Cycles biogéochimiques

Importance des cycles biogéochimiques

Les cycles biogéochimiques permettent à toutes les parties de l'écosystème de prospérer en même temps en offrant un moyen de recycler les nutriments entre les parties vivantes et non vivantes de la Terre. Ces parties non vivantes comprennent l'atmosphère (l'air), la lithosphère (le sol) et l'hydrosphère (l'eau). Si une partie de ces processus biogéochimiques cessait de fonctionner, l'ensemble de l'écosystème s'effondrerait car les nutriments seraient piégés au même endroit.

Types de cycles biogéochimiques

Il existe deux principaux types de cycles biogéochimiques, à savoir les cycles gazeux et les cycles sédimentaires :

• Cycles gazeux - les exemples sont les cycles du carbone, de l'azote, de l'oxygène et de l'eau. Les réservoirs de ces cycles sont l'atmosphère ou l'hydrosphère.

• Cyclessédimentaires - les exemples sont les cycles du phosphore et du soufre. Le réservoir de ces cycles se trouve dans la lithosphère.

Cycles gazeux

Nous allons ici aborder brièvement les cycles gazeux du carbone, de l'azote, de l'eau et de l'oxygène.

Le cycle du carbone

Le carbone est un composant essentiel de la majorité des organismes de cette planète. Bien que les cellules soient constituées en majorité d'eau, le reste de leur masse est constitué de composés à base de carbone (par exemple, les protéines, les lipides, les hydrates de carbone).

Le cycle du carbone implique que l'élément carbone circule dans les systèmes abiotiques et biotiques de la Terre. Cela comprend les êtres vivants (la biosphère), l'océan (l'hydrosphère) et la croûte terrestre (la géosphère). Le carbone se présente sous la forme de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et est absorbé par les organismes photosynthétiques. Il est ensuite utilisé pour fabriquer des molécules organiques qui passent par la chaîne alimentaire. Le carbone retourne ensuite dans l'atmosphère lorsqu'il est libéré par les organismes à respiration aérobie.

Les organismes photosynthétiques absorbent le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone est présent dans l'atmosphère depuis des milliards d'années que des organismes à respiration aérobie peuplent la Terre et en tant que sous-produit de la combustion de combustibles fossiles. Les producteurs absorbent le dioxyde de carbone atmosphérique par diffusion à travers les stomates de leurs feuilles. Ils fabriquent ensuite des composés contenant du carbone en utilisant l'énergie de la lumière du soleil.

Le carbone passe par la chaîne alimentaire

Les producteurs sont mangés par des consommateurs herbivores, qui sont eux-mêmes mangés par des consommateurs carnivores, qui peuvent ensuite être mangés par des prédateurs. Les animaux absorbent ces composés contenant du carbone lorsqu'ils consomment un autre organisme. Les animaux utiliseront le carbone pour leurs propres processus biochimiques et métaboliques. Tout le carbone n'est pas absorbé lors de la consommation, car les organismes entiers peuvent ne pas être mangés, le carbone peut ne pas être absorbé efficacement dans le corps, et une partie est libérée dans les matières fécales. Par conséquent, la disponibilité du carbone diminue au fur et à mesure que l'on monte dans les niveaux trophiques.

Le carbone est renvoyé dans l'atmosphère par la respiration

Les consommateurs sont des organismes aérobies, donc lorsqu'ils respirent, ils rejettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, bouclant ainsi le cycle. Cependant, tout le carbone n'est pas rejeté dans l'atmosphère.

Les décomposeurs libèrent le reste du dioxyde de carbone

Le reste du carbone sera piégé dans le corps des consommateurs. Les décomposeurs aérobies (par exemple les champignons, les bactéries saprobiontiques) décomposent la matière organique des organismes morts et de leurs excréments, libérant ainsi du dioxyde de carbone.

Le cycle du carbone marin

Le cycle du carbone marin est différent car il n'y a pas de respiration aérobie dans la mer ; la respiration est dite aquatique. L'oxygène aquatique est absorbé par les organismes aquatiques (par exemple les poissons, les tortues, les crabes) et transformé en dioxyde de carbone dissous. Le dioxyde de carbone dissous libéré par les organismes marins et absorbé par l'atmosphère forme des carbonates, par exemple du carbonate de calcium, qui sont utilisés par les organismes calcifiants pour construire leurs coquilles et leurs exosquelettes. Lorsque ces organismes meurent, leur matière coule au fond de la mer et est décomposée par les décomposeurs présents dans les sédiments, ce qui libère du dioxyde de carbone.

Le carbone non libéré et l'activité humaine

Malgré les efforts des bactéries décomposeuses, tout le carbone n'est pas relâché dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Une partie est stockée dans les combustibles fossiles, comme le charbon et le gaz, qui se sont formés à partir de millions d'années de compression d'organismes morts pour former un minéral solide. Depuis une centaine d'années, la combustion de combustibles fossiles pour produire de l'énergie a augmenté rapidement, libérant ainsi du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Si l'on ajoute à cela le fait que la déforestation a augmenté de façon exponentielle ces derniers temps, l'activité humaine entraîne une augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère tout en réduisant le nombre d'organismes photosynthétiques sur la Terre. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, qui joue un rôle dans le piégeage de la chaleur dans l'atmosphère, donc plus de dioxyde de carbone signifie une planète plus chaude.

Le cycle de l'azote

L'azote est l'élément le plus abondant de l'atmosphère terrestre, puisqu'il en constitue environ 78 %, mais l'azote gazeux est inerte et ne peut donc pas être utilisé par les organismes sous cette forme. C'est là qu'intervient le cycle de l'azote. Le cycle de l'azote dépend de divers micro-organismes :

• les bactéries fixatrices d'azote

• Bactéries ammonifiantes

• Bactéries nitrifiantes

• Les bactéries dénitrifiantes

Nous verrons dans cette section comment elles contribuent au cycle de l'azote.

Le cycle de l'azote comporte cinq étapes différentes :

• Fixation de l'azote

• Ammonification

• Dénitrification

• Assimilation

• Nitrification

Fixation de l'azote

L'azote peut être fixé industriellement avec des températures et des pressions élevées (par exemple le procédé Haber-Bosch), ou même par la foudre, mais ce sont les bactéries fixatrices d'azote présentes dans le sol qui constituent un élément essentiel du cycle de l'azote. Ces bactéries fixent l'azote gazeux en le transformant en ammoniac qui peut être utilisé pour fabriquer des composés contenant de l'azote. Il existe deux principaux types de bactéries fixatrices d'azote que tu dois connaître :

• Lesbactériesfixatrices d'azote qui vivent en liberté - ce sont des bactéries aérobies présentes dans le sol. Elles transforment l'azote en ammoniac puis en acides aminés. Lorsqu'elles meurent, des composés contenant de l'azote sont libérés dans le sol et peuvent ensuite être décomposés par les décomposeurs.

• Lesbactéries mutualistes fixatrices d'azote - ces bactéries vivent sur les nodules des racines de nombreuses légumineuses et entretiennent une relation symbiotique avec leur plante hôte. Les bactéries fixent l'azote gazeux et fournissent à la plante des acides aminés, tandis que la plante donne en retour aux bactéries des hydrates de carbone utiles.

Ammonification

L'ammonification est le processus par lequel l'azote retourne à la partie non vivante de l'écosystème. Effectuée par des micro-organismes ammonifiants, tels que les bactéries et les champignons, les composés riches en azote présents dans le sol sont décomposés en ammoniaque qui forme des ions ammonium. Les acides aminés, les acides nucléiques et les vitamines sont des exemples de composés riches en azote ; on les trouve tous dans les organismes en décomposition et dans les matières fécales.

La nitrification

La nitrification est effectuée par des bactéries nitrifiantes aérobies et vivant librement dans le sol. Ces bactéries exploitent l'énergie libérée par les réactions d'oxydation pour survivre. Les deux réactions d'oxydation qui se produisent sont l'oxydation des ions ammonium en ions nitrite et l'oxydation ultérieure des ions nitrite en ions nitrate. Ces ions nitrate sont facilement absorbés par la plante et sont essentiels à la construction de molécules telles que la chlorophylle, l'ADN et les acides aminés.

Assimilation

L'assimilation implique l'absorption des ions inorganiques du sol dans les racines de la plante par transport actif. Les plantes doivent avoir la capacité de transporter activement les ions afin de pouvoir survivre même lorsque la concentration d'ions dans le sol est faible. Ces ions sont transférés dans toute la plante et utilisés pour fabriquer des composés organiques essentiels à la croissance et au fonctionnement de la plante.

Dénitrification

La dénitrification est le processus par lequel les bactéries anaérobies dénitrifiantes présentes dans le sol convertissent les ions d'azote en azote gazeux, réduisant ainsi la disponibilité des nutriments pour les plantes. Ces bactéries dénitrifiantes sont présentes lorsque le sol est gorgé d'eau et qu'il y a moins d'oxygène disponible. La dénitrification renvoie l'azote dans l'atmosphère, complétant ainsi le cycle de l'azote.

Le cycle de l'oxygène

Il y a 2,3 milliards d'années, l'oxygènea été introduit pour la première fois dans l'atmosphère par le seul procaryote photosynthétique, la cyanobactérie. Cela a donné naissance à des organismes aérobies qui ont pu évoluer rapidement et devenir le biome diversifié qui habite notre planète aujourd'hui. L'oxygène est disponible dans l'atmosphère sous forme de molécule gazeuse et est vital pour la survie des organismes aérobies, car il est indispensable à la respiration et à l'élaboration de certaines molécules comme les acides aminés et les acides nucléiques. Le cycle de l'oxygène est assez simple comparé à d'autres processus gazeux :

Les producteurs libèrent de l'oxygène

Tous les organismes photosynthétiques absorbent du dioxyde de carbone et libèrent à leur tour de l'oxygène dans l'atmosphère en tant que sous-produit. C'est pourquoi la population productrice de la terre est appelée un réservoir d'oxygène, au même titre que l'atmosphère et l'hydrosphère.

Les organismes aérobies absorbent de l'oxygène

Tous les organismes aérobies qui peuplent la terre ont besoin d'oxygène pour survivre. Ils vont tous inhaler de l'oxygène et exhaler du dioxyde de carbone pendant la respiration. L'oxygène est nécessaire à la respiration cellulaire car il est utilisé pour libérer l'énergie provenant de la décomposition du glucose.

Le cycle du phosphore

Le phosphore est un composant des engrais NPK (azote-phosphore-potassium), qui sont utilisés dans le monde entier dans l'agriculture. Les plantes ont besoin de phosphore pour construire les acides nucléiques et les membranes phospholipidiques, et les micro-organismes vivant dans le sol dépendent également d'un niveau suffisant d'ions phosphate. Le cycle du phosphore est l'un des cycles biogéochimiques les plus lents, car l'altération des roches peut prendre des milliers d'années.

L'altération des roches phosphatées

Les roches phosphatées sont riches en phosphore et des sels de phosphate sont libérés de ces roches lorsqu'elles sont exposées à l'air et altérées. Ces sels de phosphate sont entraînés dans les sols, ce qui les rend plus fertiles. La lithosphère est donc le réservoir du cycle du phosphore.

Transfert vers la biosphère

Les producteurs dans le sol vont absorber ces ions phosphates par leurs racines et les utiliser pour fabriquer des composés contenant du phosphate comme l'ADN et les bicouches de phospholipides dans la membrane plasmique. Les consommateurs vont ensuite ingérer ces producteurs et utiliser leur phosphate pour leurs propres composés organiques.

Recyclage du phosphate

Les producteurs et les consommateurs qui meurent sont décomposés par les micro-organismes du sol, ce qui libère du phosphate inorganique. Ce phosphate inorganique retournera dans l'écosystème ou sera recyclé dans les roches et les sédiments qui seront altérés et le processus recommencera.