En biologie, le cycle des nutriments est un concept qui décrit comment les nutriments passent de l’environnement physique aux organismes vivants et sont ensuite recyclés dans l’environnement physique. Ce mouvement circulaire des nutriments est essentiel à tout écosystème donné, et il doit être équilibré et stable pour que le système soit maintenu. Dans de nombreux cas, les activités humaines ont eu un impact majeur sur ces processus, entraînant des effets néfastes. Il existe de nombreux cycles de nutriments différents, chacun avec ses propres voies, mais les plus importants sont peut-être ceux impliquant les éléments carbone, oxygène, azote et phosphore.
Le cycle du carbone
Ce cycle nutritif commence par la photosynthèse, le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries utilisent l’énergie de la lumière du soleil pour combiner le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère et de l’eau pour former des sucres, de l’amidon, des graisses, des protéines et d’autres composés qu’ils utilisent. pour construire des cellules ou stocker comme nourriture. De cette façon, les plantes retirent le carbone de l’atmosphère et le stockent, le rendant disponible pour les herbivores qui mangent les plantes. Les herbivores utilisent une partie du carbone qu’ils consomment pour construire et réparer des cellules, afin qu’il soit stocké dans leur corps. Le reste sert à fournir de l’énergie : il est combiné à l’oxygène de l’air pour former du CO2, qui est ensuite exhalé, renvoyant le carbone directement dans l’atmosphère.
Le carbone stocké dans le corps d’un herbivore, comme un cerf, peut être recyclé lorsque l’animal meurt. Alternativement, l’animal peut être tué et mangé par un carnivore, comme un loup, auquel cas le recyclage aura lieu lorsque le carnivore meurt. Les matières végétales et animales mortes sont décomposées par d’autres organismes, tels que les champignons et les bactéries. Ce processus libère du carbone, sous forme de dioxyde de carbone, dans l’atmosphère.
Il existe un certain nombre de complications dans ce processus général. Par exemple, la matière organique morte peut parfois être enfouie sous les sédiments, rendant le carbone indisponible pour les organismes vivants. Ce matériau enfoui a formé des gisements de charbon et de pétrole, que les humains exploitent maintenant comme combustibles fossiles. La combustion de ces composés forme du dioxyde de carbone, qui est libéré dans l’atmosphère. Il existe un large consensus parmi les scientifiques selon lequel l’augmentation des niveaux de CO2 résultant de la combustion de combustibles fossiles modifie le climat de la Terre à l’échelle mondiale.
Le carbone peut également être emprisonné dans les roches lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau. Certains types d’organismes marins peuvent combiner du dioxyde de carbone dissous avec du calcium pour construire des coquilles constituées de carbonate de calcium. Lorsque ces organismes meurent, les coquilles s’accumulent sous forme de sédiments, formant finalement une roche calcaire. Sur de longues périodes, le calcaire peut être soulevé à la surface par des processus géologiques, où l’eau acide peut réagir avec lui pour libérer du CO2 dans l’atmosphère.
Le cycle de l’oxygène
Ce cycle est étroitement lié au cycle du carbone et débute au même endroit : la photosynthèse, qui libère de l’oxygène dans l’air. Celui-ci, à son tour, est absorbé par les organismes qui respirent de l’oxygène, qui le combinent avec du carbone et libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le CO2 est ensuite utilisé dans la photosynthèse pour libérer à nouveau de l’oxygène. Le dioxyde de carbone provenant d’autres sources, telles que la décomposition de matières organiques mortes et la combustion de combustibles fossiles, est également utilisé dans la photosynthèse, produisant de l’oxygène.
Le cycle de l’azote
L’azote est un élément essentiel pour toutes les formes de vie connues, et il est nécessaire pour former des acides aminés, des protéines et de l’ADN. Bien que 78% de l’atmosphère terrestre soit constitué de cet élément, il ne peut pas être utilisé directement par les plantes sous cette forme. Les molécules du gaz sont constituées de deux atomes maintenus ensemble par une triple liaison très forte, ce qui rend très difficile sa réaction avec d’autres éléments. Néanmoins, l’azote a son propre cycle nutritif.
Il y a deux manières principales par lesquelles cet élément peut devenir disponible pour les organismes vivants. Normalement, il faut beaucoup d’énergie pour rompre les liaisons entre les atomes d’une molécule d’azote. Cette énergie peut provenir de la foudre, qui provoque la combinaison d’un peu d’azote avec l’oxygène, formant des oxydes d’azote. Ceux-ci peuvent se dissoudre dans l’eau de pluie pour former de l’acide nitrique très dilué, qui réagit avec les minéraux du sol pour former des nitrates. Les nitrates sont solubles dans l’eau et peuvent être facilement absorbés par les plantes.
La majeure partie de l’azote dans les organismes vivants provient d’un processus connu sous le nom de fixation de l’azote. Cela implique la conversion de l’azote atmosphérique dans les sols en ammoniac par divers types de bactéries et certaines algues. L’un de ces groupes de bactéries, appelé Rhizobium, forme des nodules dans les racines des pois et des haricots. Pour cette raison, ces plantes sont souvent cultivées comme cultures par les agriculteurs lorsque le sol doit être enrichi avec cet élément.
L’ammoniac ainsi généré est ensuite transformé par d’autres types de bactéries en nitrates, qui sont absorbés par les plantes. Un autre processus, appelé dénitrification, renvoie l’azote gazeux dans l’atmosphère. Encore une fois, cela est effectué par des bactéries, qui réduisent les nitrates dans le sol en azote.
Les êtres humains ont eu un impact significatif sur le cycle de l’azote. Étant donné que les nitrates sont très solubles dans l’eau, ils peuvent être rapidement éliminés du sol par la pluie. Lorsque les cultures sont cultivées de manière intensive, les nitrates perdus doivent souvent être remplacés par des engrais azotés. Ces composés sont produits industriellement par des procédés qui combinent d’abord l’azote atmosphérique avec de l’hydrogène pour former de l’ammoniac, puis le combine avec de l’oxygène pour former de l’acide nitrique, qui est utilisé pour fabriquer des engrais.
Le cycle du phosphore
Comme l’azote, cet élément est une partie essentielle de l’ADN. Il est également nécessaire à la production d’adénosine triphosphate (ATP), un composé que les cellules utilisent pour produire de l’énergie. La principale source naturelle de phosphore provient des roches. L’élément pénètre dans l’eau et le sol sous forme de phosphates par l’érosion et l’altération, et il est absorbé par les plantes. Il progresse ensuite dans la chaîne alimentaire via les herbivores et les carnivores, retournant au sol lorsque ces organismes meurent.
Les phosphates peuvent être éliminés du sol par l’eau de pluie et s’accumuler dans les lacs et les rivières, où une partie est utilisée par les plantes aquatiques et d’autres organismes. Une partie du phosphate, cependant, subit des réactions chimiques qui forment des composés insolubles qui se déposent sous forme de sédiments. Ceux-ci finissent par former de la roche et, de cette façon, le phosphore peut être enfermé pendant de très longues périodes – peut-être des dizaines ou des centaines de millions d’années. Finalement, les processus géologiques peuvent soulever cette roche, permettant à l’érosion et aux intempéries de la restituer aux organismes vivants.
Dans les zones cultivées, comme pour l’azote, le phosphore perdu du sol doit souvent être remplacé par des engrais phosphatés pour permettre à l’agriculture de continuer à être rentable. Ces engrais sont principalement fabriqués à partir de roches phosphatées telles que l’apatite. L’utilisation de fumier animal dans les champs cultivés est un autre exemple de l’ajout de phosphore au sol par l’homme. Dans certains cas, l’excès de phosphate est entraîné dans les rivières et les lacs. De là, il peut se déposer dans les sédiments, mais certains peuvent rester dissous, entraînant une croissance excessive d’algues.