3.Cycles biogéochimiques

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 physico-chimique 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'atmosphère0,03% du volume de l'atmosphère soit 700 gigatonnes

Rappe l : 1 G t = 1 millia rd de tonnes = 1000 millia rds de kg

- le carbone stocké dans les océans600 Gt : en eaux superficielles39 000 Gt : en eaux profondes

30 000 000 Gt : roches carbonatées d’origine marine (calcaires, dolomies, ...)

- le carbone stocké dans la biosphère continentaleêtres vivants : 700 Gt + sol : 1 100 Gtcombustibles fossiles : plus de 6 000 à 10 000 Gt

1.2. Les échanges biochimiques et physico-chimiques entre les trois réservoirsEchanges atmosphère – biosphère continentale

- prélèvements atmosphériques par les autotrophes- émissions atmosphériques par respiration et fermentations

Echanges à l’interface atmosphère – océans

CO2dissous + 2H2O H3O+ + HCO3-

HCO3- + H2O H3O+ +CO3

2- précipitationCaCO3, MgCO3

Activités humaines et émissions de carbone - 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 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’azotegazeux 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 NH4

+ notamment dans les sols où la nitrification se fait mal (sols anoxiques, sols acides...)- d’autres n’utilisent que NO3

- : 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 N2 par des phénomènes météorologiques

2.1. La minéralisation de l’azote organique

2.1.1. La nitrification par les microorganismes

- 3 étapes : ammonisation, nitrosation, nitratation

Ammonisation : action des Bactéries ammonifiantes

RCHNH2COOH + O2 RH + 2CO2 + NH3acide aminé ammoniac

RCHNH2COOH + O2 + H+ RH + 2CO2 + NH4+

acide aminé ion ammonium

Nitrosation : action des Bactéries nitreuses

2 NH3 + 3 O2 2 HNO2 + H2O + énergieacide nitreux

2 NH4+ + 3 O2 2 NO2

- + 2 H2O + 4 H+ + énergie

Nitratation : action des Bactéries nitriques

2 HNO2 + O2 2 HNO3 + énergieacide nitrique

2 NO2- + O2 2 NO3

- + énergienitrate

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 en ammonium, nitrites et 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 N2O 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 (NH4)2SO4sulfate d’ammonium

HNO3 + NH3 NH4NO3nitrate 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 d’origine anthropique

écosystèmes terrestresCycle incomplet et ouvert, en 2 phases

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 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)

- 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 soufrésdans les molécules : ponts disulfures, groupements thiols

forme minérale : gazeuse (SO2, H2S, ...) ; solide (pyrite, gypse, combustibles fossiles, ...)

4.1. Le soufre dans l’atmosphère

provenance multiple : - H2S activité volcanique (solfatares)- aérosols (Na2SO4) dans les embruns marins- fermentations des sulfobactéries- usage des combustibles fossiles : apports (SO2) très supérieursaux sources naturelles pluies acides et autres conséquencescycle le plus perturbé par l’action de 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 : 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

5.2. La dégradation de l’oxygène moléculaire

respiration, fermentations, combustions

oxydations de minerais : 4 FeO + O2 4 Fe2O3

formation d'ozone : O2 + O O3

incorporation dans le CO2 2 CO + O2 2 CO2

Conclusion : vue d’ensemble