Cycles biogéochimiques

Les cycles biogĂ©ochimiques sont l’ensemble des processus oĂą la circulation de matière inorganique se produit entre les organismes vivants et l’environnement . Il s’agit du recyclage des nutriments minĂ©raux entre la biosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère.

Le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le phosphore, le soufre, le silicium, le calcium et le fer sont les principaux Ă©lĂ©ments utilisĂ©s par les ĂŞtres vivants. Ces Ă©lĂ©ments sont Ă©galement importants dans l’ocĂ©an, l’atmosphère et la croĂ»te terrestre. La matière qui constitue les ĂŞtres vivants est conservĂ©e et recyclĂ©e Ă  travers des cycles biogĂ©ochimiques.

Caractéristiques des cycles biogéochimiques

  • Ils prĂ©sentent des rĂ©serves ou des dĂ©pĂ´ts et des accumulations Ă  la fois biologiques (organiques) et gĂ©ologiques, marines ou atmosphĂ©riques (inorganiques).
  • Ils prĂ©sentent des flux dynamiques des Ă©lĂ©ments entre les diffĂ©rents gisements.
  • Les Ă©lĂ©ments modifient leur composition chimique (sauf l’eau), soit par des rĂ©actions chimiques spontanĂ©es, soit par des processus biologiques.
  • Ils se trouvent en phase solide, liquide ou gazeuse.
  • Le taux de renouvellement est plus Ă©levĂ© dans les Ă©cosystèmes terrestres que dans les Ă©cosystèmes marins.

Importance des cycles biogéochimiques

Ă€ travers les cycles biogĂ©ochimiques, la matière circule Ă  travers les Ă©cosystèmes, de l’environnement aux ĂŞtres vivants et retour Ă  l’environnement . Les organismes vivants capturent sĂ©lectivement les Ă©lĂ©ments chimiques en fonction de leurs besoins physiologiques. L’absorption de ces Ă©lĂ©ments conduit Ă  des transformations chimiques dirigĂ©es par des organismes vivants.

Les flux de chaque élément entre les réserves se déroulent de manière cyclique par réactions chimiques et biochimiques spontanées ainsi que par intervention biologique et géologique. Ces conversions font partie des cycles biogéochimiques.

D’autre part, ils conservent la composition de la matière vivante et les autres composantes de la dynamique de la biosphère. Autrement dit, lorsque les organismes meurent, leurs composants sont renouvelĂ©s par des processus chimiques et gĂ©ologiques afin d’ĂŞtre utilisĂ©s par d’autres organismes vivants.

Types de cycles biogéochimiques

Les cycles biogéochimiques peuvent être de deux types principaux:

  • cycles globaux : lorsque des Ă©lĂ©ments sont largement distribuĂ©s dans l’atmosphère, tels que les cycles du carbone, de l’azote et de l’oxygène.
  • cycles locaux : c’est dans le sol que sont recyclĂ©s des Ă©lĂ©ments comme le phosphore et le calcium.

Cycle de l’azote

L’azote (N2) est le gaz le plus abondant dans l’atmosphère. C’est un Ă©lĂ©ment important dans la construction des protĂ©ines, des acides nuclĂ©iques, des phospholipides et des glucides.

L’azote entre dans le cycle de vie grâce Ă  des bactĂ©ries qui fixent l’azote atmosphĂ©rique et l’incorporent dans leurs macromolĂ©cules. Les bactĂ©ries Rhizobium vivent en symbiose dans des nodules sur les racines des lĂ©gumineuses (comme les haricots et les arachides). Azotobacter sont Ă©galement des fixateurs d’azote.

L’azote des composĂ©s organiques retourne dans l’atmosphère en trois Ă©tapes:

  • l’ammonification : la dĂ©composition des tissus animaux et vĂ©gĂ©taux tuĂ©s par les bactĂ©ries et les champignons libère de l’azote sous forme d’ammoniac (NH3) ou d’ammoniac (NH4 +).
  • Nitrification : l’ammoniac et l’ammoniac sont transformĂ©s en nitrites (NO2-) par des bactĂ©ries nitrosantes (comme les Nitrosomonas). Les nitrites sont ensuite transformĂ©s en nitrates (NO2-) par l’action de bactĂ©ries nitrifiantes .
  • Assimilation : les nitrates sont le composĂ© azotĂ© que les lĂ©gumes absorbent par leurs racines. Dans les cellules vĂ©gĂ©tales, le nitrate est transformĂ© en ammonium et est utilisĂ© dans la synthèse des acides aminĂ©s. Les acides aminĂ©s font partie des protĂ©ines qui sont ensuite consommĂ©es par les animaux herbivores et autres consommateurs de lĂ©gumes. Les bactĂ©ries dĂ©nitrifiantes (telles que Pseudomonas et Clostridium) dans le sol dĂ©composent les nitrates libĂ©rant l’azote gazeux dans l’atmosphère.

Les activitĂ©s humaines peuvent libĂ©rer de l’azote dans l’environnement par:

  • la combustion de combustibles fossiles qui dĂ©gagent diffĂ©rents oxydes d’azote: l’azote atmosphĂ©rique est associĂ© Ă  la production de pluies acides (comme l’acide nitrique, HNO3) et de gaz de cuisinière (comme le protoxyde d’azote, N2O).
  • En raison de l’utilisation d’engrais artificiels en agriculture: le principal effet du ruissellement d’engrais est l’ eutrophisation (croissance excessive d’organismes Ă  la surface des plans d’eau).

Cycle du phosphore

Le phosphore fait partie des membranes cellulaires des phospholipides, de la molĂ©cule Ă©nergĂ©tique ATP, des acides nuclĂ©iques, du mĂ©tabolisme cellulaire et de la structure osseuse de nombreux organismes. Il se trouve principalement sous la forme de l’ion phosphate (PO43-).

Le minĂ©ral le plus abondant en phosphore est l’apatite, qui est utilisĂ©e comme matĂ©riau pour la production d’engrais. L’altĂ©ration des roches et l’activitĂ© volcanique libèrent du phosphate dans le sol, l’eau et l’air, oĂą il est disponible pour entrer dans la chaĂ®ne alimentaire.

Le cycle biogĂ©ochimique du phosphore est unique en ce qu’il ne prĂ©sente pas de composant gazeux et n’est pas alimentĂ© par des micro-organismes. Presque tout le phosphore dans le cycle provient de l’usure temporaire des minĂ©raux qui contiennent l’Ă©lĂ©ment. Le phosphore dissous dans le sol ou l’eau peut ĂŞtre absorbĂ© par les plantes ou les bactĂ©ries. Lorsque ceux-ci meurent, le P organique se dĂ©compose et retourne dans la rĂ©serve minĂ©rale.

Le phosphore est utilisĂ© en agriculture comme engrais. Les pluies et l’irrigation provoquent des fuites et des infiltrations de cet Ă©lĂ©ment dans les lacs, les rivières et les zones cĂ´tières, favorisant l’eutrophisation des Ă©cosystèmes aquatiques.

Cycle du soufre

Le soufre fait partie des acides aminĂ©s mĂ©thionine et cystĂ©ine et d’autres composĂ©s organiques et inorganiques. La plupart du soufre se trouve dans la lithosphère, tandis que son transport a lieu dans l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère.

Dans la biosphère, la formation de composĂ©s soufrĂ©s solubles dans l’eau est associĂ©e Ă  la transformation en acide sulfurique (H2SO4) et en ions sulfate solubles (SO42-) Ă  partir de sulfures mĂ©talliques insolubles.

Le soufre se trouve dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de soufre (SO2) ou de sulfure d’hydrogène (H2). Il arrive ici de trois manières:

  • DĂ©composition des molĂ©cules organiques.
  • ActivitĂ© volcanique et sources gĂ©othermiques.
  • ActivitĂ©s humaines et utilisation des Ă©nergies fossiles.

Cycle de l’eau

Le cycle de l’eau ou cycle hydrologique comprend les processus de circulation de l’eau Ă  travers les diffĂ©rentes couches de la terre. L’hydrosphère est la zone sur terre oĂą l’eau est stockĂ©e et dĂ©placĂ©e.

L’eau est en circulation constante dans la nature. Il atteint l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau par Ă©vaporation des eaux de surface des ocĂ©ans, des lacs et des rivières. En raison du processus de condensation , cette vapeur d’eau se transforme en nuages ​​qui, plus tard, en raison des prĂ©cipitations, reviennent sous forme de pluie, de grĂŞle ou de neige.

Par infiltration, l’eau sur Terre pĂ©nètre dans les couches souterraines du sol. Les plantes, par la transpiration, participent Ă  la circulation de l’eau en l’absorbant par les racines et en la rejetant dans l’atmosphère.

Voir aussi Cycle de l’eau.

Cycle du carbone

Le carbone est le deuxième élément le plus abondant dans les êtres vivants. Deux cycles peuvent être décrits:

  • Le cycle biologique du carbone.
  • Le cycle biogĂ©ochimique du carbone.

Cycle de vie du carbone

Il s’agit d’un cycle d’Ă©change rapide de carbone entre les organismes vivants, en particulier entre les ĂŞtres autotrophes et hĂ©tĂ©rotrophes. Par la photosynthèse ou la chimiosynthèse, les autotrophes convertissent le dioxyde de carbone (CO2) en composĂ©s organiques, comme le glucose.

Lorsque les animaux se nourrissent d’organismes photosynthĂ©tiques, le carbone fait partie du corps de l’animal, tout comme les carnivores qui se nourrissent d’autres animaux. Les composĂ©s organiques sont mĂ©tabolisĂ©s par des ĂŞtres hĂ©tĂ©rotrophes au cours du processus de respiration cellulaire, lorsque le CO2 est expulsĂ©.

Grâce aux excrĂ©ments, les plantes et les animaux morts, les feuilles et autres dĂ©chets organiques sont consommĂ©s par la dĂ©composition des micro-organismes, le dĂ©pĂ´t de carbone dans le sol et le rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Les autotrophes Ă  la surface de la terre utilisent le CO2 atmosphĂ©rique tandis que les autotrophes marines utilisent le CO2 dissous dans l’eau (acide carbonique H2CO3).

Cycle biogéochimique du carbone

Il s’agit d’un cycle plus lent et implique le mouvement du carbone Ă  travers la terre, l’eau et l’air. Le carbone est stockĂ© pendant de longues pĂ©riodes dans des rĂ©servoirs de carbone:

  • l’atmosphère,
  • les ocĂ©ans et les plans d’eau,
  • sĂ©diments ocĂ©aniques,
  • le sol,
  • sĂ©diments terrestres, y compris les combustibles fossiles, et,
  • l’intĂ©rieur de la Terre.

Le CO2 dans l’atmosphère se combine avec l’eau pour former de l’acide carbonique, qui s’ionise ensuite pour donner des ions carbonate (CO3-2) et bicarbonate (HCO3-):

Gras CO indice gras 2 gras parenthèse gauche gras atmosphère gras parenthèse droite fin indice gras droit harpon sur harpon gauche gras CO indice gras 2 gras parenthèse gauche gras dissous gras parenthèse droite fin indice gras CO gras parenthèse gauche fin indice gras accolade gauche extrémité gauche gras 2 bold Indice gras Gras H indice Gras 2 Gras O Gras Harpon droit sur harpon gauche Gras H Indice gras 2 Gras CO Indice gras 3 Gras H Indice gras 2 Gras CO Indice gras 3 Gras Harpon droit sur harpon gauche Gras H élevé à plus audacieux gras HCO indice gras 3 exposant gras moins gras indice HCO gras 3 exposant gras moins harpon droit sur harpongauche gras H élevé en gras plus gras plus gras CO indice gras 3 exposant gras moins gras 2 fin exposant

Plus de 90% du carbone de l’ocĂ©an se trouve sous forme d’ions bicarbonate. Une partie de ces ions rĂ©agit avec le calcium pour former du carbonate de calcium (CaCO3), un composant des coquilles des organismes marins. Au fil du temps, ces coquillages se dĂ©posent sur le fond de l’ocĂ©an et se transforment en chaux ou en calcaire, le plus grand rĂ©servoir de carbone sur Terre.

Le carbone trouvĂ© dans le sol est le rĂ©sultat de la dĂ©composition d’organismes ou de l’usure des roches et des minĂ©raux.

Les combustibles fossiles sont les restes de vĂ©gĂ©tation dĂ©composĂ©e il y a des millions d’annĂ©es et dĂ©posĂ©s dans des couches profondes. En brĂ»lant ces carburants, le CO2 retourne dans l’atmosphère.

Les Ă©ruptions volcaniques et autres systèmes gĂ©othermiques libèrent Ă©galement du CO2 dans l’atmosphère, qui y est arrivĂ© par le mouvement des plaques tectoniques.

Le dioxyde de carbone entre Ă©galement dans l’atmosphère par la respiration animale, les pratiques agricoles et la production de mĂ©thane.

Cycle d’oxygène

L’oxygène est l’Ă©lĂ©ment le plus abondant Ă  la surface de la Terre. Il reprĂ©sente 21% des gaz de l’atmosphère et fait partie de plusieurs oxydes avec du fer, de l’aluminium et du silicium. La plupart des ĂŞtres vivants hĂ©tĂ©rotrophes ont besoin d’oxygène pour traiter les composĂ©s organiques et en tirer de l’Ă©nergie.

L’oxygène libre n’existait pas dans l’atmosphère jusqu’Ă  l’apparition des premières bactĂ©ries photosynthĂ©tiques il y a 2,5 milliards d’annĂ©es. la photosynthèse est donc la principale source d’oxygène dans l’atmosphère.

L’oxygène est extrait de l’atmosphère lorsque les minĂ©raux de la croĂ»te terrestre sont exposĂ©s et oxydĂ©s pendant le processus d’altĂ©ration chimique.

Par la respiration, les ĂŞtres aĂ©robies capturent l’oxygène atmosphĂ©rique (ou dissous dans l’eau) et l’intègrent dans leurs processus mĂ©taboliques. Le rĂ©sultat est l’expulsion du dioxyde de carbone. C’est pourquoi les cycles de l’oxygène et du carbone sont interconnectĂ©s par les processus de photosynthèse et de respiration.

Gras Photosynthèse Gras Côlon Gras Espace Gras H Indice Gras 2 Gras O Gras Gras CO Indice Gras 2 Gras Flèche Droite Gras C Indice Gras n Gras Parenthèse gauche Gras H Indice Gras 2 Gras O Gras Parenthèses Droite Gras Indice O Gras Indice N gras 2 gras Respiration gras deux points gras espace gras O indice gras 2 gras plus gras C indice gras n gras parenthèse gauche gras H indice gras 2 gras O gras parenthèse droite gras indice n gras flèche droite gras H plus gras O gras 2 CO indice gras 2

Cycle du calcium

Le calcium est un élément clé dans la formation des structures de soutien des êtres vivants et des processus physiologiques, tels que la coagulation et le mouvement musculaire. Les composés inorganiques de calcium solubles, généralement le bicarbonate de calcium (Ca (HCO3) 2), imprègnent constamment les rivières et migrent vers les océans:

gras indice CaCO gras 3 gras parenthèse gauche gras s gras parenthèse droite fin indice gras plus gras H indice gras 2 gras CO indice gras 3 gras parenthèse gauche gras ac gras parenthèse droite fin gras indice gauche flèche droite gras Ca gras parenthèse gauche CO gras parenthèse droite indice gras 2 gras gauche parenthèse gras ac gras droite fin indice fin

Cette rĂ©action est responsable de la formation de grottes dans les zones calcaires, car l’eau de pluie chargĂ©e en dioxyde de carbone dissout peu Ă  peu la roche.

Interconnexion des cycles biogéochimiques

Les principaux cycles biogĂ©ochimiques sont Ă©troitement interconnectĂ©s et sont renforcĂ©s par l’Ă©nergie solaire grâce Ă  la fixation du carbone dans le processus de photosynthèse. Les principales rĂ©actions chimiques sont l’oxydation et la rĂ©duction. Les processus d’usure, d’Ă©rosion, de mouvement de l’eau et des plaques tectoniques reprĂ©sentent la composante gĂ©ologique.

Le recyclage de tous ces matĂ©riaux est interconnectĂ©. Par exemple, le cycle de l’eau participe Ă  la dissolution et au transport de l’azote et du phosphore dans les rivières, les lacs et les ocĂ©ans. De plus, les ocĂ©ans sont le principal rĂ©servoir de carbone.

Le cycle de l’oxygène et du carbone sont interconnectĂ©s dans la photosynthèse et la respiration. Dans le premier, le dioxyde de carbone est transformĂ© en glucides avec la libĂ©ration d’oxygène, qui est ensuite utilisĂ© dans le processus de respiration.

Les micro-organismes rĂ©gissent pratiquement tous les cycles biogĂ©ochimiques de l’eau. Alors que dans le sol, les bactĂ©ries et les champignons sont principalement responsables de la transformation de la matière organique dans les cycles biogĂ©ochimiques.

L’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère sont les principaux rĂ©servoirs des Ă©lĂ©ments de la Terre mais c’est dans la biosphère que se produit l’interaction.

Les références

  • Bashkin, VN BiogĂ©ochimie moderne. Éditeurs Kluwer Academic. 2003.

 

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