CYCLE DU CALCIUM: CARACTÉRISTIQUES, ÉTAPES ET IMPORTANCE - CHIMIE - 2025

Le cycle du calcium est la circulation et le stockage sur Terre de cet élément, englobant les êtres vivants, la lithosphère et l'hydrosphère. Il s'agit d'un cycle biogéochimique sédimentaire dans lequel le calcium circule sous forme de métal mou alcalino-terreux, dépourvu d'étage gazeux.

Le stade de plus grande circulation du calcium est le stade biologique, car il est consommé par les êtres vivants et utilisé dans leurs structures et leur métabolisme. Une fois les êtres vivants morts, le calcium est réintégré dans l'environnement physique en tant que partie du sol et des fonds marins.

Calcium. Source: Pumbaa (œuvre originale de Greg Robson) / CC BY-SA 2.0 UK (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en)

Il existe d'importants gisements de coquillages et d'os, en particulier sur le fond marin et dans les grands lacs. Ces structures se mélangent aux sédiments et sont recouvertes de couches successives sur des millions d'années.

Les couches inférieures de sédiments sont soumises à des pressions élevées formant des roches sédimentaires qui sont ensuite exposées à la surface en raison de processus géologiques terrestres. Les roches exposées sont soumises aux intempéries et à l'érosion, libérant du calcium qui est intégré au sol ou est emporté.

Dans le sol, il est principalement absorbé par les racines des plantes et dans la mer par le phytoplancton et d'autres organismes. Le calcium est utilisé à différentes fins structurelles et métaboliques, par exemple la fabrication de coquilles.

Le cycle du calcium est important car il permet à cet élément d'être disponible dans ses différentes étapes, remplissant diverses fonctions. Ainsi, faisant partie de la structure des organismes vivants, participe à la formation du relief terrestre, régule le pH des sols et des eaux et sert de matière première à l'industrie humaine.

Caractéristiques générales

- Le calcium

Le calcium (Ca) est un métal mou alcalino-terreux de numéro atomique 20 et de masse atomique 40.078, dont l'état ordinaire est solide. Forme des oxydes qui agissent comme des bases fortes, réagissant violemment au contact d'acides.

- Votre cycle

Le calcium remplit un cycle biogéochimique de type sédimentaire, car il manque de phase gazeuse et les plus grandes réserves se trouvent dans la lithosphère. Il est étroitement lié aux cycles du carbone, de l'eau et du phosphore.

L'érosion des roches

Le cycle se développe à partir de l'altération et de l'érosion des roches calcaires qui libèrent le calcium déposé dans le sol. De même, il peut être emporté dissous dans l'eau de ruissellement dans les rivières, les lacs et les océans.

Lorsque l'eau de pluie entre en contact avec le CO2 atmosphérique, elle forme du H2CO3 qui dissout la roche calcaire, libérant du Ca2 + et du HCO3-. D'autre part, le CO2 transporté par l'eau de pluie transforme le carbonate insoluble en bicarbonate soluble.

Absorption et utilisation par les êtres vivants

Le calcium (Ca2 +) dans le sol est absorbé par les plantes et dans les plans d'eau par les organismes aquatiques. Dans le corps, le calcium remplit différentes fonctions métaboliques et lorsque les organismes meurent, il retourne dans l'environnement physique, emporté par les eaux de ruissellement dans les rivières, les lacs et les océans.

Formation rocheuse

Des squelettes d'animaux (internes et externes ou coquillages) sont déposés sur le fond marin dans le cadre des sédiments. Les couches sédimentaires sont recouvertes et compactées pendant des millions d'années pour former des roches calcaires.

Roches calcaires. Source: Ferdous / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Des processus diastrophiques ultérieurs (fissures et mouvements ascendants de la croûte terrestre) exposent les roches à la surface. De cette façon, le cycle est fermé, car les roches sont à nouveau altérées (action des éléments climatiques) et sont altérées et érodées.

Étapes du cycle du calcium

Les étapes par lesquelles le calcium passe dans son cycle de stockage et de circulation sont données par les compartiments dans lesquels ces processus se produisent. Ce sont la croûte et une partie du manteau terrestre (lithosphère), les plans d'eau (hydrosphère) et les organismes vivants.

- Stade géologique

Au stade géologique, compartimenté dans la croûte et le manteau, c'est là que se trouve la plus grande quantité de stockage de calcium. Le calcium est le cinquième élément le plus abondant de la lithosphère, constituant 3,5% de la croûte terrestre.

On le trouve faisant partie de roches telles que le calcaire, la dolomite, la marne et le marbre, tandis que le calcaire et la dolomite forment d'énormes chaînes de montagnes à travers la planète. De la même manière, il fait partie d'autres composés naturels comme le gypse et l'albâtre (sulfate de calcium).

Sous forme minérale, il est obtenu sous forme de carbonate de calcium (CaCO3) à partir de calcite, dolomite et autres formes cristallines comme l'aragonite.

Calcaire

C'est un type très abondant de roche sédimentaire provenant d'anciens dépôts marins ou lacustres (lacs), composé à 99% de carbonate de calcium. Ces roches forment des strates horizontales ou déformées par des mouvements diastrophiques et leur altération donne lieu à des sols neutres à basiques (pH 7 ou plus), riches en calcium.

Dolomie

Il s'agit d'une roche sédimentaire formée dans des dépôts marins peu profonds par une réaction de substitution chimique. Dans ce cas, le magnésium participe à la conformation minérale, formant de la dolomite ou du carbonate de calcium et de magnésium (CaMg (CO3) 2).

Margas

Ce sont des roches sédimentaires formées par 1/3 à 2/3 de carbonate de calcium et le reste d'argiles. Ces roches survivent dans les zones sèches, car elles sont très sensibles à l'érosion hydrique.

Marbre

Si les roches calcaires sont soumises à des températures et des pressions élevées dans les couches profondes de la croûte terrestre, du marbre se forme. Il s'agit d'une roche métamorphique très compacte avec un haut degré de cristallisation.

- Stade hydrologique

Le calcium est dissous dans les rivières, les lacs et les océans sous forme de chlorure de calcium (étant l'ion le plus abondant dans ce milieu) et de carbonate de calcium. Dans les océans, le carbonate de calcium (CaCO3) est stable à des profondeurs inférieures à 4500 m.

Le calcium dans ce milieu se trouve dans les organismes vivants et dans les dépôts de calcaire sur le fond marin. C'est la limite de profondeur de la compensation carbonatée, après quoi le CaCO3 se dissout et ne forme pas de dépôts calcaires.

- Stade biologique

Déplacement du calcium du sol vers les racines. Du xylème aux feuilles de la plante. Dhagerty / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

A ce stade, le cycle du calcium atteint sa plus grande circulation, étant vital pour les êtres vivants car en tant qu'ion Ca2 +, il fait partie des mécanismes d'échange des membranes cellulaires. En revanche, c'est un constituant essentiel des os, des dents, des coquilles d'œufs et des coquilles.

Coquilles de calcium chez les bivalves. Source:

De cette façon, le calcium circule dans la biosphère et lorsque les organismes meurent, il retourne dans les sédiments pour former de nouvelles roches au fil du temps.

L'être humain

Un élément remarquable de l'étape biologique du cycle du calcium est le rôle des êtres humains dans l'utilisation de cet élément comme matière première. Cet élément est extrait, transporté et utilisé en grandes quantités de différentes manières.

Dans les mines à ciel ouvert, le calcaire est extrait pour l'utiliser comme élément de construction ou pour le broyer et l'utiliser comme matière première industrielle. Les coquilles sont également broyées pour préparer des engrais et d'autres produits.

Les coquilles de foraminifères et de mollusques

Les coquilles de ces animaux sont formées de carbonate de calcium, cristallisé sous forme de calcite ou d'aragonite. Ce sont deux formes minérales de même composition (CaCO3) mais qui cristallisent différemment.

Les mollusques forment leur coquille à partir d'une forme liquide de calcium sécrétée par des cellules spécialisées. La couche la plus interne de la coquille est la nacre formée de cristaux d'aragonite mélangés à la protéine de conchioline.

Importance

La circulation du calcium, formant son cycle caractéristique, est essentielle pour rendre cet élément disponible aux êtres vivants. Grâce aux processus qui libèrent le calcium des roches et le font circuler, la vie existe telle que nous la connaissons.

- Élément essentiel pour la vie

Le calcium est essentiel à la vie, car il est à la fois un élément structurel et métabolique. Structurellement, c'est un élément fondamental dans la conformation des squelettes internes et externes.

Chez les animaux osseux, le calcium est le principal composant des os (squelette interne), également des dents. Dans les foraminifères (protistes) et les mollusques (escargots et bivalves), c'est l'ingrédient principal pour la formation du squelette externe, c'est-à-dire des coquilles.

Métabolisme

Le calcium est un agent de transport dans les membranes cellulaires, il joue donc un rôle important dans le métabolisme. Dans les membranes cellulaires, il existe des canaux calciques qui permettent l'entrée passive de cet élément dans les cellules.

Canaux calciques. Source: Ulrich Förstermann - Elsevier GmbH / Domaine public

Cela régule la relation des concentrations de calcium entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, activant différents processus métaboliques. Par exemple, ces mécanismes sont essentiels au fonctionnement du système nerveux et musculaire et jouent donc un rôle important dans la fonction cardiaque.

- Nourriture et santé

Du point de vue humain, le cycle du calcium permet de rendre cet élément disponible pour l'alimentation et la santé humaine. Surtout, il est essentiel dans la production et la préparation de produits laitiers pour enfants.

De même, son ingestion à des fins médicinales est utilisée dans le traitement des maladies de carence en calcium telles que l'ostéoporose. Cette maladie qui affaiblit les os est particulièrement grave chez les personnes âgées, en particulier chez les femmes.

- Les perles

Lorsqu'un corps étranger envahit l'huître, il la recouvre de nacre et ainsi une perle se forme. Les perles atteignent des valeurs élevées sur le marché des bijoux dans le monde entier.

- Matière première industrielle

Le calcaire est utilisé industriellement à diverses fins, par exemple la fabrication de ciment. De plus, ces pierres sont utilisées directement comme matériau de construction, en raison de leur sculpture facile.

De plus, le calcium est utilisé comme désoxydant et agent réducteur dans différents procédés, notamment dans l'industrie métallurgique.

Citron vert

En tant que chaux vive, également appelée chaux de construction, ce sont des oxydes de calcium qui sont utilisés comme liant et revêtement dans la construction. De la même manière, il est utilisé dans la fabrication du savon, du papier, du verre, du caoutchouc et dans le tannage du cuir.

De même, il a diverses utilisations dans l'industrie alimentaire et dans le traitement de l'eau. Bien que sous forme de chaux éteinte ou d'hydroxyde de calcium, il est également utilisé dans l'industrie et l'agriculture.

- Régulation du pH du sol

La teneur en oxydes de calcium dans le sol affecte la régulation du pH. En agriculture, la chaux vive est utilisée comme amendement agricole pour réduire l'acidité des sols et aussi comme engrais.

- Eau calcaire ou eau dure

Lorsque l'eau circule dans des environnements riches en calcium et en magnésium, elle dissout les sels de ces éléments et est connue sous le nom d'eau calcaire ou dure. La limite de qualité de l'eau est de 120 mg CaCO3 / litre, au-dessus de laquelle l'eau est considérée comme dure.

L'eau à haute teneur en calcium peut entraîner des problèmes de santé, notamment liés au système cardiovasculaire. De plus, l'eau dure produit des dépôts calcaires dans les tuyaux qui obstruent la circulation.

- Grottes calcaires et aquifères

Dans les roches calcaires, l'érosion hydrique forme souvent des systèmes de grottes souterraines avec des configurations internes intéressantes. Parmi ceux-ci, la formation de stalactites et de stalagmites se distingue, en raison des dépôts de carbonate de calcium provenant des fuites sur les plafonds de ces grottes.

Ces systèmes calcaires remplissent également la fonction de filtrage des eaux souterraines en raison de leur porosité, formant des aquifères.

Références

1. Calow, P. (éd.) (1998). L'encyclopédie de l'écologie et de la gestion environnementale.
2. Christopher R. et Fielding, CR (1993). Un examen des recherches récentes en sédimentologie fluviale. Géologie sédimentaire.
3. Margalef, R. (1974). Écologie. Éditions Omega.
4. Miller, G. et TYLER, JR (1992). Écologie et environnement. Grupo Editorial Iberoamérica SA de CV
5. Odum, EP et Warrett, GW (2006). Fondamentaux de l'écologie. Cinquième édition. Thomson.