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Notions élémentaires d’écologie

Dans chaque écosystèmes des échanges cycliques de matière interviennent. Quels sont ces différents cycles ?

  •  Le cycle du carbone
  •  Le cycle de l’azote
  •  Le cycle du phosphore
  •  Le cycle du soufre
  •  Le cycle de l’eau

    Le cycle du carbone

    Définition

    L’atome de carbone est un élément fondamental de la matière vivante. Il se trouve sous deux formes :

  •  organique constituant l’essentiel des molécules des organismes vivants.
  •  inorganique comme par exemple le carbone du CO2 atmosphérique ou celui du calcaire (CaCO3).

    La plupart de ces composés peuvent participer à de nombreuses réactions chimiques.

    Le carbone est présent dans :

  •  les êtres vivants
  •  l’air
  •  les océans
  •  l’écorce terrestre

    Le carbone circule entre :

  •  l’atmosphère : couche gazeuse entourant le globe terrestre
  •  la biosphère : partie de la terre où le règne végétal et animal vivent
  •  l’hydrosphère : partie de la terre constituée d’eau
  •  la lithosphère : partie superficielle minérale de la terre
    Les grands réservoirs de carbone
    Réservoirs Valeurs de carbone en GigaTonnes (GT)
    atmosphère 750 GT
    Biosphère 2360 GT
    Hydrosphère (océans) 38 000 GT
    Lithosphère (sédiments et roches) 65 500 000 GT

    6Source : V. Eschenbrenner, 2002. IRD6

    Fonctionnement
    1) Le cycle du carbone organique

    La vie sur terre influence profondément la composition de l’atmosphère en libérant du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4). Les processus de respiration et de fermentation fabriquent la plus grande partie de ces émanations.

    La photosynthèse et la respiration sont les deux réactions chimiques de base du recyclage du carbone.

    a) Réaction de photosynthèse

    La seule source de carbone pour les végétaux autotrophes est le CO2 atmosphérique.

    Le rôle de la photosynthèse, dans le cycle du carbone, est de fixer du carbone atmosphérique.

    La réaction de photosynthèse est la suivante :

    H2O + CO2+ énergie solaire -> CH2O + O2

    Ce qui équivaut à :

    Eau+ dioxyde de carbone -> hydrate de carbone (glucose par exemple) + dioxygène

    Les végétaux (producteurs primaires), en captant l’énergie solaire, transforment le CO2 combiné à l’eau (H2O) en matières organiques (énergie chimique) avec un dégagement d’oxygène (O2). Les organismes consommateurs récupèrent cette matière organique en l’ingérant et en respirant.

    b) La respiration

    Le rôle de la respiration, dans le cycle du carbone, est de libérer de l’énergie.

    La réaction de respiration est la suivante :

    CH2O + O2 -> CO2 + H2O+ chaleur

    Ce qui équivaut à :

    hydrate de carbone + dioxygène -> dioxyde de carbone + eau + chaleur

    Les organismes consommateurs absorbent l’oxygène de l’atmosphère et transforme l’énergie chimique (un hydrate de carbone comme le glucose ) en dioxyde de carbone.

    Une troisième réaction chimique utilise le dioxyde de carbone : la fermentation.

    c) La fermentation

    Le rôle de la fermentation, dans le cycle du carbone, est d’utiliser le carbone non atmosphérique.

    La partie de matière organique qui n’est pas absorbée par les consommateurs se trouve dans les sols ou les sédiments marins. Deux groupes de micro organismes décomposent cette matière organique en dégageant du dioxyde de carbone et/ou du méthane.

    Le premier groupe se compose des organismes aérobies (qui ont besoin d’oxygène). Ces organismes décomposent la matière organique en dégageant du dioxyde de carbone (cf : réaction de respiration).

    Le deuxième groupe se compose d’organismes anaérobies (qui n’ont pas besoin d’oxygène). Ces organismes décomposent la matière organique en produisant du dioxyde de carbone et du méthane par fermentation.

    C6H12O6 -> 3CO2 + 3CH4

    matière organique -> dioxyde de carbone + méthane

    2) Le cycle du carbone inorganique

    Les processus qui entrent en jeu dans le cycle du carbone inorganique sont de nature géologique et s’étendent sur plusieurs milliers d’années.

    Ce carbone est contenu dans les océans, l’atmosphère et les sédiments et les roches carbonatées.

    L’altération des roches continentales va transformer le CO2 dissout dans l’eau en HCO3- (bicarbonate).

    Des organismes assemblent le HCO3- au calcium (Ca2+) pour sécréter leur coquille ou leur squelette.

    Impacts des activités humaines

    La concentration en dioxyde de carbone augmente anormalement tous les ans par suite de l’accroissement des activités humaines.

    En 2004, le taux de dioxyde de carbone est de 377,1 ppm [1]. Depuis l’ère préindustrielles, cette valeur a augmenté de 35 % . Depuis 10 ans, la hausse se chiffre à 19 ppm. Le dioxyde de carbone augmente régulièrement de 1,8 ppm/an en moyenne.
    6Source : Organisation Météorologique Mondiale (OMM), 20046

    Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre et il participe au réchauffement climatique.

    Depuis le début du XXe siècle, la température a augmenté de 0,6°C. Au XXIe siècle une hausse des températures de 1,4 à 5,8°C est envisagée. Des phénomènes météorologiques extrèmes risqueront d’être plus fréquents (tempêtes, inondations, canicules). 6Source : ADEME6

    D’après Météo France, les températures estivales de fin de nuit pourraient augmenter en moyenne de 4 à 7°C à la fin du siècle en France. En hiver les températures augmenteraient de 2 à 4°C en moyenne.

    D’après le troisième rapport du GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) une élévation moyenne du niveau de la mer entre 9 et 88 cm d’ici 2100 est envisagée.

    Estimation en 1995 Estimation en 2000
    Hausse des températures moyennes en 2100 par rapport à 1990 (°C) + 1 à + 3,5 + 1,5 à + 5,8
    Elévation du niveau de la mer jusqu’en 2100 par rapport à 1990 (m) + 0,15 à + 0,95 +0,08 à + 0 ,88
    Niveau de la concentration de CO2 dans l’atmosphère jusqu’en 2100 (ppm) 500 540 à 970
    Hausse de la température du globe entre 1860 et 2000 (°C) + 0,3 à +0,6 + 0,4 à +0,8

    6Source : GIEC6

    Le cycle de l’azote

    Comprendre sa circulation et son impact sur les écosystèmes.
    Définition

    L’atmosphère constitué de 78 % d’azote en volume et de 75% en masse, est le principal réservoir du cycle de l’azote. Les organismes ont besoin d’azote pour fabriquer leurs tissus, leurs acides aminés, par exemple. Mais la plupart d’entre eux ne peuvent utiliser l’azote atmosphérique N2 (ou diazote).

    Fonctionnement

    La fixation de l’azote correspond à la conversion de l’azote atmosphérique en azote utilisable (ammoniac NH3 et ions nitrates NO3- par les plantes.

    Le cycle de l’azote comprend trois étapes :

  •  la fixation de l’azote atmosphérique par des bactéries spécialisées,
  •  la récupération de l’azote contenues dans les matières organiques mortes par des micro oraganismes,
  •  la dénitrification par d’autres bactéries spécialisées qui transforme les nitatres en diazote avant qu’il ne retourne dans l’atmosphère.
    La fixation de l’azote atmosphérique

    La fixation d’azote atmosphérique résulte essentiellement de l’action de certaines bactéries dans les sols.

    Exemple

    Certaines bactéries vivant en symbiose avec les légumineuses, sont de puissants fixateurs d’azote.

    La plante fournit les matières organiques dont les bactéries ont besoin.

    Les bactéries lui apportent l’azote utilisable qu’elles synthétisent à partir de l’azote atmosphérique.

    Certaines légumineuses telles la luzerne et le trèfle, sont utilisés en rotation avec d’autres cultures afin d’enrichir le sols en nitrate.

    Récupération de l’azote contenu dans les matières organiques mortes

    Le cycle de l’azote se poursuit au niveau des décomposeurs. Les végétaux ne pouvant utiliser l’azote que sous la forme minérale (nitrique ou ammoniacale), l’azote organique de ces déchets doit être minéralisé.

    Ce sont des micro-organismes décomposeurs (bactéries hétérotrophes, champignons (actinomycètes) qui transforment l’azote des protéines et autres formes d’azote organique en nitrites puis en nitrates.

    Les trois principales étapes de cette minéralisation sont les suivantes :

  •  l’ammonification qui transforment l’azote aminé des protéines en ammoniaque (NH4)
  •  la nitrosation qui transforme l’ammoniac en nitrites (NO2) ;
  •  la nitratation, qui transforme les nitrites en nitrates. (NO3-)

    Les nitrates, très solubles dans l’eau ne sont pas retenus dans le sol. Ils suivent l’eau dans ses déplacements. Ils s’infiltrent pour rejoindre les nappes phréatiques, et/ou ruisseler pour gagner un cours d’eau. Il en résulte une pollution des eaux par les nitrates et les nitrites. Cette pollution aboutit par exemple à l’eutrophisation d’un plan d’eau, par exemple,ou provoque un dépassement du seuil de nitrates rendant l’eau non potable.

    La dénitrification

    La dénitrification est réalisée par des bactéries, dites dénitrifiantes, qui décomposent les ions nitrates (NO3-) en azote (N2). Ensuite, l’azote se volatilise et retourne dans l’atmosphère. Ces bactéries emploient les nitrates comme source d’oxygène pour fabriquer l’énergie dont elles ont besoin.

    Cette réaction dégage des produits secondaires comme du CO2 et de l’oxyde d’azote N2O. Or, le N2O est un puissant gaz effet de serre qui contribue de façon significative à l’élévation des températures globales et à la destruction de la couche d’ozone dans la stratosphère. Même si sa concentration reste faible dans l’atmosphère, il faut savoir qu’une molécule de N2O est 200 fois plus efficiente qu’une molécule de CO2 pour créer un effet de serre.

    Impact des activités humaines

    La concentration en N2O atmosphérique augmente annuellement de manière assez conséquente par suite de l’accroissement de la dénitrification.

    En 2004, le taux de protoxyde d’azote (N2O) dans l’atmosphère est de 318,6 ppb. Une hausse de 18% par rapport à celle calculée à l’ère industrielle est observée. Le N2O augmente très régulièrement à un rythme de 0,8 ppb/an . 6Source : Premier bulletin annuel sur les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre. (2004). Organisation Météorologique Mondiale (OMM)6

    "En France, l’agriculture contribuerait 75 % des emissions de N2O provenant essentiellement de la transformation des produits azotés dans les sols agricoles (engrais, fumier, résidus de récolte, lisier)". 6(Source : INRA 2003)6

    Le cycle du phosphore

    Définition

    Le phosphore (P) est un atome essentiel à la fabrication des acides nucléiques ARN (AcideRiboNucleique) et ADN (AcideDesoxiRibonucléique) et des molécules énergétiques comme l’ATP (Adénosine Triphosphate).

    A la différence du carbone, de l’azote et de l’oxygène, le phosphore n’est pas contenu en grande quantité dans l’atmosphère et est majoritairement présent dans les roches volcaniques et sédimentaires. Il constitue donc un facteur limitant dans le milieu terrestre.

    Fonctionnement

    Les sols contiennent un grand volume de phosphore mais une faible partie seulement est accessible aux organismes vivants.

    Le phosphore entre dans les systèmes biologiques par les processus naturels d’érosion. Ce phosphore est absorbé par les plantes qui le transforment en phosphate organique. Il transporte l’énergie dans la plante et favorise sa croissance générale, notamment du système racinaire et des tiges. Ces phosphates organiques entrent dans les cycles de la matière par les chaînes alimentaires et de décomposition.

    En milieu marin, le phosphore accède aux chaînes alimentaires marines par l’intermédiaire du plancton et des poissons qui en ont besoin pour construire leur squelette.

    Une partie retourne aux sols à partir des excréments des animaux (oiseaux piscivores en particulier) et de la matière organique morte (animaux et végétaux). L’autre partie se dépose au fond des océans sous forme d’organismes morts ou de particules et est intégrée aux sédiments. Ces derniers sont transformés au cours du temps en roches sédimentaires. Les roches sont ensuite ramenées à la surface par les mouvements tectoniques et le cycle recommence.

    L’excédent d’engrais phosphatés dans les sols par l’agriculture et des divers produits comme les lessives contribue à la pollution des eaux souterraines et à l’eutrophisation.

    Le cycle du soufre

    Définition

    Tout comme l’azote et le phosphore, le soufre est un élément essentiel à la Vie.

    Il se trouve sur Terre dans les dépôts volcaniques et dans les roches sédimentaires.

    Les sulfates (SO42-) sont la principale source de soufre pour les êtres vivants.

    Dans la biosphère, le soufre circule essentiellement sous forme :

  •  d’hydrogène sulfuré ( H2S)
  •  de dioxyde de soufre (SO2) ;
  •  et de sulfates (SO42-).
    Fonctionnement

    Les sulfates sont absorbés par les végétaux qui les utilisent pour élaborer des acides aminés sulfurés. Lorsque que les plantes meurent, le soufre est restitué au sol par l’activité de micro-organismes. Ils réduisent le soufre organique (acides aminés) en hydrogène sulfuré. L’hydrogène sulfuré se dégage dans l’air, dans l’eau, ou il est transformé en sulfates qui peuvent à nouveau être absorbés par les racines des plantes. Le cycle recommence alors.

    Le cycle du soufre comprend également une phase sédimentaire. Lorsqu’il précipite en milieu anaérobie (sans oxygène) en présence de fer, le soufre s’accumule sous forme de FeS2, qui pourra être réintroduit dans le cycle par l’érosion des sols et le volcanisme.

    Impact des activités humaines

    Les activités humaines sont responsables de l’augmentation du soufre dans l’atmosphère.

    Le soufre est un constituant important des pétroles et des charbons et leur combustion libère du dioxyde de soufre SO2 dans l’atmosphère. Les pluies acides (pH inférieur à 5.8) se forment lorsque l’oxyde de souffre s’associe à l’humidité de l’air et libère de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique qui ensuite retombent lors des précipitations.

    Ces pluies ont des conséquences néfastes pour la faune et en particulier pour la faune aquatique (acidification du milieu aquatique). Elles tuent les microorganismes du sol, endommagent les feuilles des arbres et bloquent la photosynthèse.

    Le cycle de l’eau

    Cf. Notions d’écologie sur l’eau : L’eau dans la nature

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