montrant des gradients de lumière, oxygène, sulfure, carbone et redox ; elle enrichit des communautés stratifiées plutôt que des isolats purs. ([PubMed Central][7])
4.3 Bonnes pratiques de biosécurité
Un sol peut contenir des opportunistes, spores, toxines ou pathogènes environnementaux. Les pratiques doivent donc être fondées sur une évaluation du risque, avec confinement, désinfection, EPI et élimination adaptés. Le manuel OMS de biosécurité recommande une approche fondée sur l’évaluation transparente du risque avant toute manipulation biologique. ([Organisation mondiale de la santé][8])
À retenir : on ne cultive pas « le microbiome du sol » ; on cultive une fraction sélectionnée par le milieu, la température, l’oxygène, le pH, la durée et les interactions absentes.
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5. Techniques d’identification
5.1 Méthodes classiques sur isolats
| Méthode | Ce qu’elle donne | Limite principale |
|---|---|---|
| Morphologie coloniale | couleur, forme, texture, pigmentation | peu discriminant |
| Microscopie + Gram | morphologie cellulaire, Gram +/-, spores | Gram \(\neq\) phylogénie |
| Tests biochimiques | catalase, oxydase, nitrate, sucres | dépend des conditions |
| Galeries API/Biolog | profil métabolique | bases orientées vers espèces cultivées |
| MALDI-TOF MS | empreinte protéique rapide | dépend fortement des bases de spectres |
Le MALDI-TOF est très puissant pour des isolats déjà cultivés, surtout lorsque la base de données contient des références proches ; pour les bactéries environnementales rares ou nouvelles, l’identification peut rester au genre ou échouer. ([Nature][9])
5.2 Identification moléculaire
Séquençage 16S rRNA.
On amplifie le gène codant l’ARNr 16S, puis on compare la séquence aux bases SILVA, RDP, NCBI ou GTDB. C’est excellent pour le niveau genre, mais souvent insuffisant pour discriminer des espèces proches. Une revue classique indique que le 16S identifie généralement mieux le genre que l’espèce. ([PubMed Central][10])
Génomique complète.
Pour décrire une espèce bactérienne avec rigueur, on utilise de plus en plus l’ANI — Average Nucleotide Identity — et le dDDH numérique. Les seuils usuels sont environ :
$$95-96\ \%\ \mathrm{ANI}$$
et :
$$70\ \%\ \mathrm{dDDH}$$
mais ils ne doivent pas être appliqués mécaniquement sans phylogénie, écologie et phénotype. ([PubMed Central][11])
5.3 Méthodes sans culture
| Méthode | Usage | Limite |
|---|---|---|
| Métabarcoding 16S | structure taxonomique | biais PCR, résolution limitée |
| qPCR | abondance de gènes ciblés, ex. nifH, amoA, nirK, nosZ | cible limitée |
| Métagénomique shotgun | potentiel fonctionnel global | coûteux, assemblage complexe |
| Métatranscriptomique | gènes exprimés | ARN fragile, instantané temporel |
| Métaprotéomique | protéines actives | extraction difficile |
| Métabolomique | molécules produites | attribution taxonomique difficile |
| FISH | localisation spatiale de taxons | sondes spécifiques nécessaires |
| SIP, isotopes stables | relie fonction et organisme actif | protocole lourd |
| PLFA | biomasse et grands groupes | faible résolution taxonomique |
Le séquençage à haut débit a transformé la microbiologie du sol, mais il reste sensible aux biais d’extraction d’ADN, de choix d’amorces, d’annotation et d’abondance relative. ([PubMed Central][12])
Liens avec les autres disciplines :
- Statistiques : diversité alpha/bêta, ordination, modèles mixtes, réseaux.
- Bioinformatique : ASV, OTU, assemblage, MAGs, annotation fonctionnelle.
- Chimie analytique : spectrométrie de masse, isotopes, métabolites.
- Écologie fonctionnelle : relier taxons, gènes, activité et processus mesurés.
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6. Applications en biotechnologies
6.1 Biofertilisants et agriculture durable
Les inoculants bactériens cherchent à améliorer la nutrition ou la résistance des plantes. Exemples :
- Rhizobium, Bradyrhizobium : nodulation des légumineuses, fixation de \(\mathrm{N_2}\) ;
- Azospirillum : stimulation racinaire, fixation associative ;
- Bacillus : spores résistantes, biocontrôle, enzymes ;
- Pseudomonas : sidérophores, antibiose, rhizosphère ;
- Frankia : symbioses actinorhiziennes.
Les mécanismes proposés incluent fixation d’azote, solubilisation du phosphate, production de phytohormones, sidérophores, ACC désaminase et induction de résistance systémique. ([PubMed Central][5])
Limite majeure : un inoculant efficace en serre peut échouer au champ à cause du pH, de la sécheresse, de la compétition avec le microbiome local, du cultivar végétal, du sol ou de la formulation.
6.2 Biocontrôle
Certaines bactéries réduisent les maladies végétales par antibiose, compétition pour le fer, occupation de niches ou stimulation des défenses de la plante. Exemples : Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, Pseudomonas fluorescens. Bacillus thuringiensis produit des toxines Cry utilisées contre certains insectes ravageurs.
6.3 Bioremédiation
Les bactéries du sol peuvent transformer, immobiliser ou dégrader des polluants :
- hydrocarbures : Pseudomonas, Rhodococcus, Sphingomonas ;
- pesticides : hydrolyses, oxydations, déhalogénations selon les molécules ;
- métaux lourds : biosorption, précipitation, réduction, complexation ;
- solvants et xénobiotiques : voies cataboliques spécialisées.
Pour les métaux, il faut être prudent : les bactéries ne « détruisent » pas un élément métallique ; elles changent sa spéciation, sa mobilité ou sa biodisponibilité. Des revues récentes soulignent l’intérêt mais aussi la complexité de la remédiation microbienne des sols contaminés. ([PubMed Central][13])
6.4 Découverte de molécules naturelles
Les Actinomycètes du sol, surtout Streptomyces, sont une source historique d’antibiotiques, antifongiques, anticancéreux, immunosuppresseurs et enzymes. Les génomes d’actinomycètes contiennent de nombreux BGC — biosynthetic gene clusters — silencieux en conditions standards ; l’enjeu moderne est d’activer ces voies cryptiques par co-culture, stress, signaux écologiques ou ingénierie génomique. ([ScienceDirect][14])
6.5 Enzymes et industrie
Les bactéries du sol fournissent des enzymes robustes :
- cellulases et xylanases : biomasse lignocellulosique ;
- chitinases : biocontrôle et valorisation de chitine ;
- protéases et lipases : détergents, alimentation, biocatalyse ;
- nitrilases, monooxygénases, dioxygénases : chimie verte ;
- biosurfactants : dépollution, émulsification, formulation.
6.6 Sols, climat et ingénierie écologique
Les microbiotes du sol sont testés dans la restauration écologique, la régénération de sols dégradés, la stabilisation d’agrégats, la réduction de stress hydrique et le suivi de trajectoires de restauration. Les applications restent prometteuses mais dépendantes du contexte écologique. ([PubMed Central][15])
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7. Données quantitatives essentielles
| Paramètre | Ordre de grandeur ou valeur | Commentaire |
|---|---|---|
| Abondance bactérienne totale | jusqu’à \(10^9-10^{10}\) cellules/g de sol | varie selon sol, profondeur, méthode |
| Richesse estimée | milliers à dizaines de milliers de taxons/g | dépend du séquençage et des seuils |
| Fraction cultivable standard | souvent faible, parfois \(\lesssim 1\ \%\) avec méthodes classiques | great plate count anomaly |
| Température d’incubation courante | \(20-30\ ^\circ\mathrm{C}\) | pour bactéries mésophiles du sol |
| Durée d’incubation | 2 jours à plusieurs semaines | lente pour oligotrophes/actinomycètes |
| Fixation de \(\mathrm{N_2}\) | \(\geq 16\) ATP par \(\mathrm{N_2}\) réduit | coût minimal biochimique de la nitrogénase |
| Seuil ANI indicatif d’espèce | \(\sim 95-96\ \%\) | à compléter par d’autres critères |
| dDDH indicatif d’espèce | \(\sim 70\ \%\) | taxonomie génomique |
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8. Limites, incertitudes et controverses
1. Culture vs réalité écologique : les colonies ne représentent qu’une fraction sélectionnée du microbiome.
2. ADN \(\neq\) activité : le séquençage peut détecter de l’ADN mort, dormant ou relicte.
3. Taxonomie \(\neq\) fonction : deux taxons proches peuvent avoir des fonctions différentes ; inversement, une même fonction peut être portée par des groupes éloignés.
4. Inoculants variables : beaucoup de biofertilisants fonctionnent en conditions contrôlées mais donnent des résultats irréguliers au champ.
5. Risques écologiques : introduction de souches non natives, transfert horizontal de gènes, perturbation d’un microbiome local, dissémination de résistances.
6. Métagénomique incomplète : les bases de données sous-représentent les bactéries non cultivées et les sols tropicaux, arides ou extrêmes.
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9. Synthèse pédagogique
Idées essentielles
1. Le sol est un habitat microstructuré, pas un milieu homogène.
2. Les bactéries du sol gouvernent des étapes clés des cycles C, N, P, S, Fe et Mn.
3. Le pH, l’humidité, l’oxygène, la matière organique et les racines structurent fortement les communautés.
4. La culture est indispensable pour tester des fonctions, mais elle est très biaisée.
5. Le 16S identifie souvent le genre, rarement l’espèce avec certitude.
6. La métagénomique décrit le potentiel fonctionnel, pas nécessairement l’activité réelle.
7. Les bactéries du sol sont centrales pour les biofertilisants, le biocontrôle, la bioremédiation et la découverte de molécules naturelles.
8. Les applications au champ exigent validation écologique, agronomique et réglementaire.
Trois erreurs fréquentes
1. Croire que toutes les bactéries du sol poussent sur gélose nutritive.
Faux : la majorité échappe aux conditions standards.
2. Assimiler abondance relative à abondance absolue.
Une proportion peut augmenter alors que le nombre réel de cellules diminue.
3. Déduire une fonction uniquement du nom taxonomique.
Il faut des gènes, transcrits, protéines, métabolites ou tests fonctionnels.
Auto-évaluation
Q1. Pourquoi la nitrogénase impose-t-elle des contraintes fortes aux bactéries fixatrices d’azote ?
Parce qu’elle consomme beaucoup d’ATP et est inhibée par l’oxygène.
Q2. Pourquoi le 16S ne suffit-il pas toujours à identifier une espèce ?
Parce que des espèces proches peuvent avoir des séquences 16S presque identiques.
Q3. Quelle différence entre bioremédiation d’un hydrocarbure et d’un métal lourd ?
Un hydrocarbure peut être dégradé chimiquement ; un métal ne disparaît pas, sa spéciation ou sa mobilité change.
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Bibliographie sélective, sources originales majoritairement en anglais
1. Peddle SD et al. 2024/2025. Practical Applications of Soil Microbiota to Improve Ecosystem Restoration. Biological Reviews / PubMed-PMC. Revue. Identifiant : PubMed 39075839. Indice : 82/100. ([PubMed Central][15])
2. Schniete JK, Fernández-Martínez LT. 2024. Natural Product Discovery in Soil Actinomycetes: Unlocking Their Potential within an Ecological Context. Current Opinion in Microbiology. Revue. DOI : 10.1016/j.mib.2024.102487. Indice : 86/100. ([ScienceDirect][16])
3. DeFord L, Yoon JY. 2024. Soil Microbiome Characterization and Its Future Directions with Biosensing. Journal of Biological Engineering. Revue. DOI : 10.1186/s13036-024-00444-1. Indice : 78/100. ([PubMed Central][12])
4. Riesco R et al. 2024. Update on the Proposed Minimal Standards for the Use of Genome Data for the Taxonomy of Prokaryotes. Recommandations/taxonomie. Identifiant : PMC10963913. Indice : 88/100. ([PubMed Central][17])
5. Timofeeva AM et al. 2023. Plant Growth-Promoting Soil Bacteria: Nitrogen Fixation, Phosphate Solubilization, Siderophore Production and Other Mechanisms. Revue. Identifiant : PMC10748132 / PubMed 38140401. Indice : 84/100. ([PubMed Central][5])
6. World Health Organization. 2020. Laboratory Biosafety Manual, 4th Edition. Manuel institutionnel. ISBN OMS. Indice : 95/100. ([Organisation mondiale de la santé][8])
7. Raynaud X, Nunan N. 2014. Spatial Ecology of Bacteria at the Microscale in Soil. PLOS ONE. Article/revue conceptuelle. DOI : 10.1371/journal.pone.0087217. Indice : 88/100. ([PLOS][2])
8. Stewart EJ. 2012. Growing Unculturable Bacteria. Journal of Bacteriology. Revue. DOI : 10.1128/JB.00345-12. Indice : 90/100. ([PubMed Central][6])
9. Fierer N, Jackson RB. 2006. The Diversity and Biogeography of Soil Bacterial Communities. PNAS. Article. DOI : 10.1073/pnas.0507535103. Indice : 95/100. ([PNAS][3])
10. Torsvik V, Øvreås L. 2002. Microbial Diversity and Function in Soil: From Genes to Ecosystems. Current Opinion in Microbiology. Revue. DOI : 10.1016/S1369-5274(02)00324-7. Indice : 95/100. ([ScienceDirect][18])
11. NCBI Bookshelf. Bacterial Metabolism, chapitre de microbiologie médicale. Ouvrage de référence en ligne. Identifiant : NBK7919. Indice : 85/100. ([Centre d’Information en Biotechnologie][4])
[1]: https://academic.oup.com/femsre/article/36/2/364/565076 "Sergei Winogradsky: a founder of modern microbiology and bacterial ecology"
[2]: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0087217 "Spatial Ecology of Bacteria at the Microscale in Soil | PLOS ONE"
[3]: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.0507535103 "The diversity and biogeography of soil bacterial communities"
[4]: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7919/ "Bacterial Metabolism - Medical Microbiology - NCBI Bookshelf"
[5]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10748132/ "Plant Growth-Promoting Soil Bacteria: Nitrogen Fixation, Phosphate Solubilization, Siderophore Production and Other Mechanisms"
[6]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3416243/ "Growing Unculturable Bacteria"
[7]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4125166/ "16S rRNA Gene Survey of Microbial Communities in Winogradsky Columns"
[8]: https://www.who.int/publications/i/item/9789240011311 "Laboratory biosafety manual, 4th edition"
[9]: https://www.nature.com/articles/s41597-025-04504-z "A MALDI-ToF mass spectrometry database for identification"
[10]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2045242/ "16S rRNA Gene Sequencing for Bacterial Identification in the Diagnostic Laboratory"
[11]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9148247/ "New Insights into the Taxonomy of Bacteria in the Genomic Era"
[12]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11389470/ "Soil microbiome characterization and its future directions with biosensing"
[13]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12737338/ "Advances in Microbial Remediation of Heavy Metal Contaminated Soils"
[14]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369527424000638 "Natural product discovery in soil actinomycetes: unlocking their potential within an ecological context"
[15]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11718600/ "Practical applications of soil microbiota to improve ecosystem restoration"
[16]: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369527424000638 "Natural product discovery in soil actinomycetes: unlocking their potential within an ecological context"
[17]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10963913/ "Update on the proposed minimal standards for the use of genome data for the taxonomy of prokaryotes"
[18]: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369527402003247 "Microbial diversity and function in soil: from genes to ecosystems"