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