Les cycles biogéochimiques
Introduction - Matière vivante composée d'éléments minéraux (env. 40 dont 26 essentiels) - O, C, N, H : env 95% - P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg : env 5% - Traces ou micro nutriments (Al, Mo, F, Sr, Zn, Co, ...) - Abondance non révélatrice de l'importance - Les éléments circulent dans les écosystèmes : éléments minéraux
molécules organiques reminéralisation, etc...
autotrophes hétérotrophes décomposeurs environnement physicochimique etc...
notion de cycle
-Les différents éléments ou corps chimiques sont stockés dans des réservoirs il existe des échanges sous forme de flux entre ces réservoirs : objet d'étude de la géochimie -les cycles font intervenir des phénomènes physico-chimiques, mais aussi biologiques : notion de biogéochimie -cycle de chaque élément n'est pas indépendant - peu de pertes dans les écosystèmes terrestres non perturbés : recyclage des éléments
1. Le cycle du carbone Cycles du carbone et de l‘oxygène très étroitement liés cf. équation de la photosynthèse 6 CO2 + 6 H2O + énergie
(C6H12O6) + 6 O2
Passage CO2 minéral au monde organique = réaction clé de la vie sur terre Rappel : respiration libère CO2 et H2O
1.1. Les trois grands réservoirs naturels du carbone - le CO2 stocké dans l'atmosphère 0,03% du volume de l'atmosphère soit 700 gigatonnes Rappe l l : 1 G t = 1 mi l l iar i ar d de ton tonnes nes = 1 00 0 mi mi l l iar i ar ds de kg
- le carbone stocké dans les océans 600 Gt : en eaux superficielles 39 000 Gt : en eaux profondes 30 000 000 Gt : roches carbonatées d’origine marine (calcaires, dolomies, ...) - le carbone stocké dans la biosphère continentale êtres vivants : 700 Gt + sol : 1 100 1 00 Gt combustibles fossiles : plus de 6 000 à 10 000 Gt
1.2. Les échanges biochimiques et physico-chimiques entre les trois réservoirs Echanges atmosphère – biosphère continentale l es autotrophes - prélèvements atmosphériques par les
- émissions atmosphériques par respiration r espiration et fermentations
Echanges à l’interface atmosphère – océans CO2dissous + 2H2O HCO3- + H2O
H3O+ + HCO3H3O+ +CO32- précipitation
Activitéss humaines et émissions de carbone Activité
CaCO3, MgCO3
- combustions, agriculture, exploitation des calcaires (chaux, ciments) - émission de 7 Gt /an dont seuls 2/3 sont fixés (océans, sols) - aggravé par la deforestation et la l a destruction des milieux naturels
1.3. Fossilisation du carbone organique
2. Le cycle de l’azote - azote minéral - N2 gazeux très abondant = 4/5 de l’air atmosphèrique - fixé par des bactéries et toutes les Cyanobactéries - parfois symbiotiques, permettent à certains végétaux de fixer l’azote gazeux atmosphérique (ex. Légumineuses et Rhizobium) - NH4+ et NO3- : seules formes utilisables par la plupart des plantes - beaucoup de plantes utilisent les deux ions - certaines utilisent de façon quasi exclusive NH 4+ notamment dans les sols où la nitrification se fait mal (sols anoxiques, sols s ols acides...) - d’autres n’utilisent que NO 3- : plantes nitrophiles - dans les sols NO3- est instable et très lessivable - azote organique : constituant de toutes les cellules vivantes, acides aminés, acides nucléiques... - minéralisé à la mort des organismes par le processus de nitrification - transformation de N 2 par des phénomènes météorologiques
2.1. La minéralisation de l’azote organique 2.1.1. La nitrification par les l es microorganismes - 3 étapes : ammonisation, nitrosation, nitratation Ammonisation : action des Bactéries ammonifiantes RCHNH2COOH + O2
RH + 2CO2 + NH3
RCHNH2COOH + O2 + H+
RH + 2CO2 + NH4+
acide aminé
acide aminé
ammoniac
ion ammonium
Nitrosation : action des Bactéries nitreuses 2 NH3 + 3 O2
2 HNO2 + H2O + énergie
2 NH4+ + 3 O2
2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ + énergie
acide nitreux
Nitratation : action des Bactéries nitriques 2 HNO2 + O2
2 HNO3 + énergie
2 NO2- + O2
2 NO3- + énergie
acide nitrique nitrate
2.1.2. Minéralisation de l’azote organique par les macroorganismes excrétion d’urée ou d’acide urique transformés par les bactéries du milieu extérieur extérieur en ammonium, ammonium, nitrites et nitrates nitrates
2.1.3. La dénitrification - transformation de nitrates en nitrites par certaines bactéries - responsable de l’accumulation de nitrites dans certaines nappes phréatiques : eau impropre à la consommation - se poursuit parfois jusqu’à une production d’oxyde d’azote N 2O ou même de N2
2.2. Synthèse des engrais et cycle de l’azote Molécules de synthèse libérant rapidement des ions ammonium ou nitrates Ex.
H2SO4 + 2 NH3 HNO3 + NH3
(NH4)2SO4 sulfate d’ammonium NH4NO3 nitrate d’ammonium
3. Le cycle du phosphore Élément fondamental dans la matière vivante (molécules énergétiques, acides nucléiques, membranes cellulaires...) Plutôt rare dans la biosphère nécessité d’un recyclage efficace Source unique : altération des roches ignées (0,08% en poids, apatites, phosphorites) Nouvelle source récente : pollution poll ution d’origine anthropique Cycle incomplet et ouvert, en 2 phases
écosystèmes terrestres écosystèmes aquatiques
3.1. Le phosphore dans les écosystèmes terrestres Dissolution des roches phosphatées
Absorption racinaire
Incorporation dans le réseau trophique
Minéralisation à la mort des organismes : P organique phosphates
Réutilisation d’une partie par les végétaux
Majeure partie lessivée écosystèmes aquatiques
cycle terrestre incomplet
3.2. Le phosphore dans les écosystèmes aquatiques - phosphates arrivent par ruissellement - incorporation dans les réseaux trophiques par les algues al gues planctoniques : P facteur limitant dans des conditions normales - parfois excédentaire sous l’action de l’homme dérèglement : l'eutrophisation - petite partie P exportée vers les milieux terrestres (pêche, guano) gu ano) - partie recyclée par les écosytèmes aquatiques - majeure partie sédimente en profondeur sortie du cycle fossilisation en roches phosphatées
cycle aquatique ouvert
4. Le cycle du soufre forme organique : acides aminés soufrés dans les molécules : ponts disulfures, groupements thiols forme minérale : gazeuse (SO2, H2S, ...) ; solide (pyrite, gypse, combustibles fossiles, ...) 4.1. Le soufre dans l’atmosphère l’ atmosphère provenance multiple : - H2S activité volcanique (solfatares) - aérosols (Na2SO4) dans les embruns marins - fermentations des sulfobactéries - usage des combustibles fossiles : apports (SO 2) très supérieurs aux sources naturelles pluies acides et autres conséquences cycle le plus perturbé par l’action de l’homme l’ homme 4.2. Le soufre dans les sédiments - combiné à d’autres éléments (Fe, Mg, Ca, P, ...) : pyrite, gypse... - combiné à la matière organique fossilisée fossil isée : houille, pétrole, tourbe...
5. Le cycle de l’oxygène 5.1. La production d’oxygène moléculaire par photosynthèse : cycle très lié à celui du carbonen et de l’eau l’ eau
5.2. La dégradation de l’oxygène moléculaire respiration, fermentations, combustions oxydations de minerais : formation d'ozone :
4 FeO + O 2 4 Fe2O3 O2 + O O3
incorporation dans le CO 2
2 CO + O2 2 CO2
Conclusion : vue d’ensemble
