Notes brèves sur le cycle du carbone, le cycle de l'azote et le cycle du soufre (2158 mots)
Petites notes sur le cycle du carbone, le cycle de l'azote et le cycle du soufre!
Divers matériaux, y compris différents nutriments et métaux, se déplacent de manière cyclique dans l'écosystème. Les principales réserves ou compartiments de stockage des matériaux sont appelés réservoirs. Lorsque le principal réservoir d'un élément nutritif se trouve dans l'atmosphère, on parle de cycle gazeux, par exemple cycle de l'azote, dont le réservoir se présente sous la forme d'azote (N2) représentant environ 78% de l'atmosphère.
Lorsque le réservoir se trouve dans la croûte terrestre ou dans les sédiments, il est appelé cycle sédimentaire, par exemple le cycle du phosphore, qui a sa réserve sous forme de roches phosphatées. Le cycle du soufre est un exemple de type intermédiaire qui possède un réservoir à la fois dans le sol et dans l’atmosphère.
Le mouvement des matériaux d'un réservoir à un autre peut être provoqué par des agents physiques tels que le vent ou l'énergie gravitationnelle. Cela peut également être dû à l’énergie chimique, par exemple lorsque le corps de l’eau atteint la saturation - le réservoir est rempli chimiquement et ne peut donc plus le retenir en tant que tel.
Ensuite, le matériau est généralement précipité. Le temps moyen pendant lequel un matériau (molécule d'une substance) reste dans un réservoir est appelé son temps de résidence.
Des éléments nutritifs tels que le carbone, l'azote, le soufre, l'oxygène, l'hydrogène, le phosphore, etc. se déplacent de manière circulaire à travers des composants biotiques et abiotiques et sont connus sous le nom de cycles biogéochimiques.
L'eau se déplace également dans un cycle, appelé cycle hydrologique. Les nutriments doivent traverser la chaîne alimentaire pour atteindre le compartiment des détritus (contenant des matières organiques mortes) où divers microorganismes procèdent à la décomposition.
Différents nutriments liés organiquement aux plantes et animaux morts sont convertis en substances inorganiques par décomposition microbienne qui sont rapidement utilisés par les plantes (producteurs primaires) et le cycle recommence.
1. Cycle du carbone:
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique par lequel le carbone est échangé entre la biosphère, la pédosphère, la géosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère de la Terre. C'est l'un des cycles les plus importants de la terre et permet au carbone d'être recyclé et réutilisé dans la biosphère et tous ses organismes.
Le cycle du carbone est une série complexe de processus par lesquels tous les atomes de carbone existants tournent. Le bois brûlé il y a quelques décennies à peine aurait pu produire du dioxyde de carbone qui, par la photosynthèse, est devenu partie intégrante d'une plante. Lorsque vous mangez cette plante, le même carbone du bois qui a été brûlé peut devenir une partie de vous. Le cycle du carbone est le grand recycleur naturel d'atomes de carbone.
Sans le bon fonctionnement du cycle du carbone, chaque aspect de la vie pourrait être radicalement modifié. Les plantes, les animaux et le sol interagissent pour constituer les cycles fondamentaux de la nature. Dans le cycle du carbone, les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'utilisent, combiné à l'eau du sol, pour produire les substances dont elles ont besoin pour leur croissance. Le processus de photosynthèse incorpore les atomes de carbone du dioxyde de carbone dans les sucres.
Les animaux, comme le lapin, mangent les plantes et utilisent le carbone pour créer leurs propres tissus. D'autres animaux, comme le renard, mangent le lapin et utilisent ensuite le carbone pour leurs propres besoins. Ces animaux rejettent du dioxyde de carbone dans l'air lorsqu'ils respirent et meurent, car le carbone est renvoyé dans le sol pendant la décomposition. Les atomes de carbone dans le sol peuvent ensuite être utilisés dans une nouvelle plante ou de petits microorganismes. Les principaux réservoirs de carbone suivants, interconnectés par des voies d'échange:
je. L'atmosphère.
ii. La biosphère terrestre, qui est généralement définie comme comprenant les systèmes d'eau douce et les matières organiques non vivantes, telles que le carbone du sol.
iii. Les océans, y compris le carbone inorganique dissous et le biote marin vivant et non vivant.
iv. Les sédiments, y compris les combustibles fossiles
v. L'intérieur de la Terre, le carbone provenant du manteau et de la croûte terrestre est libéré dans l'atmosphère et l'hydrosphère par les volcans et les systèmes géothermiques.
Les mouvements annuels de carbone, les échanges de carbone entre les réservoirs, sont dus à divers processus chimiques, physiques, géologiques et biologiques. L'océan contient le plus grand bassin actif de carbone près de la surface de la Terre, mais la partie océanique profonde de ce bassin n'échange pas rapidement avec l'atmosphère en l'absence d'influence externe, telle qu'une fuite de puits de pétrole en eau profonde incontrôlée.
Le bilan carbone global est le solde des échanges (revenus et pertes) de carbone entre les réservoirs de carbone ou entre une boucle spécifique du cycle du carbone.
Le carbone est libéré dans l'atmosphère de plusieurs manières:
je. À travers la respiration des plantes et des animaux. Cette réaction exothermique implique la décomposition du glucose (ou d’autres molécules organiques) en dioxyde de carbone et en eau.
ii. Par la décomposition des matières animales et végétales. Les champignons et les bactéries décomposent les composés carbonés chez les animaux et les plantes morts et convertissent le carbone en dioxyde de carbone si de l'oxygène est présent, ou du méthane dans le cas contraire.
iii. Par la combustion de matières organiques qui oxydent le carbone qu'elles contiennent, produisant du dioxyde de carbone (et d'autres substances telles que la vapeur d'eau). La combustion de combustibles fossiles tels que le charbon et les produits pétroliers libère du dioxyde de carbone. La combustion d'agrocarburants libère également du dioxyde de carbone
iv. Les éruptions volcaniques et le métamorphisme libèrent des gaz dans l'atmosphère. Les gaz volcaniques sont principalement de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre.
v. Le carbone est transféré dans la biosphère lorsque les hétérotrophes se nourrissent d'autres organismes ou de leurs parties (par exemple, les fruits). Cela inclut l'absorption de matière organique morte (détritus) par les champignons et les bactéries pour la fermentation ou la décomposition.
vi. La plupart du carbone quitte la biosphère par la respiration. En présence d'oxygène, il se produit une respiration aérobie, qui libère du dioxyde de carbone dans l'air ou l'eau environnants, à la suite de la réaction C 6 H 12 O 6 + 60 2 -> 6 CO 2 + 6 H 2 O. Sinon, une respiration anaérobie se produit et libère du méthane dans le milieu environnant, qui finit par pénétrer dans l'atmosphère ou l'hydrosphère (gaz des marais ou flatulences, par exemple).
Circulation du dioxyde de carbone:
je. Les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère.
ii. Au cours du processus de photosynthèse, les plantes incorporent les atomes de carbone du dioxyde de carbone dans les sucres.
iii. Les animaux, comme le lapin, mangent les plantes et utilisent le carbone pour créer leurs propres tissus, enchaînent le contenu en carbone
iv. Tout au long de la chaîne alimentaire, le carbone est transféré dans les renards, les lions, etc.
v. Les animaux rejettent du dioxyde de carbone dans l'air lorsqu'ils respirent et meurent, car le carbone est renvoyé dans le sol pendant la décomposition.
En cas d'océan:
Dans les régions d'upwelling océanique, du carbone est libéré dans l'atmosphère. À l’inverse, les régions de transfert de carbone (CO 2 ) de l’atmosphère à l’océan. Lorsque le CO 2 pénètre dans l'océan, il participe à une série de réactions localement en équilibre:
je. Conversion du CO 2 (atmosphérique) en CO 2 (dissous).
ii. Conversion du CO 2 (dissous) en acide carbonique (H 2 CO 3 ).
iii. Conversion de l'acide carbonique (H 2 CO 3 ) en ion bicarbonate.
iv. Conversion de l'ion bicarbonate en ion carbonate.
Dans les océans, le carbonate dissous peut s'associer au calcium dissous pour précipiter le carbonate de calcium solide, CaCO 3, principalement sous forme de coquilles d'organismes microscopiques. Lorsque ces organismes meurent, leurs coquilles s’enfoncent et s’accumulent au fond de l’océan. Au fil du temps, ces sédiments carbonatés forment du calcaire, le plus grand réservoir de carbone du cycle du carbone.
Le calcium dissous dans les océans provient de l’altération chimique des roches silico-calcaires, au cours de laquelle les acides carboniques et autres acides contenus dans les eaux souterraines réagissent avec les minéraux calciques, libérant des ions calcium en solution et laissant un résidu de minéraux argileux nouvellement formés riches en aluminium et minéraux insolubles tels que le quartz.
Le flux ou l'absorption de dioxyde de carbone dans les océans du monde est influencé par la présence de virus répandus dans les eaux des océans qui infectent de nombreuses espèces de bactéries. Les décès bactériens qui en résultent génèrent une série d'événements qui conduisent à une respiration considérablement plus large du dioxyde de carbone, renforçant le rôle des océans en tant que puits de carbone.
2. Cycle de l'azote :
Le cycle de l'azote est l'ensemble des processus biogéochimiques par lesquels l'azote subit des réactions chimiques, change de forme et se déplace dans des réservoirs différents sur Terre, y compris des organismes vivants.
L'azote est indispensable à la vie et à la croissance de tous les organismes, car il s'agit d'un composant essentiel de l'ADN, de l'ARN et des protéines. Cependant, la plupart des organismes ne peuvent pas utiliser l'azote atmosphérique, le plus grand réservoir. Les cinq processus du cycle de l'azote
je. Fixation de l'azote
ii. Absorption d'azote
iii. Minéralisation d'azote
iv. Nitrification
v. dénitrification
Les humains influencent le cycle global de l'azote principalement par l'utilisation d'engrais à base d'azote.
I. Fixation de l'azote: N 2 -> NH 4 +
La fixation de l'azote est le processus par lequel le N 2 est converti en ammonium, ce qui est essentiel car c'est le seul moyen pour les organismes d'obtenir de l'azote directement de l'atmosphère. Certaines bactéries, par exemple celles du genre Rhizobium, sont les seuls organismes qui fixent l'azote par le biais de processus métaboliques.
Les bactéries fixatrices d'azote forment souvent des relations symbiotiques avec les plantes hôtes. Cette symbiose est bien connue dans la famille des légumineuses (par exemple les haricots, les pois et le trèfle). Dans cette relation, les bactéries fixatrices d'azote habitent les nodules des racines des légumineuses et reçoivent des glucides et un environnement favorable de la plante hôte en échange d'une partie de l'azote qu'elles fixent. Il existe également des bactéries fixatrices d'azote qui existent sans plantes hôtes, connues sous le nom de fixateurs d'azote libres. Dans les milieux aquatiques, les algues bleu-vert (une bactérie appelée cyanobactérie) constituent un important fixateur d’azote libre.
II. Absorption d’azote: NH 4 + -> N organique
L'ammoniac produit par les bactéries fixatrices d'azote est généralement rapidement incorporé dans les protéines et autres composés organiques azotés, soit par une plante hôte, par la bactérie elle-même ou par un autre organisme du sol.
III. Minéralisation en azote: N organique -> NH 4 +
Une fois que l'azote est incorporé à la matière organique, il est souvent reconverti en azote inorganique par un processus appelé minéralisation de l'azote, également appelé décroissance. Lorsque des organismes meurent, les décomposeurs (tels que les bactéries et les champignons) consomment la matière organique et entraînent le processus de décomposition.
Au cours de ce processus, une quantité importante de l'azote contenu dans l'organisme mort est convertie en ammonium. Une fois sous forme d'ammonium, l'azote est disponible pour être utilisé par les plantes ou pour être transformé en nitrate (NO 3 - ) par le processus appelé nitrification.
IV Nitrification: NH 4 + -> NO 3 -
Une partie de l'ammonium produit par la décomposition est convertie en nitrate via un processus appelé nitrification. Les bactéries qui effectuent cette réaction en tirent de l'énergie. La nitrification nécessite la présence d'oxygène. La nitrification ne peut donc se produire que dans des environnements riches en oxygène, tels que les eaux en circulation ou les eaux courantes, ainsi que dans les couches superficielles des sols et des sédiments. Le processus de nitrification a des conséquences importantes.
Les ions ammonium sont chargés positivement et adhèrent donc (sont absorbés) aux particules d'argile et aux matières organiques du sol chargées négativement. La charge positive empêche l'azote ammoniacal d'être éliminé du sol (ou lessivé) par les précipitations.
En revanche, les ions nitrates chargés négativement ne sont pas retenus par les particules de sol et peuvent donc être entraînés dans le sol, ce qui entraîne une diminution de la fertilité du sol et un enrichissement en nitrates des eaux de surface et des eaux souterraines en aval.
V. Dénitrification: NO 3 - -> N 2 + N 2 O
Par dénitrification, les formes d'azote oxydées, telles que les nitrates et les nitrites (NO 2 ), sont converties en di-azote (N 2 ) et, dans une moindre mesure, en oxyde nitreux. La dénitrification est un processus anaérobie réalisé par des bactéries dénitrifiantes, qui convertissent les nitrates en azote dans l'ordre suivant:
NO 3 - -> NO 2 - -> NO -> N 2 O -> N 2
L'oxyde nitrique et l'oxyde nitreux sont deux gaz importants pour l'environnement. L'oxyde nitrique (NO) contribue au smog, tandis que l'oxyde nitreux (N 2 O) est un important gaz à effet de serre, contribuant ainsi au changement climatique mondial.
3. Cycle du soufre:
Le soufre est l'un des composants qui composent les protéines et les vitamines. Les protéines sont constituées d'acides aminés contenant des atomes de soufre. Le soufre est important pour le fonctionnement des protéines et des enzymes chez les plantes et chez les animaux dont le soufre dépend des plantes.
Il pénètre dans l'atmosphère par des sources naturelles et humaines. Les ressources naturelles peuvent être, par exemple, les éruptions volcaniques, les processus bactériens, l’évaporation de l’eau ou les organismes en décomposition. Lorsque le soufre pénètre dans l’atmosphère par l’activité humaine, c’est principalement une conséquence de processus industriels dans lesquels les gaz de dioxyde de soufre (SO 2 ) et de sulfure d’hydrogène (H 2 S) sont émis à grande échelle.
Lorsque le dioxyde de soufre entre dans l'atmosphère, il réagit avec l'oxygène pour produire du trioxyde de soufre (SO 3 ) ou avec d'autres produits chimiques dans l'atmosphère pour produire des sels de soufre. Le dioxyde de soufre peut également réagir avec l’eau pour produire de l’acide sulfurique (H 2 SO 4 ). L'acide sulfurique peut également être produit à partir de sulfure de déméthyle, qui est émis dans l'atmosphère par les espèces de plancton.
Toutes ces particules retomberont sur la terre ou réagiront avec la pluie et retomberont sur la terre sous forme de dépôt acide. Les particules seront ensuite absorbées par les plantes et seront relâchées dans l'atmosphère, de sorte que le cycle du soufre recommencera.
je. Les combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole sont des ressources énergétiques extrêmement importantes qui s'épuisent.
ii. Les ressources à base d'hydrocarbures créent des niveaux de pollution et des gaz à effet de serre. Leur gestion est liée à l'amélioration des technologies et à la recherche de sources d'énergie alternatives en tenant compte de cela.
iii. Une utilisation globale prudente et durable des ressources, tant au niveau individuel que collectif, peut profiter à un large échantillon de la société et aux générations futures.
