CYCLE DE L'AZOTE: CARACTÉRISTIQUES, RÉSERVOIRS ET ÉTAPES - ENVIRONNEMENT - 2025

Le cycle de l'azote est le processus de mouvement de l'azote entre l'atmosphère et la biosphère. C'est l'un des cycles biogéochimiques les plus pertinents. L'azote (N) est un élément de grande importance, car il est nécessaire à tous les organismes pour leur croissance. Il fait partie de la composition chimique des acides nucléiques (ADN et ARN) et des protéines.

La plus grande quantité d'azote sur la planète se trouve dans l'atmosphère. L'azote atmosphérique (N ₂) ne peut pas être utilisé directement par la plupart des êtres vivants. Il existe des bactéries capables de le fixer et de l'incorporer dans le sol ou l'eau d'une manière qui peut être utilisée par d'autres organismes.

Plan d'eau eutrophié par enrichissement en azote et phosphore, à Lille (Nord de la France). Auteur: F. lamiot (travail personnel), de Wikimedia Commons

Par la suite, l'azote est assimilé par des organismes autotrophes. La plupart des organismes hétérotrophes l'acquièrent par la nourriture. Ensuite, ils libèrent l'excès sous forme d'urine (mammifères) ou d'excréments (oiseaux).

Dans une autre phase du processus, il y a des bactéries qui participent à la transformation de l'ammoniac en nitrites et nitrates qui sont incorporés dans le sol. Et à la fin du cycle, un autre groupe de micro-organismes utilise l'oxygène disponible dans les composés azotés dans la respiration. Dans ce processus, ils libèrent de l'azote dans l'atmosphère.

Actuellement, la plus grande quantité d'azote utilisée dans l'agriculture est produite par l'homme. Cela a entraîné un excès de cet élément dans les sols et les sources d'eau, provoquant un déséquilibre dans ce cycle biogéochimique.

Caractéristiques générales

Origine

L'azote est considéré comme étant issu de la nucléosynthèse (création de nouveaux noyaux atomiques). Les étoiles avec de grandes masses d'hélium ont atteint la pression et la température nécessaires à la formation de l'azote.

Lorsque la Terre est née, l'azote était à l'état solide. Plus tard, avec l'activité volcanique, cet élément est devenu un état gazeux et a été incorporé dans l'atmosphère de la planète.

L'azote était sous forme de N ₂. Probablement les formes chimiques utilisées par les êtres vivants (NH ₃ ammoniac) sont apparues par les cycles de l'azote entre la mer et les volcans. De cette manière, NH ₃ aurait été incorporé dans l'atmosphère et avec d'autres éléments a donné naissance à des molécules organiques.

Formes chimiques

L'azote se présente sous diverses formes chimiques, faisant référence à différents états d'oxydation (perte d'électrons) de cet élément. Ces différentes formes varient à la fois dans leurs caractéristiques et dans leur comportement. L'azote gazeux (N ₂) n'est pas oxydé.

Les formes oxydées sont classées en organiques et inorganiques. Les formes organiques se trouvent principalement dans les acides aminés et les protéines. Les états inorganiques sont l'ammoniac (NH ₃), l'ion ammonium (NH ₄), les nitrites (NO ₂) et les nitrates (NO ₃), entre autres.

L'histoire

L'azote a été découvert en 1770 par trois scientifiques indépendamment (Scheele, Rutherford et Lavosier). En 1790, le Chaptal français nomma le gaz azote.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, il s'est avéré être un élément essentiel des tissus des organismes vivants et de la croissance des plantes. De même, l'existence d'un flux constant entre les formes organiques et inorganiques a été mise en évidence.

Les sources d'azote étaient à l'origine considérées comme des éclairs et des dépôts atmosphériques. En 1838, Boussingault détermine la fixation biologique de cet élément dans les légumineuses. Puis, en 1888, on découvrit que les microorganismes associés aux racines des légumineuses étaient responsables de la fixation du N ₂.

Une autre découverte importante a été l'existence de bactéries capables d'oxyder l'ammoniac en nitrites. Ainsi que d'autres groupes qui ont transformé les nitrites en nitrates.

Dès 1885, Gayon a déterminé qu'un autre groupe de micro-organismes avait la capacité de transformer les nitrates en N ₂. De telle manière que le cycle de l'azote sur la planète puisse être compris.

Exigence de l'agence

Tous les êtres vivants ont besoin d'azote pour leurs processus vitaux, mais tous ne l'utilisent pas de la même manière. Certaines bactéries sont capables d'utiliser directement l'azote atmosphérique. D'autres utilisent des composés azotés comme source d'oxygène.

Les organismes autotrophes nécessitent un apport sous forme de nitrates. De leur côté, de nombreux hétérotrophes ne peuvent l'utiliser que sous la forme de groupes aminés qu'ils obtiennent de leur alimentation.

Composants

-Réserves

La plus grande source naturelle d'azote est l'atmosphère, où 78% de cet élément se trouve sous forme gazeuse (N ₂), avec quelques traces de protoxyde d'azote et de monoxyde d'azote.

Les roches sédimentaires en contiennent environ 21% qui sont libérées très lentement. Le 1% restant est contenu dans la matière organique et les océans sous forme d'azote organique, de nitrates et d'ammoniac.

-Microorganismes participants

Il existe trois types de micro-organismes qui participent au cycle de l'azote. Ce sont des fixateurs, des nitrificateurs et des dénitrificateurs.

Bactéries fixatrices d'azote

Ils codent pour un complexe d'enzymes nitrogénases impliquées dans le processus de fixation. La plupart de ces micro-organismes colonisent la rhizosphère des plantes et se développent dans leurs tissus.

Le genre le plus courant de bactéries fixatrices est Rhizobium, qui est associé aux racines des légumineuses. Il existe d'autres genres tels que Frankia, Nostoc et Pasasponia qui font une symbiose avec les racines d'autres groupes de plantes.

Les cyanobactéries sous forme libre peuvent fixer l'azote atmosphérique dans les milieux aquatiques

Bactéries nitrifiantes

Il existe trois types de micro-organismes impliqués dans le processus de nitrification. Ces bactéries sont capables d'oxyder l'ammoniac ou l'ion ammonium présent dans le sol. Ce sont des organismes chimiolyttrophes (capables d'oxyder les matières inorganiques comme source d'énergie).

Les bactéries de divers genres interviennent dans le processus de manière séquentielle. Nitrosoma et Nitrocystis oxydent NH3 et NH4 en nitrites. Nitrobacter et Nitrosococcus oxydent alors ce composé en nitrates.

En 2015, un autre groupe de bactéries a été découvert qui intervient dans ce processus. Ils sont capables d'oxyder directement l'ammoniac en nitrates et sont situés dans le genre Nitrospira. Certains champignons sont également capables de nitrifier l'ammoniac.

Bactéries dénitrifiantes

Il a été suggéré que plus de 50 genres différents de bactéries peuvent réduire les nitrates en N ₂. Cela se produit dans des conditions anaérobies (absence d'oxygène).

Les genres dénitrifiants les plus courants sont Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus et Thiosphaera. La plupart de ces groupes sont des hétérotrophes.

En 2006, une bactérie (Methylomirabilis oxyfera) a été découverte qui est aérobie. Il est méthanotrophe (il tire du carbone et de l'énergie du méthane) et est capable d'obtenir de l'oxygène à partir du processus de dénitrification.

Étapes

Le cycle de l'azote passe par différentes étapes de sa mobilisation à travers la planète. Ces phases sont:

Fixation

C'est la conversion de l'azote atmosphérique en formes considérées comme réactives (qui peuvent être utilisées par les êtres vivants). La rupture des trois liaisons contenues dans la molécule de N ₂ nécessite une grande quantité d'énergie et peut se produire de deux manières: abiotique ou biotique.

Cycle de l'azote. Refait par YanLebrel à partir d'une image de l'Agence de protection de l'environnement: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, via Wikimedia Commons

Fixation abiotique

Les nitrates sont obtenus par fixation à haute énergie dans l'atmosphère. Il provient de l'énergie électrique de la foudre et du rayonnement cosmique.

Le N _{2 se} combine avec l'oxygène pour former des formes oxydées d'azote telles que NO (dioxyde d'azote) et NO ₂ (protoxyde d'azote). Plus tard, ces composés sont transportés à la surface de la terre par la pluie sous forme d'acide nitrique (HNO ₃).

La fixation à haute énergie incorpore environ 10% des nitrates présents dans le cycle de l'azote.

Fixation biotique

Elle est réalisée par des micro-organismes dans le sol. Ces bactéries sont généralement associées aux racines des plantes. La fixation annuelle de l'azote biotique est estimée à environ 200 millions de tonnes par an.

L'azote atmosphérique est transformé en ammoniac. Dans une première phase de la réaction, N ₂ est réduit en NH ₃ (ammoniac). Sous cette forme, il est incorporé aux acides aminés.

Dans ce processus, un complexe enzymatique avec différents centres d'oxydoréduction est impliqué. Ce complexe de nitrogénase est composé d'une réductase (fournit des électrons) et d'une nitrogénase. Ce dernier utilise des électrons pour réduire N ₂ en NH ₃. Une grande quantité d'ATP est consommée dans le processus.

Le complexe de nitrogénase est inhibé de manière irréversible en présence de fortes concentrations d'O ₂. Dans les nodules radicaux, une protéine (leghémoglobine) est présente qui maintient la teneur en O ₂ très faible. Cette protéine est produite par l'interaction entre les racines et les bactéries.

Assimilation

Les plantes qui n'ont pas d'association symbiotique avec les bactéries fixatrices de N ₂ prennent l'azote du sol. L'absorption de cet élément s'effectue sous forme de nitrates à travers les racines.

Une fois que les nitrates pénètrent dans la plante, une partie est utilisée par les cellules des racines. Une autre partie est distribuée par le xylème à l'ensemble de la plante.

Lorsqu'il doit être utilisé, le nitrate est réduit en nitrite dans le cytoplasme. Ce processus est catalysé par l'enzyme nitrate réductase. Les nitrites sont transportés vers les chloroplastes et autres plastes, où ils sont réduits en ion ammonium (NH ₄).

L'ion ammonium en grande quantité est toxique pour la plante. Ainsi, il est rapidement incorporé dans les squelettes carbonatés pour former des acides aminés et d'autres molécules.

Dans le cas des consommateurs, l'azote est obtenu en se nourrissant directement de plantes ou d'autres animaux.

Ammonification

Dans ce processus, les composés azotés présents dans le sol sont décomposés en formes chimiques plus simples. L'azote est contenu dans la matière organique morte et les déchets tels que l'urée (urine de mammifère) ou l'acide urique (excréments d'oiseaux).

L'azote contenu dans ces substances se présente sous forme de composés organiques complexes. Les micro-organismes utilisent les acides aminés contenus dans ces substances pour produire leurs protéines. Dans ce processus, ils libèrent un excès d'azote sous forme d'ammoniac ou d'ion ammonium.

Ces composés sont disponibles dans le sol pour que d'autres micro-organismes agissent dans les phases suivantes du cycle.

Nitrification

Au cours de cette phase, les bactéries du sol oxydent l'ammoniac et l'ion ammonium. Dans le processus de l'énergie est libérée qui est utilisée par les bactéries dans leur métabolisme.

Dans la première partie, les bactéries nitrosantes du genre Nitrosomas oxydent l'ammoniac et l'ion ammonium en nitrite. L'enzyme ammoniac mooxygénase se trouve dans la membrane de ces micro-organismes. Cela oxyde NH ₃ en hydroxylamine, qui est ensuite oxydée en nitrite dans le périplasme des bactéries.

Par la suite, les bactéries de nitration oxydent les nitrites en nitrates en utilisant l'enzyme nitrite oxydoréductase. Les nitrates restent disponibles dans le sol, où ils peuvent être absorbés par les plantes.

Dénitrification

Dans cette étape, les formes oxydées d'azote (nitrites et nitrates) sont reconverties en N ₂ et dans une moindre mesure en protoxyde d'azote.

Le processus est réalisé par des bactéries anaérobies, qui utilisent des composés azotés comme accepteurs d'électrons pendant la respiration. Le taux de dénitrification dépend de plusieurs facteurs, tels que le nitrate disponible et la saturation et la température du sol.

Lorsque le sol est saturé d'eau, l'O _{2 n'est} plus facilement disponible et les bactéries utilisent le NO ₃ comme accepteur d'électrons. Lorsque les températures sont très basses, les micro-organismes ne peuvent pas effectuer le processus.

Cette phase est le seul moyen d'éliminer l'azote d'un écosystème. De cette manière, le N ₂ qui était fixé retourne à l'atmosphère et l'équilibre de cet élément est maintenu.

Importance

Ce cycle a une grande pertinence biologique. Comme nous l'avons expliqué précédemment, l'azote est une partie importante des organismes vivants. Grâce à ce processus, il devient biologiquement utilisable.

Dans le développement des cultures, la disponibilité de l'azote est l'une des principales limites de la productivité. Depuis le début de l'agriculture, le sol s'est enrichi de cet élément.

La culture de légumineuses pour améliorer la qualité du sol est une pratique courante. De même, la plantation de riz dans les sols inondés favorise les conditions environnementales nécessaires à l'utilisation de l'azote.

Au XIXe siècle, le guano (excréments d'oiseaux) était largement utilisé comme source externe d'azote dans les cultures. Cependant, à la fin de ce siècle, il était insuffisant pour augmenter la production alimentaire.

Le chimiste allemand Fritz Haber, à la fin du 19e siècle, a mis au point un procédé qui a ensuite été commercialisé par Carlo Bosch. Cela consiste à faire réagir du N ₂ et de l'hydrogène gazeux pour former de l'ammoniac. Il est connu sous le nom de procédé Haber-Bosch.

Cette forme de production artificielle d'ammoniac est l'une des principales sources d'azote utilisables par les êtres vivants. On considère que 40% de la population mondiale dépend de ces engrais pour leur alimentation.

Perturbations du cycle de l'azote

La production anthropique actuelle d'ammoniac est d'environ 85 tonnes par an. Cela a des conséquences négatives sur le cycle de l'azote.

En raison de l'utilisation élevée d'engrais chimiques, il y a contamination des sols et des aquifères. On considère que plus de 50% de cette contamination est une conséquence de la synthèse Haber-Bosch.

Les excès d'azote conduisent à l'eutrification (enrichissement en nutriments) des plans d'eau. L'euutrification anthropique est très rapide et provoque une croissance accélérée principalement d'algues.

Ils consomment beaucoup d'oxygène et peuvent accumuler des toxines. En raison du manque d'oxygène, les autres organismes présents dans l'écosystème finissent par mourir.

De plus, l'utilisation de combustibles fossiles libère une grande quantité d'oxyde nitreux dans l'atmosphère. Celui-ci réagit avec l'ozone et forme de l'acide nitrique, qui est l'un des composants des pluies acides.

Références

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