Dual fungal systems for carbon fixation and strengthening of thawed permafrost soils

Lorsque le sol sort d’un état de pergélisol en raison du dégel, la dégradation de son carbone organique natif s’accélère, entraînant la libération de CO₂ et un affaiblissement significatif du sol. Cette étude propose une approche fongique double, utilisant Saccharomyces cerevisiae et Pleurotus ostreatus, appelée précipitation de calcite induite par des champignons intégrés au mycélium (MFICP), visant à la fois la fixation du carbone et le renforcement des sols de pergélisol dégelés. Le CO₂ produit par la respiration des levures a été converti in situ en CaCO₃, tandis que le mycélium fongique a créé un réseau structurel tridimensionnel et servi de sites de nucléation pour le dépôt minéral. L’analyse LECO a montré une diminution du carbone organique accompagnée d’une augmentation du carbone inorganique sous forme de CaCO₃, le traitement MFICP avec 7 % de copeaux de bois (WC) présentant les valeurs les plus élevées. La spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie (EDS) a confirmé que cet échantillon possédait la plus grande quantité de CaCO₃ cristallin, et l’imagerie par microscopie électronique à balayage a révélé des réseaux mycéliens denses avec une formation minérale importante. Les essais mécaniques de surface par pénétration au cône ont montré que l’échantillon MFICP avec 7 % WC atteignait une résistance au cisaillement non drainé de 193 kPa, contre moins de 10 kPa pour les sols non traités. Dans l’ensemble, la MFICP apparaît comme une stratégie prometteuse pour améliorer simultanément la minéralisation du carbone et la stabilité mécanique des sols de pergélisol en cours de dégel.

Abstract

When soil transitions out of a permafrost state due to thawing, the breakdown of its native organic carbon accelerates, resulting in the release of CO₂ and significantly weakening the soil. This study introduces a dual-fungal approach, using Saccharomyces cerevisiae and Pleurotus ostreatus, called Mycelium-Integrated Fungal-Induced Calcite Precipitation (MFICP), designed to both fix carbon and strengthen thawed permafrost soils. CO₂ produced by yeast respiration was converted in situ into CaCO₃, while fungal mycelium created a three-dimensional structural network and acted as nucleation sites for mineral deposition. LECO analysis indicated a reduction in organic carbon alongside an increase in inorganic carbon as CaCO₃, with the 7% wood chip (WC) MFICP treatment showing the highest levels. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) confirmed that this sample had the most crystalline CaCO₃, and Scanning Electron Microscopy imaging revealed dense mycelial networks with substantial mineral formation. Surface mechanical testing using fall cone penetration showed that the 7% WC MFICP sample reached an undrained shear strength of 193 kPa, compared to less than 10 kPa in the untreated soils. Overall, MFICP demonstrates a promising strategy for simultaneously enhancing carbon mineralization and mechanical stability for thawing permafrost soils.