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Cycles biogéochimiques - Cycle de l'azote

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L' azote gazeux (N2) constitue 78 % de l'atmosphère de la Terre. Cela fait beaucoup d'azote dans l'air! Mais à quoi l'azote sert-il? Pour répondre à cette question, nous allons examiner le cycle de l'azote.

Le cycle de l'azote décrit la manière dont l'azote circule dans l'environnement. Il a beaucoup d'incidences importantes sur la planète. Par exemple, il aide de nombreux êtres vivants à recevoir l'azote nécessaire à leur survie.

Apprenons-en plus sur ce cycle, en commençant par ses trois étapes : la fixation de l'azote, la nitrification et la dénitrification. Ensuite, nous examinerons les incidences des activités humaines sur lui.

Étape 1 : La fixation de l'azote

Équation simplifiée ( non équilibrée) de la réaction chimique de la conversion de l'azote gazeux en ammoniac
N₂ + H⁺ → NH₃ + H₂
Tous les êtres vivants ont besoin d' azote. L'azote est l'un des éléments constitutifs de tous les acides aminés. Les acides aminés se combinent pour former des protéines, qui sont des composantes importantes des cellules. L'azote est aussi un élément essentiel de la chlorophylle, dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse.

Cependant, ton organisme ne peut pas utiliser directement l'azote gazeux présent dans l'air. Les autres animaux et les plantes ne le peuvent pas non plus. C'est pourquoi la première étape du cycle de l'azote est si importante. Elle permet de transformer l'azote gazeux en une forme que les êtres vivants peuvent assimiler. Ainsi, les plantes peuvent absorber une molécule à base d'azote appelée ammoniac (NH ₃). L'ammoniac est constitué d'un atome d'azote lié à trois atomes d'hydrogène.

Il existe diverses façons de représenter la molécule d'ammoniac, notamment la formule chimique, la structure en deux dimensions et le modèle boules-bâtonnets (sources : Radio89 [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons et Ben Mills via Wikimedia Commons).

L'azote gazeux est constitué de deux atomes d'azote liés entre eux. Le processus de conversion de l'azote gazeux en ammoniac s'appelle la fixation de l'azote.

La fixation de l'azote peut se produire dans différents milieux. Ainsi, dans le sol, elle peut se faire par l'intermédiaire de bactéries qui y sont présentes ou de bactéries se trouvant dans les racines de certaines plantes, notamment de nombreuses légumineuses. La fixation de l'azote peut aussi avoir lieu dans l'air grâce à la foudre. Enfin, elle se fait dans les océans. On parle alors de " fixation de l'azote océanique ". L'ammoniac qui résulte de ce processus est absorbé par le phytoplancton. Une nouvelle étude montre que c'est dans les zones côtières que le taux de fixation de l'azote océanique est le plus élevé (lien en anglais).

Quand l'azote est sous forme d'ammoniac, les végétaux peuvent l'absorber et le métaboliser. Les animaux, dont les êtres humains, absorbent l'azote dont ils ont besoin en mangeant ces végétaux.

Le savais-tu?

Les légumineuses, comme les pois et les haricots, sont capables de fixer l'azote.

Étape 2 : La nitrification

Équation simplifiée de la réaction chimique de la conversion de l'ammoniac en nitrite
NH₃ + O₂ → NO₂− + H⁺
Équation de la réaction chimique de la conversion du nitrite en nitrate
2 NO₂− + O₂ → 2 NO₃−
La nitrification est la deuxième étape du cycle de l'azote. Tout l'ammoniac produit à l'étape de la fixation de l'azote n'est pas absorbé par les végétaux. Les bactéries présentes dans le sol peuvent en utiliser une partie pour fabriquer du nitrite (NO ₂-). Le nitrite peut ensuite être converti en nitrate (NO ₃-,), qui participe lui aussi à la croissance des végétaux.

La nitrification est un processus aérobie. Cela signifie que ce processus a besoin d'oxygène (O2) pour avoir lieu. Pour créer du nitrate et du nitrite, un atome d'azote doit se lier à des atomes d'oxygène.

Représentation du cycle de l'azote, comprenant la fixation, la nitrification et la dénitrification (source : Eme Chicano via Wikimedia Commons).

Étape 3 : La dénitrification

La dénitrification est la dernière étape du cycle de l'azote. Elle se produit quand certains types de bactéries absorbent du nitrate et le transforment en azote gazeux, qui est libéré dans l'air. Contrairement à la nitrification, la dénitrification est un processus anaérobie. Cela signifie que ce processus n'a pas besoin d'oxygène pour avoir lieu.

Quelles sont les incidences des activités humaines sur le cycle de l'azote?

Équation simplifiée de la réaction chimique de la conversion du nitrate en azote gazeux
NO₃− → NO₂− → NO + N₂O → N₂
Les activités humaines peuvent avoir des incidences potentiellement néfastes sur le cycle de l'azote. Certaines activités peuvent provoquer une augmentation du niveau d'azote à certaines étapes du cycle.

Photo montrant une prolifération d'algues dans le lac Érié. Ce lac, qui borde une partie du sud de l'Ontario, a subi les effets de l'eutrophisation à différentes époques depuis les années 1970 (NOAA via Wikimedia Commons).

Par exemple, certains engrais contiennent de l'azote sous forme d'ammoniac et de nitrate. Si l'on utilise trop de ces engrais, le surplus d'azote peut ruisseler dans les cours d'eau environnants et provoquer ce que l'on appelle leur eutrophisation. L'eutrophisation est un processus au cours duquel un excès d'éléments nutritifs dans l'eau entraîne une croissance rapide des algues et des végétaux appelée prolifération d'algues. Lorsque ces algues meurent, leurs microbes se décomposent. Cette décomposition consomme énormément d'oxygène dissous, et celui-ci se raréfie à un point tel que peu d'organismes arrivent à survivre dans ce milieu. Les poissons et certaines zones de la région touchée finissent par mourir. Ces zones sont parfois appelées " zones mortes ".

Les processus de nitrification et de dénitrification produisent un puissant gaz à effet de serre appelé oxyde nitreux (N ₂ O). Cependant, environ 40 % de l'oxyde nitreux présent dans l'atmosphère résultent des activités humaines. Par exemple, certaines activités agricoles font augmenter la teneur en azote du sol, ce qui intensifie les processus de nitrification et de dénitrification, et, au bout du compte, accroît la quantité d'oxyde nitreux libéré dans l'atmosphère.

L'une des solutions pour réduire l'eutrophisation et les émissions d'oxyde nitreux serait que les jardiniers et les agriculteurs utilisent uniquement la quantité d'engrais dont leurs plantes ont besoin. Hélas, c'est plus facile à dire qu'à faire, car il peut être très difficile de déterminer la juste quantité.

Les végétaux, les animaux et les bactéries ont vraiment besoin d'azote pour se développer. Grâce au cycle de l'azote, l'azote présent dans l'atmosphère est transformé en une forme assimilable pour eux. Le cycle de l'azote influe de nombreuses manières différentes sur la vie sur notre planète. Ainsi, il permet notamment à ton organisme de recevoir la dose quotidienne d'azote dont tu as besoin!

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L' azote gazeux (N2) constitue 78 % de l'atmosphère de la Terre. Cela fait beaucoup d'azote dans l'air! Mais à quoi l'azote sert-il? Pour répondre à cette question, nous allons examiner le cycle de l'azote. Le cycle de l'azote décrit la manière dont l'azote circule dans l'environnement.

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La technique pour compter les vers de terre, 3 ans après - 2020

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Cycles biogéochimiques - Cycle du phosphore

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pour le cycle de l'azote.

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A visionner pour avoir une vue d'ensemble

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Et Technique de comptage des lombrics

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Les intestins de la terre/La technique de comptage des lombrics

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QCM en lien avec la vidéo présentant le rôle de la pédofaune, des bactéries et des champignons du sols.

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Activités cycle du phosphore et de l'azote

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Le cycle de l'azote

L'air est composé d'azote (78 %) et d'oxygène (21 %) ainsi que de petites quantités d'autres gaz comme l'argon et le dioxyde de carbone. Il n'est donc pas surprenant que l'azote soit important pour tous les organismes, car il les aide à vivre et à pousser.

Le cycle de l'azote (figure 1) décrit la façon dont l'azote circule dans les plantes et les animaux, l'eau, le sol et l'atmosphère.

Figure 1 : Diagramme illustrant la circulation de l'azote dans les plantes et les animaux, le sol et l'air.

Source : Parlons sciences

L'azote peut être introduit dans le sol par des processus naturels comme les précipitations et la foudre (1), ainsi que par des moyens humains comme les engrais (2). Les plantes et les animaux ne peuvent pas utiliser directement l'azote atmosphérique (N ₂), car ce gaz ne réagit pas facilement avec les autres molécules biologiques. Pour cette raison, les plantes et les animaux doivent obtenir leur azote à partir de composés azotés plus réactifs.

Dans le sol, les bactéries spécialisées appelées bactéries fixatrices d'azote (3) peuvent transformer (ou fixer) l'azote atmosphérique en composés azotés chimiquement réactifs comme l'ammoniac (NH ₃) et l'ammonium (NH ₄⁺). D'autres bactéries, appelées bactéries nitrifiantes (4), peuvent transformer l'ammonium dans le sol en nitrite (NO ₂⁻) et ensuite en nitrate (NO ₃⁻).

Les nitrates peuvent être absorbés et utilisés par les plantes (5) pour fabriquer des protéines. À mesure que les animaux mangent des plantes, ils absorbent les protéines végétales (6). Lorsque les animaux produisent des excréments (crottes) (7) ou lorsque les plantes et les animaux meurent (8), cette matière est décomposée par des décomposeurs (9) et l'ammoniac est réintroduit dans le sol. Les bactéries dénitrifiantes (10) transforment les nitrates en nitrogène non réactif qui peut être réintroduit dans l'atmosphère - et le cycle recommence.

Fixation de l'azote dans les plantes

Certaines plantes ont également la capacité de fixer l'azote afin de l'absorber et de l'utiliser directement. Ces types de plantes sont appelés fixateurs d'azote. Ce sont généralement des plantes de la famille des légumineuses comme les pois, les haricots et le trèfle. Les racines de ces plantes contiennent des boules ou nodules (figure 2) où se trouvent les bactéries fixant l'azote appelés rhizobiums et où l'azote est stocké.

Figure 2 : Nodules sur les racines d'une plante de soja.

Source : DS70, iStockphoto.com

Les nodules contenant l'azote stocké sont très bénéfiques pour les plantes de jardin et les cultures agricoles. Bien que la plante fixant l'azote ne libère pas d'azote supplémentaire dans le sol pendant sa vie, l'azote stocké dans les nodules est libéré dans le sol après sa mort et lors de sa décomposition et devient un engrais pour les plantes suivantes dans le jardin ou pour la nouvelle culture.

Les agriculteurs plantent intentionnellement des plantes de grande culture en alternance avec des cultures fixant de l'azote pour combler les besoins en azote des plantes suivantes. Dans le sud-ouest de l'Ontario, par exemple, le maïs est couramment cultivé et nécessite une grande quantité d'azote pour avoir une croissance adéquate. L'utilisation d'une quantité excessive d'azote dans l'engrais ajouté peut polluer les sources d'eaux environnantes et entraîner la dégradation du sol. Afin de fournir au maïs la grande quantité d'azote dont il a besoin pour pousser, les agriculteurs font une rotation de culture en plantant des légumineuses comme le soja une année, puis en replantant du maïs l'année suivante.

Le cycle du phosphore

Le phosphore est un élément essentiel à toute vie. La façon dont le phosphore circule dans les plantes et les animaux, l'eau et le sol est appelée cycle du phosphore (figure 3). Le cycle du phosphore est un processus très lent.

Le phosphore est principalement stocké sous forme d'ions phosphate (PO ³⁻₄) dans l'eau, le sol, les roches et les sédiments. La plupart des sols contiennent de très faibles quantités de phosphate. Le phosphore est présent à la fois dans des composés inorganiques et des composés organiques.

Figure 3 : Diagramme illustrant la circulation du phosphore dans les plantes et les animaux, le sol et l'air.

Source : Parlons sciences

Les ions phosphate inorganiques sont rejetés dans le sol et l'eau en raison de la météorisation (1) et de l' érosion (2). Le phosphore inorganique n'est pas très soluble dans l'eau. C'est pourquoi les plantes qui absorbent le phosphate inorganique du sol (3), mais comme le phosphore inorganique n'est pas très soluble dans l'eau, seule une petite quantité de phosphore total est accessible pour les plantes. Lorsque les plantes sont consommées par des animaux (4), le phosphate peut être utilisé pour fabriquer des molécules organiques comme l' ADN, ainsi que des protéines. Lorsqu'une plante ou un animal meurt (5) ou lorsqu'un animal produit des excréments (6), le phosphate organique est renvoyé dans le sol. La minéralisation se produit lorsque les bactéries décomposent la matière organique et la transforment en phosphore inorganique. Le procédé inverse est appelé immobilisation.

L'ajout d'engrais et la décomposition des plantes et des animaux peuvent augmenter la quantité de phosphore totale dans le sol. L'élimination du phosphore du sol est principalement causée par l'absorption de la plante (3), mais peut également se produire par lessivage du sol (7). L'excès de phosphore dans les plans d'eau qui résulte du lessivage du sol peut entraîner une croissance excessive des plantes, favorisant l' eutrophisation (8).

Fertilisation des tomates

L'azote et le phosphore sont importants pour la croissance de toutes les plantes, y compris les tomates. Lors de l'ajout d'engrais pour aider le plant de tomate à pousser, il faut s'assurer de ne pas ajouter trop d'azote, car même si cela aide à la croissance des feuilles, cet élément peut inhiber le développement des fleurs nécessaires à la formation des fruits. Le phosphore, quant à lui, aide à la floraison et par conséquent, il est important d'en ajouter aux tomates pour aider au développement des fruits.

Glossaire

ADN (acide désoxyribonucléique)

Molécule qui porte des informations génétiques des êtres vivants.

Ammoniac

Composé d'azote et d'hydrogène (NH ₃).

Azote atmosphérique

Azote dans l'atmosphère, qui se présente sous forme d'azote gazeux de formule moléculaire N ₂. En raison du solide triple lien entre les deux molécules d'azote, il ne réagit pas facilement à d'autres substances chimiques.

Composé inorganique

Composé non organique qui ne contient pas d'atomes de carbone.

Composé organique

Composé contenant des atomes de carbone.

Décomposeur

Organisme, comme les bactéries, qui décompose les plantes mortes et les animaux.

Dénitrification

Processus par lequel les nitrates sont transformés en azote atmosphérique.

Érosion

Processus par lequel le vent ou l'eau déplacent la roche, le sol ou d'autres matériaux dissous d'un endroit à un autre.

Eutrophisation

Excès d'éléments nutritifs comme l'azote et le phosphore dans les plans d'eau. L'eutrophisation peut provoquer une croissance rapide des plantes aquatiques et des algues et épuiser l'oxygène dans l'eau.

Fertilisant

Substance comme l'azote, le phosphore ou le potassium qui aide à la croissance des plantes. Il peut être naturel comme le fumier, ou synthétique.

Fixateur d'azote

Plantes dont les racines contiennent des bactéries qui fixent l'azote.

Immobilisation

L'inverse de la minéralisation. Elle se produit lorsque le phosphore inorganique est converti en forme organique qui peut être incorporée dans les plantes.

Légumineuses

Plantes appartenant à la famille des papilionacées qui comprend des plantes comme les pois, les haricots et le trèfle.

Lessivage du sol

Perte de substances du sol à la suite des précipitations.

Météorisation

Dégradation du sol et des roches.

Minéralisation

Processus qui se produit lorsque les bactéries décomposent la matière organique et la transforment en phosphore inorganique.

Nitrate

Ion d'azote et d'oxygène de formule moléculaire NO ₃⁻.

Nitrite

Ion d'azote et d'oxygène de formule moléculaire NO ₂⁻.

Nodule

Bosses sur les racines des légumineuses où l'azote est stocké et où vivent les bactéries fixant l'azote.

Rhizobium

Espèce de bactéries qui fixe l'azote dans les racines des plantes de la famille des légumineuses.

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L'air est composé d'azote (78 %) et d'oxygène (21 %) ainsi que de petites quantités d'autres gaz comme l'argon et le dioxyde de carbone. Il n'est donc pas surprenant que l'azote soit important pour tous les organismes, car il les aide à vivre et à pousser.