46.3 : Cycles biogéochimiques

Compétences à développer

• Discuter des cycles biogéochimiques de l'eau, du carbone, de l'azote, du phosphore et du soufre
• Expliquer comment les activités humaines ont eu un impact sur ces cycles et les conséquences potentielles pour la Terre

L'énergie circule de manière directionnelle à travers les écosystèmes, entrant sous forme de lumière solaire (ou de molécules inorganiques pour les chimioautotrophes) et sortant sous forme de chaleur lors des nombreux transferts entre les niveaux trophiques. Cependant, la matière qui compose les organismes vivants est conservée et recyclée. Les six éléments les plus courants associés aux molécules organiques, à savoir le carbone, l'azote, l'hydrogène, l'oxygène, le phosphore et le soufre, prennent diverses formes chimiques et peuvent exister pendant de longues périodes dans l'atmosphère, sur terre, dans l'eau ou sous la surface de la Terre. Les processus géologiques, tels que l'altération, l'érosion, le drainage de l'eau et la subduction des plaques continentales, jouent tous un rôle dans ce recyclage des matériaux. Comme la géologie et la chimie jouent un rôle majeur dans l'étude de ce processus, le recyclage de la matière inorganique entre les organismes vivants et leur environnement est appelé cycle biogéochimique.

L'eau contient de l'hydrogène et de l'oxygène, qui sont essentiels à tous les processus vivants. L'hydrosphère est la zone de la Terre où se déplacent et se stockent l'eau : sous forme liquide à la surface et sous la surface ou gelée (rivières, lacs, océans, eaux souterraines, calottes glaciaires polaires et glaciers) et sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Le carbone se trouve dans toutes les macromolécules organiques et constitue un constituant important des combustibles fossiles. L'azote est un composant majeur de nos acides nucléiques et de nos protéines et est essentiel à l'agriculture humaine. Le phosphore, un composant majeur de l'acide nucléique (avec l'azote), est l'un des principaux ingrédients des engrais artificiels utilisés en agriculture et leurs impacts environnementaux associés sur nos eaux de surface. Le soufre, essentiel au repliement tridimensionnel des protéines (comme lors de la fixation du disulfure), est libéré dans l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles, tels que le charbon.

Le cycle de ces éléments est interconnecté. Par exemple, le mouvement de l'eau est essentiel au lessivage de l'azote et du phosphate dans les rivières, les lacs et les océans. De plus, l'océan lui-même est un important réservoir de carbone. Ainsi, les nutriments minéraux circulent, rapidement ou lentement, dans l'ensemble de la biosphère, d'un organisme vivant à l'autre, et entre le monde biotique et abiotique.

Le cycle (hydrologique) de l'eau

L'eau est à la base de tous les processus vivants. Le corps humain contient plus de la moitié de l'eau et les cellules humaines contiennent plus de 70 pour cent d'eau. Ainsi, la plupart des animaux terrestres ont besoin d'eau douce pour survivre. Toutefois, si l'on examine les réserves d'eau de la Terre, on constate que 97,5 % de cette eau est constituée d'eau salée non potable (Figure\(\PageIndex{1}\)). Of the remaining water, 99 percent is locked underground as water or as ice. Thus, less than 1 percent of fresh water is easily accessible from lakes and rivers. Many living things, such as plants, animals, and fungi, are dependent on the small amount of fresh surface water supply, a lack of which can have massive effects on ecosystem dynamics. Humans, of course, have developed technologies to increase water availability, such as digging wells to harvest groundwater, storing rainwater, and using desalination to obtain drinkable water from the ocean. Although this pursuit of drinkable water has been ongoing throughout human history, the supply of fresh water is still a major issue in modern times.

Figure \(\PageIndex{1}\): Only 2.5 percent of water on Earth is fresh water, and less than 1 percent of fresh water is easily accessible to living things.

Water cycling is extremely important to ecosystem dynamics. Water has a major influence on climate and, thus, on the environments of ecosystems, some located on distant parts of the Earth. Most of the water on Earth is stored for long periods in the oceans, underground, and as ice. Figure \(\PageIndex{2}\) illustrates the average time that an individual water molecule may spend in the Earth’s major water reservoirs. Residence time is a measure of the average time an individual water molecule stays in a particular reservoir. A large amount of the Earth’s water is locked in place in these reservoirs as ice, beneath the ground, and in the ocean, and, thus, is unavailable for short-term cycling (only surface water can evaporate).

Figure \(\PageIndex{2}\): This graph shows the average residence time for water molecules in the Earth’s water reservoirs.

There are various processes that occur during the cycling of water, shown in Figure \(\PageIndex{3}\). These processes include the following:

• evaporation/sublimation
• condensation/precipitation
• subsurface water flow
• surface runoff/snowmelt
• streamflow

The water cycle is driven by the sun’s energy as it warms the oceans and other surface waters. This leads to the evaporation (water to water vapor) of liquid surface water and the sublimation (ice to water vapor) of frozen water, which deposits large amounts of water vapor into the atmosphere. Over time, this water vapor condenses into clouds as liquid or frozen droplets and is eventually followed by precipitation (rain or snow), which returns water to the Earth’s surface. Rain eventually permeates into the ground, where it may evaporate again if it is near the surface, flow beneath the surface, or be stored for long periods. More easily observed is surface runoff: the flow of fresh water either from rain or melting ice. Runoff can then make its way through streams and lakes to the oceans or flow directly to the oceans themselves.

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Rain and surface runoff are major ways in which minerals, including carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur, are cycled from land to water. The environmental effects of runoff will be discussed later as these cycles are described.

Figure \(\PageIndex{3}\): Water from the land and oceans enters the atmosphere by evaporation or sublimation, where it condenses into clouds and falls as rain or snow. Precipitated water may enter freshwater bodies or infiltrate the soil. The cycle is complete when surface or groundwater reenters the ocean. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

The Carbon Cycle

Carbon is the second most abundant element in living organisms. Carbon is present in all organic molecules, and its role in the structure of macromolecules is of primary importance to living organisms. Carbon compounds contain especially high energy, particularly those derived from fossilized organisms, mainly plants, which humans use as fuel. Since the 1800s, the number of countries using massive amounts of fossil fuels has increased. Since the beginning of the Industrial Revolution, global demand for the Earth’s limited fossil fuel supplies has risen; therefore, the amount of carbon dioxide in our atmosphere has increased. This increase in carbon dioxide has been associated with climate change and other disturbances of the Earth’s ecosystems and is a major environmental concern worldwide. Thus, the “carbon footprint” is based on how much carbon dioxide is produced and how much fossil fuel countries consume.

The carbon cycle is most easily studied as two interconnected sub-cycles: one dealing with rapid carbon exchange among living organisms and the other dealing with the long-term cycling of carbon through geologic processes. The entire carbon cycle is shown in Figure \(\PageIndex{4}\).

Figure \(\PageIndex{4}\): Carbon dioxide gas exists in the atmosphere and is dissolved in water. Photosynthesis converts carbon dioxide gas to organic carbon, and respiration cycles the organic carbon back into carbon dioxide gas. Long-term storage of organic carbon occurs when matter from living organisms is buried deep underground and becomes fossilized. Volcanic activity and, more recently, human emissions, bring this stored carbon back into the carbon cycle. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

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Le cycle biologique du carbone

Les organismes vivants sont connectés de nombreuses manières, y compris entre les écosystèmes. Un bon exemple de ce lien est l'échange de carbone entre les autotrophes et les hétérotrophes au sein des écosystèmes et entre eux par le biais du dioxyde de carbone atmosphérique. Le dioxyde de carbone est l'élément de base que la plupart des autotrophes utilisent pour fabriquer des composés multicarbonés à haute énergie, tels que le glucose. L'énergie produite par le soleil est utilisée par ces organismes pour former les liaisons covalentes qui relient les atomes de carbone entre eux. Ces liaisons chimiques emmagasinent ainsi cette énergie pour une utilisation ultérieure dans le processus de respiration. La plupart des autotrophes terrestres tirent leur dioxyde de carbone directement de l'atmosphère, tandis que les autotrophes marins l'obtiennent sous forme dissoute (acide carbonique, H ₂ CO ₃ ⁻). Quelle que soit la manière dont le dioxyde de carbone est acquis, l'oxygène est un sous-produit du processus. Les organismes photosynthétiques sont responsables du dépôt d'environ 21 pour cent de la teneur en oxygène de l'atmosphère que nous observons aujourd'hui.

Les hétérotrophes et les autotrophes participent à l'échange biologique du carbone (en particulier les principaux consommateurs, principalement les herbivores). Les hétérotrophes acquièrent les composés carbonés à haute énergie des autotrophes en les consommant et en les décomposant par la respiration pour obtenir de l'énergie cellulaire, telle que l'ATP. Le type de respiration le plus efficace, la respiration aérobie, nécessite de l'oxygène provenant de l'atmosphère ou dissous dans l'eau. Il y a donc un échange constant d'oxygène et de dioxyde de carbone entre les autotrophes (qui ont besoin du carbone) et les hétérotrophes (qui ont besoin d'oxygène). L'échange de gaz à travers l'atmosphère et l'eau est l'un des moyens par lesquels le cycle du carbone relie tous les organismes vivants de la Terre.

Le cycle biogéochimique du carbone

Le mouvement du carbone à travers le sol, l'eau et l'air est complexe et, dans de nombreux cas, il se produit beaucoup plus lentement sur le plan géologique que lorsqu'il est observé entre des organismes vivants. Le carbone est stocké pendant de longues périodes dans ce que l'on appelle des réservoirs de carbone, qui comprennent l'atmosphère, les plans d'eau liquide (principalement les océans), les sédiments océaniques, le sol, les sédiments terrestres (y compris les combustibles fossiles) et l'intérieur de la Terre.

Comme indiqué, l'atmosphère est un important réservoir de carbone sous forme de dioxyde de carbone et est essentielle au processus de photosynthèse. Le niveau de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est fortement influencé par le réservoir de carbone des océans. L'échange de carbone entre l'atmosphère et les réservoirs d'eau influence la quantité de carbone présente à chaque endroit, et chacun affecte l'autre de manière réciproque. Le dioxyde de carbone (CO ₂) de l'atmosphère se dissout dans l'eau et se combine aux molécules d'eau pour former de l'acide carbonique, puis s'ionise en ions carbonate et bicarbonate (Figure\(\PageIndex{5}\))

Figure\(\PageIndex{5}\) : Le dioxyde de carbone réagit avec l'eau pour former des ions bicarbonate et carbonate.

Les coefficients d'équilibre sont tels que plus de 90 pour cent du carbone de l'océan se trouve sous forme d'ions bicarbonate. Certains de ces ions se combinent au calcium de l'eau de mer pour former du carbonate de calcium (CaCO ₃), un composant majeur des coquilles des organismes marins. Ces organismes finissent par former des sédiments au fond de l'océan. Au fil du temps géologique, le carbonate de calcium forme du calcaire, qui constitue le plus grand réservoir de carbone de la planète.

Sur terre, le carbone est stocké dans le sol à la suite de la décomposition d'organismes vivants (par les décomposeurs) ou de l'altération des roches et des minéraux terrestres. Ce carbone peut être lixivié dans les réservoirs d'eau par ruissellement de surface. Plus profondément sous terre, sur terre et en mer, se trouvent des combustibles fossiles : les restes de plantes décomposés en anaérobiose qui mettent des millions d'années à se former. Les combustibles fossiles sont considérés comme une ressource non renouvelable car leur utilisation dépasse de loin leur taux de formation. Une ressource non renouvelable, telle qu'un combustible fossile, se régénère très lentement ou ne se régénère pas du tout. Le carbone peut également pénétrer dans l'atmosphère à partir de la terre (y compris sous la surface de l'océan) lors de l'éruption de volcans et d'autres systèmes géothermiques. Les sédiments de carbone du fond de l'océan sont captés profondément dans la Terre par un processus de subduction : le mouvement d'une plaque tectonique sous une autre. Le carbone est libéré sous forme de dioxyde de carbone lorsqu'un volcan entre en éruption ou par des cheminées hydrothermales volcaniques.

Le dioxyde de carbone est également ajouté à l'atmosphère par les pratiques d'élevage des humains. Le grand nombre d'animaux terrestres élevés pour nourrir la population croissante de la Terre entraîne une augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère en raison des pratiques agricoles, de la respiration et de la production de méthane. Il s'agit d'un autre exemple de la manière dont l'activité humaine affecte indirectement de manière significative les cycles biogéochimiques. Bien qu'une grande partie du débat sur les effets futurs de l'augmentation du carbone atmosphérique sur le changement climatique soit centrée sur les combustibles fossiles, les scientifiques prennent en compte les processus naturels, tels que les volcans et la respiration, lorsqu'ils modélisent et prédisent l'impact futur de cette augmentation.

Le cycle de l'azote

Il est difficile d'introduire de l'azote dans le monde vivant. Les plantes et le phytoplancton ne sont pas équipés pour incorporer l'azote de l'atmosphère (qui existe sous forme de N ₂ triple covalent étroitement lié), même si cette molécule représente environ 78 % de l'atmosphère. L'azote entre dans le monde vivant via des bactéries libres et symbiotiques, qui incorporent l'azote dans leurs macromolécules par fixation de l'azote (conversion du N ₂). Les cyanobactéries vivent dans la plupart des écosystèmes aquatiques où la lumière du soleil est présente ; elles jouent un rôle clé dans la fixation de l'azote. Les cyanobactéries peuvent utiliser des sources inorganiques d'azote pour « fixer » l'azote. Les bactéries Rhizobium vivent en symbiose dans les nodules racinaires des légumineuses (comme les pois, les haricots et les arachides) et leur fournissent l'azote organique dont elles ont besoin. Les bactéries libres, telles que l'Azotobacter, sont également d'importants fixateurs d'azote.

L'azote organique est particulièrement important pour l'étude de la dynamique des écosystèmes, car de nombreux processus écosystémiques, tels que la production primaire et la décomposition, sont limités par l'approvisionnement en azote disponible. Comme le montre la figure\(\PageIndex{6}\), l'azote qui pénètre dans les systèmes vivants par fixation d'azote est successivement reconverti de l'azote organique en azote gazeux par les bactéries. Ce processus se déroule en trois étapes dans les systèmes terrestres : ammonification, nitrification et dénitrification. Tout d'abord, le processus d'ammonification transforme les déchets azotés provenant d'animaux vivants ou de restes d'animaux morts en ammonium (NH ₄ ⁺) par certaines bactéries et certains champignons. Ensuite, l'ammonium est converti en nitrites (NO ₂ ⁻) par des bactéries nitrifiantes, telles que les Nitrosomonas, par nitrification. Par la suite, les nitrites sont convertis en nitrates (NO ₃ ⁻) par des organismes similaires. Troisièmement, le processus de dénitrification se produit, au cours duquel des bactéries, telles que Pseudomonas et Clostridium, transforment les nitrates en azote gazeux, ce qui permet à ce dernier de pénétrer à nouveau dans l'atmosphère.

Figure\(\PageIndex{6}\) : L'azote entre dans le monde vivant à partir de l'atmosphère par l'intermédiaire de bactéries fixatrices d'azote. Cet azote et les déchets azotés provenant des animaux sont ensuite retransformés en azote gazeux par les bactéries du sol, qui fournissent également aux réseaux alimentaires terrestres l'azote organique dont ils ont besoin. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

Exercice

Laquelle des affirmations suivantes concernant le cycle de l'azote est fausse ?

1. L'ammonification transforme la matière azotée organique des organismes vivants en ammonium (NH ₄ ⁺).
2. La dénitrification par des bactéries convertit les nitrates (NO ₃ ⁻) en azote gazeux (N ₂).
3. La nitrification par des bactéries transforme les nitrates (NO ₃ ⁻) en nitrites (NO ₂ ⁻).
4. Les bactéries fixatrices d'azote convertissent l'azote gazeux (N ₂) en composés organiques.

Réponse

C : La nitrification par des bactéries convertit les nitrates (NO ₃ ⁻) en nitrites (NO ₂ ⁻).

L'activité humaine peut libérer de l'azote dans l'environnement par deux moyens principaux : la combustion de combustibles fossiles, qui libère différents oxydes d'azote, et l'utilisation d'engrais artificiels en agriculture, qui sont ensuite rejetés dans les lacs, les ruisseaux et les rivières par le ruissellement de surface. L'azote atmosphérique est associé à plusieurs effets sur les écosystèmes de la Terre, notamment à la production de pluies acides (sous forme d'acide nitrique, HNO ₃) et de gaz à effet de serre (sous forme d'oxyde nitreux, N ₂ O) susceptibles de provoquer des changements climatiques. L'un des principaux effets du ruissellement des engrais est l'eutrophisation de l'eau salée et de l'eau douce, processus par lequel le ruissellement des nutriments provoque la croissance excessive de microorganismes, appauvrit les niveaux d'oxygène dissous et tue la faune de l'écosystème.

Un processus similaire se produit dans le cycle de l'azote marin, où les processus d'ammonification, de nitrification et de dénitrification sont effectués par des bactéries marines. Une partie de cet azote tombe au fond de l'océan sous forme de sédiments, qui peuvent ensuite être déplacés vers le sol en temps géologique par soulèvement de la surface de la Terre et ainsi incorporés dans la roche terrestre. Bien que le mouvement de l'azote de la roche directement vers les systèmes vivants soit traditionnellement considéré comme négligeable par rapport à l'azote fixé par l'atmosphère, une étude récente a montré que ce processus peut effectivement être significatif et devrait être inclus dans toute étude du cycle mondial de l'azote. ¹

Le cycle du phosphore

Le phosphore est un nutriment essentiel aux processus vivants ; c'est un composant majeur des acides nucléiques et des phospholipides et, comme le phosphate de calcium, il constitue les composants de soutien de nos os. Le phosphore est souvent le nutriment limitant (nécessaire à la croissance) dans les écosystèmes aquatiques (Figure\(\PageIndex{7}\)).

Le phosphore est présent dans la nature sous forme d'ion phosphate (PO ₄ ³⁻). Outre le ruissellement de phosphate résultant de l'activité humaine, le ruissellement de surface naturel se produit lorsqu'il est lessivé des roches contenant du phosphate par les intempéries, envoyant ainsi des phosphates dans les rivières, les lacs et l'océan. Cette roche trouve ses origines dans l'océan. Les sédiments océaniques contenant du phosphate se forment principalement à partir des organismes marins et de leurs excrétions. Toutefois, dans les régions éloignées, les cendres volcaniques, les aérosols et les poussières minérales peuvent également constituer d'importantes sources de phosphate. Ces sédiments sont ensuite déplacés vers le sol au fil du temps géologique par le soulèvement de certaines zones de la surface de la Terre.

Le phosphore est également échangé réciproquement entre le phosphate dissous dans les écosystèmes océaniques et marins. Le transport du phosphate de l'océan vers la terre et à travers le sol est extrêmement lent, l'ion phosphate moyen ayant un temps de séjour océanique compris entre 20 000 et 100 000 ans.

Figure\(\PageIndex{7}\) : Dans la nature, le phosphore existe sous forme d'ion phosphate (PO ₄ ³⁻). L'altération des roches et l'activité volcanique libèrent du phosphate dans le sol, l'eau et l'air, où il devient disponible pour les réseaux trophiques terrestres. Le phosphate pénètre dans les océans par le ruissellement de surface, l'écoulement des eaux souterraines et le débit des rivières. Le phosphate dissous dans l'eau de mer se transforme en réseaux trophiques marins. Une partie du phosphate présent dans les réseaux trophiques marins tombe au fond de l'océan, où elle forme des sédiments. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

L'excès de phosphore et d'azote qui pénètre dans ces écosystèmes par le ruissellement des engrais et par les eaux usées provoque une croissance excessive de microorganismes et épuise l'oxygène dissous, ce qui entraîne la mort de nombreux animaux de l'écosystème, tels que les crustacés et les poissons. Ce processus est responsable de la création de zones mortes dans les lacs et à l'embouchure de nombreux grands fleuves (Figure\(\PageIndex{8}\)).

Figure\(\PageIndex{8}\) : Les zones mortes se produisent lorsque le phosphore et l'azote contenus dans les engrais provoquent une croissance excessive de microorganismes, ce qui épuise l'oxygène et tue la faune. Dans le monde entier, de grandes zones mortes se trouvent dans les zones côtières à forte densité de population. (crédit : Observatoire de la Terre de la NASA)

Une zone morte est une zone d'un écosystème d'eau douce ou marin où de vastes zones sont épuisées de leur flore et de leur faune normales ; ces zones peuvent être causées par l'eutrophisation, les déversements d'hydrocarbures, le déversement de produits chimiques toxiques et d'autres activités humaines. Le nombre de zones mortes augmente depuis plusieurs années, et plus de 400 de ces zones étaient présentes en 2008. L'une des pires zones mortes se trouve au large des côtes des États-Unis, dans le golfe du Mexique, où le ruissellement d'engrais provenant du bassin du Mississippi a créé une zone morte de plus de 8 463 miles carrés. Le ruissellement de phosphate et de nitrate provenant des engrais a également des effets négatifs sur plusieurs écosystèmes de lacs et de baies, y compris la baie de Chesapeake dans l'est des États-Unis.

Connexion quotidienne : Chesapeake Bay

Figure\(\PageIndex{9}\) : Cette (a) image satellite montre la baie de Chesapeake, un écosystème affecté par le ruissellement de phosphate et de nitrate. Un (b) membre de l'Army Corps of Engineers tient une touffe d'huîtres utilisée dans le cadre des efforts de restauration des huîtres dans la baie. (crédit a : modification du travail par la NASA/MODIS ; crédit b : modification du travail par l'armée américaine)

La baie de Chesapeake a longtemps été considérée comme l'une des zones les plus pittoresques de la planète ; elle est aujourd'hui en détresse et est reconnue comme un écosystème en déclin. Dans les années 1970, la baie de Chesapeake a été l'un des premiers écosystèmes à avoir identifié des zones mortes, qui continuent de tuer de nombreux poissons et espèces de fond, telles que les palourdes, les huîtres et les vers. Plusieurs espèces ont connu un déclin dans la baie de Chesapeake en raison du ruissellement des eaux de surface contenant un excès de nutriments provenant d'engrais artificiels utilisés sur les terres. La source des engrais (à forte teneur en azote et en phosphate) ne se limite pas aux pratiques agricoles. De nombreuses zones urbaines se trouvent à proximité et plus de 150 rivières et ruisseaux se jettent dans la baie et transportent les engrais provenant des pelouses et des jardins. Ainsi, le déclin de la baie de Chesapeake est un problème complexe qui nécessite la coopération de l'industrie, de l'agriculture et des propriétaires ordinaires.

La population d'huîtres est particulièrement intéressante pour les défenseurs de l'environnement ; on estime qu'il y avait plus de 200 000 acres de récifs ostréicoles dans la baie dans les années 1700, mais ce nombre est maintenant tombé à seulement 36 000 acres. La récolte des huîtres était autrefois une activité majeure dans la baie de Chesapeake, mais elle a diminué de 88 pour cent entre 1982 et 2007. Cette baisse est due non seulement au ruissellement d'engrais et aux zones mortes, mais également à la surexploitation. Les huîtres ont besoin d'une certaine densité de population minimale, car elles doivent se trouver à proximité pour se reproduire. L'activité humaine a modifié la population et l'emplacement des huîtres, perturbant ainsi considérablement l'écosystème.

La restauration de la population d'huîtres dans la baie de Chesapeake se poursuit depuis plusieurs années avec un succès mitigé. Non seulement de nombreuses personnes trouvent les huîtres bonnes à manger, mais elles nettoient également la baie. Les huîtres se nourrissent par filtration et, lorsqu'elles mangent, elles nettoient l'eau qui les entoure. Dans les années 1700, on a estimé qu'il ne fallait que quelques jours à la population d'huîtres pour filtrer l'ensemble du volume de la baie. Aujourd'hui, compte tenu de l'évolution des conditions de l'eau, on estime qu'il faudrait près d'un an à la population actuelle pour faire le même travail.

Les efforts de restauration se poursuivent depuis plusieurs années par des organisations à but non lucratif, telles que la Chesapeake Bay Foundation. L'objectif de restauration est de trouver un moyen d'augmenter la densité de population afin que les huîtres puissent se reproduire plus efficacement. De nombreuses variétés résistantes aux maladies (développées au Virginia Institute of Marine Science pour le College of William and Mary) sont désormais disponibles et ont été utilisées pour la construction de récifs ostréicoles expérimentaux. Les efforts de nettoyage et de restauration de la baie par la Virginie et le Delaware ont été entravés par le fait qu'une grande partie de la pollution qui pénètre dans la baie provient d'autres États, ce qui souligne la nécessité d'une coopération entre les États pour réussir la restauration.

Les nouvelles souches d'huîtres copieuses ont également donné naissance à une nouvelle industrie économiquement viable, l'ostréiculture, qui non seulement fournit des huîtres à des fins alimentaires et lucratives, mais qui a également l'avantage supplémentaire de nettoyer la baie.

Le cycle du soufre

Le soufre est un élément essentiel pour les macromolécules des êtres vivants. Faisant partie de la cystéine, un acide aminé, elle participe à la formation de liaisons disulfure au sein des protéines, ce qui aide à déterminer leurs modèles de repliement 3D, et donc leurs fonctions. Comme le montre la figure\(\PageIndex{10}\), les cycles du soufre entre les océans, la terre et l'atmosphère. Le soufre atmosphérique se trouve sous forme de dioxyde de soufre (SO ₂) et pénètre dans l'atmosphère de trois manières : par la décomposition de molécules organiques, par l'activité volcanique et les évents géothermiques, et par la combustion de combustibles fossiles par les humains.

Figure\(\PageIndex{10}\) : Le dioxyde de soufre présent dans l'atmosphère devient disponible pour les écosystèmes terrestres et marins lorsqu'il est dissous dans les précipitations sous forme d'acide sulfurique faible ou lorsqu'il tombe directement sur la Terre sous forme de retombées. L'altération des roches rend également les sulfates disponibles pour les écosystèmes terrestres. La décomposition des organismes vivants renvoie des sulfates dans l'océan, le sol et l'atmosphère. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

Sur terre, le soufre se dépose de quatre manières principales : précipitations, retombées directes de l'atmosphère, altération des roches et évents géothermiques (Figure\(\PageIndex{11}\)). Le soufre atmosphérique se trouve sous forme de dioxyde de soufre (SO ₂) et lorsque la pluie tombe dans l'atmosphère, le soufre est dissous sous forme d'acide sulfurique faible (H ₂ SO ₄). Le soufre peut également tomber directement de l'atmosphère dans le cadre d'un processus appelé retombées. De plus, l'altération des roches contenant du soufre libère du soufre dans le sol. Ces roches proviennent de sédiments océaniques qui sont déplacés vers la terre par le soulèvement géologique des sédiments océaniques. Les écosystèmes terrestres peuvent ensuite utiliser ces sulfates du sol (\(\text{SO}_4^{2-}\)) et, lors de la mort et de la décomposition de ces organismes, libérer le soufre dans l'atmosphère sous forme de sulfure d'hydrogène (H ₂ S) gazeux.

Figure\(\PageIndex{11}\) : Sur cet évent de soufre du parc national volcanique de Lassen, dans le nord-est de la Californie, les dépôts de soufre jaunâtre sont visibles près de l'embouchure de l'évent.

Le soufre pénètre dans l'océan par ruissellement depuis le sol, par les retombées atmosphériques et par les cheminées géothermiques sous-marines. Certains écosystèmes dépendent de chimioautotrophes utilisant le soufre comme source d'énergie biologique. Ce soufre soutient ensuite les écosystèmes marins sous forme de sulfates.

Les activités humaines ont joué un rôle majeur dans la modification de l'équilibre du cycle mondial du soufre. La combustion de grandes quantités de combustibles fossiles, notamment à partir du charbon, libère de plus grandes quantités de sulfure d'hydrogène dans l'atmosphère. Lorsque la pluie tombe à travers ce gaz, cela crée le phénomène connu sous le nom de pluies acides. Les pluies acides sont des pluies corrosives causées par l'eau de pluie qui tombe au sol sous l'effet du dioxyde de soufre, la transformant en acide sulfurique faible, qui endommage les écosystèmes aquatiques. Les pluies acides endommagent l'environnement naturel en abaissant le pH des lacs, ce qui tue une grande partie de la faune locale ; elles affectent également l'environnement artificiel par la dégradation chimique des bâtiments. Par exemple, de nombreux monuments en marbre, tels que le Lincoln Memorial à Washington, ont subi des dommages importants à cause des pluies acides au fil des ans. Ces exemples montrent les nombreux effets des activités humaines sur notre environnement et les défis qui restent à relever pour notre avenir.

Lien vers l'apprentissage

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Résumé

Les nutriments minéraux sont recyclés à travers les écosystèmes et leur environnement. L'eau, le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre sont particulièrement importants. Tous ces cycles ont des impacts majeurs sur la structure et la fonction des écosystèmes. Les activités humaines ayant provoqué des perturbations majeures dans ces cycles, leur étude et leur modélisation sont particulièrement importantes. Diverses activités humaines, telles que la pollution, les déversements d'hydrocarbures et d'autres événements, ont endommagé les écosystèmes, provoquant potentiellement un changement climatique mondial. La santé de la Terre dépend de la compréhension de ces cycles et de la manière de protéger l'environnement contre des dommages irréversibles.

Notes

1. 1 Scott L. Morford, Benjamin Z. Houlton et Randy A. Dahlgren, « Stockage accru de carbone et d'azote dans les écosystèmes forestiers à partir d'un substrat rocheux riche en azote », Nature 477, n° 7362 (2011) : 78—81.

Lexique

pluies acides

les pluies corrosives causées par l'eau de pluie qui tombe au sol sous l'effet du dioxyde de soufre, le transformant en acide sulfurique faible ; peuvent endommager les structures et les écosystèmes

cycle biogéochimique

le cycle des nutriments minéraux à travers les écosystèmes et le monde non vivant

zone morte

zone d'un écosystème située dans des lacs et à proximité de l'embouchure de rivières où de vastes zones d'écosystèmes sont épuisées de leur flore et de leur faune normales ; ces zones peuvent être causées par l'eutrophisation, les déversements d'hydrocarbures, le déversement de produits chimiques toxiques et d'autres activités humaines

eutrophisation

processus par lequel le ruissellement des nutriments provoque la croissance excessive de microorganismes, appauvrissant les niveaux d'oxygène dissous et tuant la faune de l'écosystème

retombées

dépôt direct de minéraux solides sur terre ou dans l'océan à partir de l'atmosphère

hydrosphère

région de la Terre où se produisent le mouvement et le stockage de l'eau

ressource non renouvelable

ressource, telle que les combustibles fossiles, qui se régénère très lentement ou qui ne se régénère pas du tout

temps de séjour

mesure de la durée moyenne pendant laquelle une molécule d'eau reste dans un réservoir donné

subduction

mouvement d'une plaque tectonique sous une autre