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Les cycles biogéochimiques

3.Cycles biogéochimiques

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Les cycles biogéochimiques

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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

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-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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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...

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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

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Conclusion : vue d’ensemble