Cycle de l'Azote


Cycle de l'Azote

Cycle de l'azote

Cycle de l'azote dans le sol

Le cycle de l'azote est un cycle biogéochimique qui décrit la succession des modifications subies par les différentes formes de l'azote (diazote, nitrate, nitrite, ammoniac, azote organique).

Sommaire

Généralités

L'atmosphère est la principale source d'azote, sous forme de diazote, puisqu'elle en contient 79 % en volume. L'azote, composé essentiel à de nombreux processus biologiques, se retrouve entre autres dans les acides aminés constituant les protéines, et dans les bases azotées présentes dans l'ADN. Des processus sont nécessaires pour transformer l'azote atmosphérique en une forme assimilable par les organismes.

L'azote atmosphérique est fixé par des bactéries présentes dans le sol, telles que Azobacter vinelandii, grâce à une enzyme, la nitrogénase. Celle-ci qui produit de l'ammoniac NH3 à partir de l'azote atmosphérique et de l'hydrogène de l'eau. Certaines de ces bactéries, comme Rhizobium, vivent en symbiose avec des plantes, produisant de l'ammoniac et puisant des glucides de la plante dans la rhizosphère. L'ammoniac peut aussi provenir de la décomposition d'organismes morts par des bactéries saprophytes sous forme d'ions ammonium NH4+.

Dans les sols bien oxygénés, mais aussi en milieu aquatique oxygéné, des bactéries transforment l'ammoniac en nitrite NO2-, puis en nitrates NO3-, au cours du processus de nitrification. On peut décomposer cette transformation en nitritation et nitratation.

Les végétaux absorbent grâce à leurs racines les ions nitrate NO3- et, dans une moindre mesure, l'ammonium présent dans le sol, et les incorporent dans les acides aminés et les protéines. Les végétaux constituent ainsi la source primaire d'azote assimilable par les animaux.

En milieu Anoxique, (sol ou milieu aquatique non oxygéné) des bactéries dites dénitrifiantes transforment les nitrates en gaz diazote, c'est la dénitrification.

Dans le compartiment marin

Sous forme de nitrate ou d'ammoniaque, l'azote est très soluble et dans l'eau et mobile dans les écosystèmes. Le ruissellement l'érosion et les pluies tendent à ramener les nitrates non captés par la biomasse terrestre vers les lacs et surtout vers les océans. Dans la mer, comme sur terre, l'azote dissous dans l'eau est capté (via la photosynthèse) par les plantes et certaines bactéries, puis concentré dans le réseau trophique sous forme de protéines animales notamment.

Tout poisson et tout animal marin concentre dans sa biomasse (matière organique) une partie de l'azote accumulé par les végétaux ou animaux qu’il a consommés, lesquels l’ont prélevé dans le stock océanique, alimenté par l’atmosphère, et de plus en plus excessivement par les apports terrigènes (engrais, et eaux usées essentiellement).

Or, depuis le développement de la pêche industrielle et intensive, cette quantité n’est plus négligeable. En effet, chaque poisson pêché en mer correspond donc à un retrait d’azote du compartiment océanique. Cette quantité a été évaluée pour 58 écosystèmes marins répartis sur le globe par une étude[1] récente sur le cycle de l'azote dans les régions côtières. En 1960 la pêche en mer ramenait vers la terre 60% des composés azotés estimés être apportés par les fertilisants lessivés par les pluies. Or, de 1960 à 2004, ces apports azotés ont été multipliées par 7,5, alors qu’en raison d’une raréfaction des espèces commercialisables suite à la surexploitation des océans, les prises de pêche n’ont augmenté que de 2,5. Seul environ 20% de l’azote perdu en mer par l’agriculture est donc en 2008 « récupéré » par les activités de pêche, laquelle devrait être pour ces raisons mieux prise en compte dans les calculs des bilans d’azote et risques d’eutrophisation.

Une interprétation facile et rapide de ces résultats serait de croire qu’en augmentant encore la pêche on diminuerait l’eutrophisation marine. Cette piste serait illusoire rappelle Greenpeace et l'auteure de l'étude elle-même, notamment parce que poursuivre la surpêche conduira rapidement à la disparition pure et simple de la plupart des espèces commerciales, et donc à une eutrophisation pire encore. La solution préconisée par les ONG environnementales et de nombreux organismes scientifiques, et notamment par un rapport récent[2] du Conseil de la recherche portant sur la « qualité de l'eau du fleuve Mississippi au regard de la Loi sur l'eau : progrès, défis et opportunités ». Ce rapport recommande que l'EPA et l'USDA coopérèrent mieux pour réduire les impacts de l'agriculture sur la qualité de l'eau du Mississippi et du nord du golfe du Mexique (zone morte de 22 000 km2 environ en 2007-2008 ; la plus vaste du monde). La seule solution durable serait de limiter en amont les pertes d’azote agricole et de reconstituer un stock de poisson suffisant pour alimenter une pêche durable. Les indicateurs disponibles laissent penser que ces deux options peinent à se mettre en place.

Ammonification

C'est la production d'ammonium ou d'ammoniac du fait d'une activité biologique, à partir soit de matière organique en décomposition, soit par la réduction de nitrate.

À partir de la matière organique

L'ammonification à partir de la matière organique a pour but de produire une source d'azote directement utilisable par les organismes pour leur propre synthèse.

Réalisée uniquement par une biomasse bactérienne :

À partir des nitrates

Elle a pour buts :

  • de produire de l'énergie par réduction des nitrates en ammonium.
  • de produire une forme d'azote assimilable. C'est la dénitrification assimilatrice ou l'ammonification assimilatrice.

Application en traitement des eaux usées

Article détaillé : traitement des eaux usées.

Les stations d'épuration ont notamment comme fonction de dégrader les formes d'azote moléculaire et ammoniacal en nitrates, puis éventuellement de provoquer une dénitrification (ou dénitratation) afin de réduire la concentration de cet élément dans les eaux rejetées.

Dans un aquarium

Article connexe : aquariophilie.
Cycle de l'azote dans un Aquarium

Dans un aquarium, les déjections des poissons et la nourriture non consommée sont les sources principales de l'ammoniac, qui est extrêmement toxique. Le cycle de l'azote en aquariophilie représente les transformations que cet ammoniac va subir pour être transformé finalement en nitrates nettement moins toxiques. En effet une première population de bactéries ( appelées nitrosomonas ) va le dégrader en nitrites, eux-mêmes encore très toxiques pour les animaux aquatiques. Une deuxième population de bactéries ( appelées nitrobacter ) va ensuite apparaître, qui elle va transformer les nitrites en nitrates. Les nitrates sont alors absorbées par les plantes présentes dans l'aquarium.

Les populations de bactéries vont apparaître progressivement à partir du moment où l'aquarium est mis en route, et le cycle dure environ 3 semaines. Au bout de quelques jours on va voir apparaître une accumulation de nitrites, dû à la première population de bactéries. Ceci va provoquer la prolifération de la deuxième population de bactéries, qui va faire retomber la concentration de nitrites. La concentration de nitrites redescends jusqu'à être totalement indétectable, l'aquarium est alors sain pour les poissons.

La plupart des aquariums ont un excédent de poissons, et pas assez de plantes par rapport à la quantité de nitrates produites. Les nitrates finissent par s'accumuler dans l'eau, et il est alors nécessaire de les diluer régulièrement au bout de une à deux semaines en remplaceant une part de l'eau de l'aquarium par de l'eau "neuve". La fréquence des remplacements dépendra de la sensibilité des animaux. De nombreux poissons supportent des concentration jusqu'à 50 mg/l. Par contre, les coraux “durs“ ne supportent pas des concentrations supérieures à 2 mg/l.

Les bactéries dégradant l'ammoniac et les nitrites sont présentes dans l'eau, le sol de l'aquarium et le filtre, indispensable (même pour les poissons rouges). Obligatoire, en effet, car les bactéries utiles sont aérobies, c'est-à-dire qu'elles ont besoin d'oxygène pour vivre. La circulation de l'eau permet donc d'une part simplement que l'eau chargée en nitrites et ammoniac soit mise en contact avec les bactéries, et d'autre part que celles-ci reçoivent l'oxygène nécessaire.

À partir du moment où le cycle de l'azote s'est installé, on dit que l'aquarium est équilibré : cela signifie donc qu'il n'y a plus de présence d'ammoniac ou de nitrites. Cet équilibre dépend de la présence des bactéries dans l'aquarium : il ne faut donc jamais changer la totalité de l'eau de l'aquarium d'un seul coup sous peine de risquer de le déséquilibrer complètement (10-20 % suffisent une fois par semaine) ; dans ce cas il faudrait de nouveau attendre que les bactéries se reforment... De même il ne faut jamais nettoyer les masses filtrantes avec des détergents ni à l'eau claire, seulement à l'eau de la cuve (directement avec l'eau vidangée par ex) ; il ne faut pas non plus nettoyer les masses filtrantes toutes en même temps, pour les mêmes raisons.

Dans un aquarium destiné au maintien et à la reproduction des coraux, il est essentiel de maintenir le taux de nitrates en dessous de 1-2 mg/l. Pour cela, la seule technique est : (1) de maintenir une très faible densité de peuplement en poissons (“1 cm de poisson“ pour 10 litres soit 5 poissons de 10 cm pour un aquarium de 500 litres) et (2) d'éliminer grâce à un écumeur les déchets organiques avant que ceux-ci ne rentrent dans le cycle de l'azote. On s'aidera enfin de pierres vivantes, structures particulièrement bien adaptées à l'hébergement de populations de bactéries anaérobies, qui vont convertir les nitrates (NO3) en azote gazeux (N2) qui va alors s'échapper du système. On dit alors qu'on a bouclé le cycle de l'azote. Ceci est particulièrement vrai dans les bacs récifaux.

Notes et références

  1. Étude conduite par la Pr. Roxane Maranger, du Département de sciences biologiques de l'Université de Montréal, publiée dans l’édition de février 2008 de Nature Geoscience)
  2. Mississippi River Water Quality and the Clean Water Act: Progress, Challenges, and Opportunities

Voir aussi

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