Fiche de révision : Cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote

📋 Plan du Cours

1. Précipitation et dissolution des carbonates
2. Altération des silicates et CO₂
3. Autotrophie et hétérotrophie du carbone
4. Décomposition et formation de l’humus
5. Fossilisation du carbone organique
6. Méthane et oxygénation de l’atmosphère
7. Réservoirs et flux de l’azote
8. Couplage carbone-azote et perturbations

📖 1. Précipitation et dissolution des carbonates

★ À maîtriser

• Le réservoir fluide associant l’atmosphère et l’hydrosphère contient 40 000 Gt de carbone et échange ce carbone avec les carbonates.

📌 Lorsque les concentrations locales en ions HCO₃⁻ et Ca²⁺ sont saturantes, une précipitation de carbonates de calcium se produit, chimiquement ou biochimiquement.

📐 Formule — La réaction d’équilibre des carbonates est $2HCO_3^- + Ca^{2+} \rightarrow CaCO_3 + CO_2 + H_2O$.

Compléments

• La précipitation chimique est favorisée dans les eaux chaudes, où le CO₂ est peu soluble et où l’évaporation concentre les ions, notamment dans la mer des Bahamas.

• La bioméralisation produit des structures carbonatées chez:

  • les Coccolithophoridés
  • les Foraminifères
  • les Mollusques
  • les oursins
  • les coraux

📐 Formule — Lors du métamorphisme associé à la subduction, les carbonates peuvent libérer du CO₂ selon les réactions $CaCO_3 + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + CO_2$ ou $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$.

💡 Astuce mémo

Précipitation construit les carbonates, dissolution les détruit

📖 2. Altération des silicates et CO₂

🔑 Notions clés & Définitions

• Altération des silicates : Processus qui consomme du CO₂ atmosphérique, notamment lors de l’altération de l’olivine et du plagioclase.

★ À maîtriser

• Les facteurs de l’altération des roches sont:

  • les précipitations
  • la température
  • l’érosion mécanique
  • l’activité biologique

• Les phases orogéniques sont les périodes de consommation la plus intense du CO₂ atmosphérique, ce qui vaut aux montagnes le nom de « pompes à CO₂ ».

Compléments

• Dans les chaînes de montagnes, l’augmentation des précipitations domine la baisse de température liée à l’altitude et favorise l’altération chimique.

• Les flux du cycle du carbone oxydé sont estimés à 0,4 Gt/an dans les deux sens, auxquels s’ajoutent 0,1 Gt/an de dégazage du manteau.

💡 Astuce mémo

Montagnes → altération accrue → consommation de CO₂

📖 3. Autotrophie et hétérotrophie du carbone

★ À maîtriser

📌 Les photolithotrophes réduisent le CO₂ grâce à l’énergie lumineuse de la photosynthèse, tandis que les chimiolithotrophes utilisent l’énergie de l’oxydation d’un composé minéral réduit comme NH₄⁺, NO₂⁻ ou H₂S.

• Dans les écosystèmes naturels, le flux de carbone fixé par photosynthèse est globalement égal au flux de carbone libéré par respiration, pour un flux voisin de 100 Gt/an.

📌 La minéralisation rapide provient du catabolisme oxydatif et libère du CO₂ par respiration ou fermentation, tandis que la minéralisation lente agit sur la matière organique morte grâce aux décomposeurs.

Compléments

• Le flux global d’hétérotrophie au carbone est de 100 Gt/an, réparti en 50 Gt/an pour les consommateurs et 50 Gt/an pour les décomposeurs.

💡 Astuce mémo

Autotrophie fixe le carbone, hétérotrophie le minéralise

📖 4. Décomposition et formation de l’humus

🔑 Notions clés & Définitions

• Humus : Mélange de matière organique à tous les stades de la décomposition, associant des molécules simples ou complexes riches en azote et en carbone sous forme soluble ou insoluble.

★ À maîtriser

• 🔄 La décomposition de la matière organique associe:
  1. la minéralisation primaire rapide
  2. la réorganisation
  3. l’humification
  4. la minéralisation secondaire lente

Compléments

• La décomposition des protéines comprend l’ammonification, puis la nitrification des produits azotés par Nitrosomonas et Nitrobacter.

💡 Astuce mémo

Matière morte → minéralisation → humification → humus

📖 5. Fossilisation du carbone organique

🔑 Notions clés & Définitions

• Fossilisation de la matière organique : Piégeage d’une infime partie du carbone organique dans les sols et les sédiments, à l’origine du kérogène et de la matière organique fossile.

★ À maîtriser

• La fossilisation nécessite: une forte production de matière organique, des conditions anoxiques, un enfouissement rapide à l’échelle des temps géologiques

Compléments

• Le carbone organique fossile est principalement localisé sur le plateau continental, entre 0 et −200 m, où la sédimentation et la productivité planctonique sont maximales.

• Le flux actuel de carbone piégé par fossilisation est estimé à environ 0,05 Gt/an, et l’oxydation naturelle des roches carbonées libère également environ 0,05 Gt/an de CO₂.

💡 Astuce mémo

Production, anoxie et enfouissement → fossilisation

📖 6. Méthane et oxygénation de l’atmosphère

★ À maîtriser

• Le méthane est un gaz à effet de serre 20 fois plus puissant que le CO₂, mais sa concentration atmosphérique est d’environ 2 ppm contre 420 ppm pour le CO₂.

• La production photosynthétique d’oxygène a débuté il y a au moins 3,8 milliards d’années avec l’apparition des premiers organismes photosynthétiques.

• À partir de 2,5 milliards d’années, la couche d’ozone stratosphérique commence à se former et l’oxygène dissous augmente dans les océans.

Compléments

• Environ 60 % des flux de méthane vers l’atmosphère sont liés directement ou indirectement aux activités humaines.

• Le temps de résidence du méthane dans l’atmosphère est de l’ordre de 12 ans.

📖 7. Réservoirs et flux de l’azote

★ À maîtriser

• Au moins 70 % de l’azote terrestre seraient concentrés dans les roches silicatées de la croûte et du manteau ainsi que dans le noyau terrestre.

• 🔄 Le cycle biotique de l’azote suit la séquence:

  1. la fixation
  2. l’assimilation
  3. l’ammonification
  4. la nitrification
  5. la dénitrification

• La dénitrification en milieu anoxique peut produire du diazote N₂ ou de l’oxyde nitreux N₂O, qui est un gaz à effet de serre.

Compléments

• Les réservoirs superficiels d’azote contiennent:

  • l’atmosphère : 3,9 × 10⁹ Mt
  • l’océan : 2,2 × 10⁷ Mt
  • les sols : 3 × 10⁵ Mt
  • la biomasse : 3,5 × 10⁴ Mt

• La nitrification fait intervenir les eubactéries Nitrosomonas et Nitrobacter et transforme l’ammonium en nitrites puis en nitrates.

💡 Astuce mémo

Fixation → assimilation → ammonification → nitrification → dénitrification

📖 8. Couplage carbone-azote et perturbations

★ À maîtriser

• Dans la biosphère, le rapport C/N est relativement constant autour de 8, mais il est souvent plus faible chez les organismes aquatiques et les microorganismes et supérieur à 20 chez les végétaux terrestres.

📌 Une litière dont le rapport C/N est inférieur à 20 se minéralise rapidement sous l’action des bactéries et produit un mull, tandis qu’une litière dont le rapport C/N est supérieur à 20 se minéralise lentement sous l’action des champignons et produit un moder.

• En 2015, la concentration atmosphérique a dépassé 400 ppmv pour le CO₂ et atteint 1,82 ppmv pour le CH₄.

• Les activités humaines émettent un peu moins de 10 Gt de carbone par an sous forme de CO₂ ou de CH₄, soit environ 5 % des émissions naturelles.

• En moyenne, 45 % du CO₂ émis par les activités humaines s’accumule dans l’atmosphère, tandis que 27 % sont absorbés par la biosphère continentale et 27 % par les océans.

• L’excès d’azote issu des engrais est lixivié vers les eaux, stimule la prolifération des algues, augmente leur décomposition, diminue l’oxygène et peut rendre la vie aérobie presque impossible : c’est l’eutrophisation.

Compléments

• La mesure directe et continue du CO₂ atmosphérique a commencé au Mauna Loa à Hawaï en 1958 par Keeling.

• L’eutrophisation liée aux activités humaines provoque notamment des marées vertes en Bretagne et des marées de Sargasses dans les Antilles.

💡 Astuce mémo

Excès anthropiques → déséquilibre des cycles → accumulation et eutrophisation

📊 Tableaux de synthèse

Minéralisation et rapport C/N