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20.2 : Cycles biogéochimiques

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    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 transferts entre les niveaux trophiques. Plutôt que de traverser un écosystème, 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 le cycle des éléments de la Terre. 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 non vivant est appelé cycle biogéochimique.

    L'eau, qui contient de l'hydrogène et de l'oxygène, est essentielle à tous les processus vivants. L'hydrosphère est la zone de la Terre où se déplacent et se stockent l'eau : sous forme d'eau liquide à la surface (rivières, lacs, océans) et sous la surface (eaux souterraines) ou sous forme de glace (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 des acides nucléiques, est l'un des principaux ingrédients (avec l'azote) des engrais artificiels utilisés en agriculture, qui ont des impacts environnementaux 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.

    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. L'océan est également un important réservoir de carbone. Ainsi, les nutriments minéraux circulent, rapidement ou lentement, dans toute la biosphère entre le monde biotique et abiotique et d'un organisme vivant à l'autre.

    Le cycle de l'eau

    L'eau est essentielle à tous les processus vivants. Le corps humain est composé à plus de la moitié d'eau et les cellules humaines à plus de 70 % d'eau. Ainsi, la plupart des animaux terrestres ont besoin d'eau douce pour survivre. Parmi les réserves d'eau de la planète, 97,5 % sont de l'eau salée (Figure\(\PageIndex{1}\)). 99 % de l'eau restante est bloquée sous forme d'eau souterraine ou de glace. Ainsi, moins d'un pour cent de l'eau douce est présente dans les lacs et les rivières. De nombreux organismes vivants dépendent de cette faible quantité d'eau douce de surface, dont l'absence peut avoir des effets importants sur la dynamique des écosystèmes. Bien entendu, les humains ont développé des technologies pour augmenter la disponibilité de l'eau, telles que le creusement de puits pour récolter les eaux souterraines, le stockage de l'eau de pluie et le dessalement pour obtenir de l'eau potable de l'océan. Bien que cette quête d'eau potable se soit poursuivie tout au long de l'histoire de l'humanité, l'approvisionnement en eau douce continue d'être un problème majeur à l'époque moderne.

    Le graphique circulaire montre que 97,5 % de l'eau de la Terre, soit 1 365 000 000 de kilomètres cubes, est de l'eau salée. Les 2,5 % restants, soit 35 000 000 de kilomètres cubes, sont de l'eau douce. De l'eau douce, 68,9 % est gelée dans les glaciers ou la couverture neigeuse permanente, et 30,8 % est constituée d'eaux souterraines (humidité du sol, eau des marais, pergélisol). Les 0,3 % restants se trouvent dans les lacs et les rivières.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Seulement 2,5 % de l'eau de la planète est de l'eau douce, et moins de 1 % de l'eau douce est facilement accessible aux êtres vivants.

    Les différents processus qui se produisent lors du cycle de l'eau sont illustrés dans la figure\(\PageIndex{2}\). Les processus incluent les suivants :

    • évaporation et sublimation
    • condensation et précipitation
    • débit d'eau souterrain
    • ruissellement de surface et fonte des neiges
    • débit

    Le cycle de l'eau est dicté par l'énergie solaire qui réchauffe les océans et les autres eaux de surface. Cela entraîne l'évaporation (eau en vapeur d'eau) de l'eau de surface liquide et la sublimation (glace en vapeur d'eau) de l'eau gelée, déplaçant ainsi de grandes quantités d'eau dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau. Au fil du temps, cette vapeur d'eau se condense en nuages sous forme de gouttelettes liquides ou gelées et finit par provoquer des précipitations (pluie ou neige), qui ramènent l'eau à la surface de la Terre. La pluie qui atteint la surface de la Terre peut s'évaporer à nouveau, s'écouler sur la surface ou s'infiltrer dans le sol. Le plus facilement observé est le ruissellement de surface, c'est-à-dire l'écoulement d'eau douce provenant de la pluie ou de la fonte des glaces. Les eaux de ruissellement peuvent traverser les cours d'eau et les lacs pour atteindre les océans ou s'écouler directement dans les océans eux-mêmes.

    Dans la plupart des environnements terrestres naturels, la pluie rencontre la végétation avant qu'elle n'atteigne la surface du sol. Un pourcentage important d'eau s'évapore immédiatement de la surface des plantes. Ce qui reste atteint le sol et commence à descendre. Le ruissellement de surface ne se produira que si le sol devient saturé d'eau en cas de fortes pluies. La majeure partie de l'eau du sol sera absorbée par les racines des plantes. La plante utilisera une partie de cette eau pour son propre métabolisme, et une partie se retrouvera dans les animaux qui mangent les plantes, mais une grande partie de cette eau sera perdue dans l'atmosphère par un processus connu sous le nom d'évapotranspiration. L'eau pénètre dans le système vasculaire de la plante par les racines et s'évapore, ou transpire, par les stomates des feuilles. L'eau du sol qui n'est pas absorbée par une plante et qui ne s'évapore pas peut s'infiltrer dans le sous-sol et le substrat rocheux. Ici, il forme des eaux souterraines.

    Les eaux souterraines constituent un important réservoir d'eau douce. Il existe dans les pores entre les particules du sable et du gravier, ou dans les fissures des roches. Les eaux souterraines peu profondes s'écoulent lentement à travers ces pores et ces fissures et finissent par se retrouver dans un ruisseau ou un lac où elles redeviennent une partie des eaux de surface. Les cours d'eau ne s'écoulent pas parce qu'ils sont réapprovisionnés directement à partir des eaux de pluie ; ils s'écoulent parce qu'ils sont alimentés en permanence par les eaux souterraines. Certaines eaux souterraines se trouvent très profondément dans le substrat rocheux et peuvent y persister pendant des millénaires. La plupart des réservoirs d'eau souterraine, ou aquifères, sont la source d'eau potable ou d'irrigation puisée dans des puits. Dans de nombreux cas, ces aquifères s'épuisent plus rapidement qu'ils ne sont réapprovisionnés par l'eau qui s'infiltre d'en haut.

    La pluie et le ruissellement de surface sont les principaux moyens par lesquels les minéraux, notamment le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre, sont recyclés du sol vers l'eau. Les effets environnementaux du ruissellement seront abordés plus loin au fur et à mesure que ces cycles seront décrits.

    L'illustration montre le cycle de l'eau. L'eau entre dans l'atmosphère par évaporation, évapotranspiration, sublimation et vapeur volcanique. La condensation dans l'atmosphère transforme la vapeur d'eau en nuages. L'eau de l'atmosphère retourne sur la terre par précipitation ou par désublimation. Une partie de cette eau s'infiltre dans le sol pour devenir de l'eau souterraine. Les infiltrations, les sources d'eau douce et l'absorption par les plantes ramènent une partie de cette eau à la surface. Le reste de l'eau s'infiltre dans les océans. Les eaux de surface restantes pénètrent dans les cours d'eau et les lacs d'eau douce, où elles finissent par se retrouver dans l'océan par ruissellement. Une partie de l'eau pénètre également dans l'océan par des évents sous-marins ou des volcans
    Figure\(\PageIndex{2}\) : L'eau provenant de la terre et des océans pénètre dans l'atmosphère par évaporation ou sublimation, où elle se condense en nuages et tombe sous forme de pluie ou de neige. L'eau précipitée peut pénétrer dans les plans d'eau douce ou s'infiltrer dans le sol. Le cycle est terminé lorsque les eaux de surface ou souterraines rentrent dans l'océan. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

    Le cycle du carbone

    Le carbone est le quatrième élément le plus abondant des organismes vivants. Le carbone est présent dans toutes les molécules organiques et son rôle dans la structure des macromolécules est d'une importance capitale pour les organismes vivants. Les composés carbonés contiennent de l'énergie, et bon nombre de ces composés provenant de plantes et d'algues sont restés stockés sous forme de carbone fossilisé, que les humains utilisent comme combustible. Depuis les années 1800, l'utilisation de combustibles fossiles s'est accélérée. Alors que la demande mondiale pour les réserves limitées de combustibles fossiles de la Terre a augmenté depuis le début de la révolution industrielle, la quantité de dioxyde de carbone dans notre atmosphère a augmenté à mesure que les combustibles sont brûlés. Cette augmentation du dioxyde de carbone a été associée au changement climatique et constitue une préoccupation environnementale majeure dans le monde entier.

    Le cycle du carbone est plus facilement étudié en tant que deux sous-cycles interconnectés : l'un traitant de l'échange rapide du carbone entre les organismes vivants et l'autre traitant du cycle à long terme du carbone par des processus géologiques. L'ensemble du cycle du carbone est illustré sur la figure\(\PageIndex{3}\).

    L'illustration montre le cycle du carbone. Le carbone entre dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone libéré par les émissions humaines, la respiration et la décomposition et les émissions volcaniques. Le dioxyde de carbone est éliminé de l'atmosphère par photosynthèse marine et terrestre. Le carbone issu de l'altération des roches devient du carbone du sol qui, au fil du temps, peut devenir du carbone fossile. Le carbone pénètre dans l'océan depuis la terre par lessivage et ruissellement. Le soulèvement des sédiments océaniques peut renvoyer du carbone vers le sol.
    Figure\(\PageIndex{3}\) : Le dioxyde de carbone est présent dans l'atmosphère et dissous dans l'eau. La photosynthèse convertit le dioxyde de carbone en carbone organique, et la respiration recycle le carbone organique en dioxyde de carbone gazeux. Le stockage à long terme du carbone organique se produit lorsque la matière provenant d'organismes vivants est enfouie profondément sous terre et se fossilise. L'activité volcanique et, plus récemment, les émissions humaines ramènent ce carbone stocké dans le cycle du carbone. (crédit : modification d'une œuvre de John M. Evans et Howard Perlman, USGS)

    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 hétérotrophes et autotrophes 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 les autotrophes utilisent pour fabriquer des composés multicarbonés à haute énergie, tels que le glucose. L'énergie provenant du soleil est utilisée par ces organismes pour former les liaisons covalentes qui relient les atomes de carbone entre eux. Ces liaisons chimiques stockent 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, HCO 3 —). Quelle que soit la manière dont le dioxyde de carbone est acquis, l'oxygène est un sous-produit de la fixation du carbone dans les composés organiques. Les organismes photosynthétiques sont responsables du maintien d'environ 21 % de la teneur en oxygène de l'atmosphère que nous observons aujourd'hui.

    Les partenaires de l'échange biologique du carbone sont les hétérotrophes (en particulier les principaux consommateurs, principalement des 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). Les autotrophes respirent et consomment également les molécules organiques qu'ils forment : en utilisant de l'oxygène et en libérant du dioxyde de carbone. Ils libèrent plus d'oxygène gazeux sous forme de déchets de photosynthèse qu'ils n'en utilisent pour leur propre respiration ; par conséquent, il y a un excédent disponible pour la respiration d'autres organismes aérobies. 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 le mouvement entre les 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 roches (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, essentiel 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 dans chacun d'eux, et chacun affecte l'autre de manière réciproque. Le dioxyde de carbone (CO 2) de l'atmosphère se dissout dans l'eau et, contrairement à l'oxygène et à l'azote gazeux, réagit avec les molécules d'eau pour former des composés ioniques. Certains de ces ions se combinent aux ions 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 sous forme de carbone organique à la suite de la décomposition d'organismes vivants ou de l'altération des roches et des minéraux terrestres. Plus profondément sous terre, sur terre et en mer, se trouvent des combustibles fossiles, des restes de plantes décomposés par voie anaérobie 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 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 au plus profond de 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 humaine croissante de la Terre entraîne une augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère en raison de leur respiration. 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, la croissance des plantes, les niveaux de carbone dans les sols 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\(\PageIndex{4}\), l'azote qui pénètre dans les systèmes vivants par fixation d'azote est finalement 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, cet ammonium est ensuite 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. Enfin, 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.

    ART CONNECTION

    L'illustration montre le cycle de l'azote. L'azote gazeux de l'atmosphère est fixé dans l'azote organique par des bactéries fixatrices d'azote. Cet azote organique entre dans les réseaux trophiques terrestres. Il quitte les réseaux trophiques sous forme de déchets azotés dans le sol. L'ammonification de ces déchets azotés par des bactéries et des champignons présents dans le sol convertit l'azote organique en ions ammonium (NH4 plus). L'ammonium est converti en nitrite (NO2 moins), puis en nitrate (NO3 moins) par les bactéries nitrifiantes. Les bactéries dénitrifiantes retransforment le nitrate en azote gazeux, qui entre à nouveau dans l'atmosphère. L'azote provenant du ruissellement et des engrais pénètre dans l'océan, où il pénètre dans les réseaux trophiques marins. Une partie de l'azote organique tombe au fond de l'océan sous forme de sédiments. Le reste de l'azote organique présent dans l'océan est converti en ions nitrite et nitrate, qui sont ensuite convertis en azote gazeux selon un processus analogue à celui qui se produit sur terre.
    Figure\(\PageIndex{4}\) : 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 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)

    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.

    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 (qui contiennent des composés azotés et phosphorés) en agriculture, qui sont ensuite rejetés dans les lacs, les ruisseaux et les rivières par ruissellement de surface. L'azote atmosphérique (autre que le N 2) est associé à plusieurs effets sur les écosystèmes de la Terre, notamment la production de pluies acides (sous forme d'acide nitrique, HNO 3) et les effets de gaz à effet de serre (sous forme d'oxyde nitreux, N 2 O), qui peuvent être à l'origine du climat changement. 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 prolifération d'algues et un certain nombre de problèmes connexes.

    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 et des archées. 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, en particulier d'eau douce.

    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. Cependant, les cendres volcaniques, les aérosols et les poussières minérales peuvent également être d'importantes sources de phosphate. Ces sédiments sont ensuite déplacés vers le sol au fil du temps géologique par le soulèvement de la surface de la Terre. (Figurine\(\PageIndex{5}\))

    Le phosphore est également échangé réciproquement entre le phosphate dissous dans l'océan et les organismes 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.

    L'illustration montre le cycle du phosphore. Le phosphore pénètre dans l'atmosphère à partir d'aérosols volcaniques. Lorsque cet aérosol précipite sur la Terre, il pénètre dans les réseaux trophiques terrestres. Une partie du phosphore des réseaux trophiques terrestres se dissout dans les cours d'eau et les lacs, et le reste pénètre dans le sol. Les engrais constituent une autre source de phosphore. Le phosphore pénètre dans l'océan par lessivage et ruissellement, où il se dissout dans l'eau de mer ou entre dans les réseaux trophiques marins. Une partie du phosphore tombe au fond de l'océan où elle se transforme en sédiment. En cas de soulèvement, ces sédiments peuvent retourner sur la terre ferme.
    Figure\(\PageIndex{5}\) : 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 les eaux de ruissellement de surface, les eaux souterraines et les cours d'eau. Le phosphate dissous dans l'eau de mer se transforme en réseaux trophiques marins. Une partie du phosphate provenant des 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 des algues. La mort et la décomposition subséquentes de ces organismes épuisent l'oxygène dissous, ce qui entraîne la mort d'organismes aquatiques tels que les crustacés et les poissons. Ce processus est responsable de zones mortes dans les lacs et à l'embouchure de nombreux grands fleuves et de la mort massive de poissons, qui se produit souvent pendant les mois d'été (voir Figure\(\PageIndex{6}\)).

    La carte du monde montre les zones où se trouvent des zones mortes. Des zones mortes sont présentes le long des côtes est et ouest des États-Unis, dans la mer du Nord et la mer Méditerranée et au large de la côte est de l'Asie.
    Figure\(\PageIndex{6}\) : 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 des zones à forte densité de population. (crédit : Robert Simmon, Jesse Allen, Observatoire de la Terre de la NASA)

    Une zone morte est une zone des lacs et des océans située à proximité de l'embouchure des rivières où de vastes zones sont périodiquement épuisées de leur flore et de leur faune normales ; ces zones peuvent être causées par l'eutrophisation, les déversements de pétrole, 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 : 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.

    CARRIÈRES EN ACTION : Chesapeake Bay

    L'image satellite montre la baie de Chesapeake. L'encart est une photo d'un homme tenant une touffe d'huîtres.
    Figure\(\PageIndex{7}\) : 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 (Figure\(\PageIndex{7}\) a) est l'une des régions les plus pittoresques de la planète ; elle est aujourd'hui en détresse et est reconnue comme une étude de cas d'un écosystème en déclin. Dans les années 1970, la baie de Chesapeake a été l'un des premiers écosystèmes aquatiques 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 parce que les eaux de ruissellement contiennent un excès de nutriments provenant de l'utilisation d'engrais artificiels sur le sol. 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 individuels.

    La population d'huîtres présente un intérêt particulier pour les défenseurs de l'environnement (Figure\(\PageIndex{7}\) b) ; 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. Ce déclin a été causé non seulement par le ruissellement d'engrais et les zones mortes, mais également par 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 d'huîtres et leur localisation, 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 beaucoup de gens trouvent les huîtres bonnes à manger, mais elles nettoient également la baie. Ce sont des filtreurs et, lorsqu'ils mangent, ils nettoient l'eau qui les entoure. Les filtreurs mangent en pompant un jet d'eau continu sur des appendices finement divisés (branchies dans le cas des huîtres) et en capturant les procaryotes, le plancton et les fines particules organiques dans leur mucus. 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 déployés par la Virginie et le Delaware pour nettoyer et restaurer la baie 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 l'acide aminé cystéine, elle participe à la formation des protéines. Comme le montre la figure\(\PageIndex{8}\), 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), qui pénètre dans l'atmosphère de trois manières : d'abord, par la décomposition de molécules organiques ; deuxièmement, par l'activité volcanique et les évents géothermiques ; et, troisièmement, par la combustion de combustibles fossiles par les humains.

    L'illustration montre le cycle du soufre. Le soufre entre dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de soufre (SO2) par les émissions humaines, la décomposition du H2S et les éruptions volcaniques. Les précipitations et les retombées de l'atmosphère renvoient le soufre vers la Terre, où il pénètre dans les écosystèmes terrestres. Le soufre pénètre dans les océans par ruissellement, où il est incorporé dans les écosystèmes marins. Une partie du soufre marin se transforme en pyrite, qui est piégée dans les sédiments. En cas d'élévation, la pyrite pénètre dans le sol et est convertie en sulfates du sol.
    Figure\(\PageIndex{8}\) : 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 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\(\PageIndex{9}\)). 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 lors d'un processus appelé retombées. De plus, lorsque les roches contenant du soufre se dégradent, du soufre est libéré 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 (SO 4 2-), qui pénètrent dans le réseau trophique en étant absorbés par les racines des plantes. Lorsque ces plantes se décomposent et meurent, le soufre est rejeté dans l'atmosphère sous forme de sulfure d'hydrogène (H 2 S) gazeux.

    La photo montre un monticule blanc en forme de pyramide dans lequel s'échappe de la vapeur grise.
    Figure\(\PageIndex{9}\) : 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. (crédit : « Calbear22 » /Wikimedia Commons)

    Le soufre pénètre dans l'océan par ruissellement provenant du sol, des retombées atmosphériques et des évents géothermiques sous-marins. 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 pénètre dans ce gaz, elle crée le phénomène connu sous le nom de pluies acides, qui endommagent l'environnement naturel en abaissant le pH des lacs, tuant ainsi de nombreuses plantes et animaux résidents. 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 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.

    Résumé de la section

    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. Les écosystèmes ont été endommagés par diverses activités humaines qui modifient les cycles biogéochimiques naturels en raison de la pollution, des déversements d'hydrocarbures et des événements à l'origine du changement climatique mondial. La santé de la biosphère dépend de la compréhension de ces cycles et de la manière de protéger l'environnement contre des dommages irréversibles.

    Connexions artistiques

    Figure\(\PageIndex{4}\) : Laquelle des affirmations suivantes concernant le cycle de l'azote est fausse ?

    A. L'ammonification transforme la matière azotée organique des organismes vivants en ammonium (NH 4 +).
    B. La dénitrification par des bactéries transforme les nitrates (NO 3 -) en azote gazeux (N 2).
    C. La nitrification bactérienne transforme les nitrates (NO 3 -) en nitrites (NO 2 -).
    D. 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 -).

    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
    une pluie corrosive causée par le mélange de l'eau de pluie avec du dioxyde de soufre lorsqu'il tombe dans l'atmosphère, le transformant en acide sulfurique faible, endommageant les écosystèmes aquatiques
    cycle biogéochimique
    le cycle des minéraux et des nutriments dans le monde biotique et abiotique
    zone morte
    zone d'un lac et d'un océan située à proximité de l'embouchure de rivières où de vastes zones sont épuisées de leur flore et de leur faune normales ; ces zones peuvent être causées par l'eutrophisation, les déversements de pétrole, le déversement de produits chimiques toxiques et d'autres activités humaines
    eutrophisation
    le processus par lequel le ruissellement des nutriments provoque la croissance excessive de microorganismes et de plantes dans les systèmes aquatiques
    retombées
    le dépôt direct de minéraux solides sur terre ou dans l'océan à partir de l'atmosphère
    hydrosphère
    la région de la planète dans laquelle se trouve l'eau, y compris l'atmosphère qui contient de la vapeur d'eau et la région souterraine qui contient des eaux souterraines
    ressource non renouvelable
    une ressource, telle qu'un combustible fossile, qui se régénère très lentement ou qui ne se régénère pas du tout
    subduction
    le mouvement d'une plaque tectonique sous une autre

    Contributeurs et attributions