Fiche de révision : Cycles biogéochimiques du carbone

📋 Plan du Cours

1. Réservoirs et formes du carbone
2. Assimilation et désassimilation du carbone
3. Méthanisation et minéralisation
4. Échanges entre atmosphère et hydrosphère
5. Altération des roches et puits de carbone
6. Cycle court du carbone
7. Formes inorganiques de l’azote
8. Formes et réservoirs de l’azote
9. Fixation et assimilation de l’azote
10. Retour de l’azote au milieu
11. Pratiques agricoles et sols

📖 1. Réservoirs et formes du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de résidence : Durée pendant laquelle la matière est stockée dans un réservoir avant d’en sortir par les flux.
• Biomolécule : Molécule carbonée issue de l’activité biologique.

★ À maîtriser

• L’étude du cycle d’un élément distingue la formule chimique des molécules, leur état physique et leur état d’oxydation, défini à partir des électrons attribués à l’atome le plus électronégatif.

• Les sept réservoirs majeurs de carbone sont :

  • atmosphérique
  • hydrosphérique
  • biosphérique
  • nécrosphérique
  • carbonaté
  • carboné
  • mantellique

Compléments

📌 Une molécule carbonée est inorganique lorsqu’elle ne provient pas d’une activité biologique, tandis qu’une biomolécule provient de cette activité.

• Dans CO₂, le carbone a le nombre d’oxydation +IV, tandis que dans CH₄, il a le nombre d’oxydation −IV.

• Le carbone inorganique se trouve notamment sous forme de CO₂, HCO₃⁻, H₂CO₃, CO₃²⁻, CaCO₃ et CO ; leurs nombres d’oxydation indiqués sont respectivement +4, +4, +4, +4, +4 et +2.

• Les biomolécules des êtres vivants ont des nombres d’oxydation du carbone compris entre +3 et −4.

• Le réservoir atmosphérique contient environ 830 Gt de carbone, principalement sous forme de CO₂, et l’air contient 400 ppmv de CO₂, soit environ 732 mg CO₂/m³ à 20 °C et à la pression atmosphérique normale.

• Le réservoir hydrosphérique contient environ 39 000 Gt de carbone inorganique, principalement sous forme de HCO₃⁻.

• Le réservoir biosphérique contient environ 550 Gt de carbone organique, dont 0,5 % se trouve dans les océans et 99,5 % sur les continents.

📖 2. Assimilation et désassimilation du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Minéralisation : Diminution progressive de la taille des biomolécules jusqu’au retour à un état inorganique.

★ À maîtriser

• L’assimilation réduit le carbone inorganique oxydé en carbone organique grâce à des organismes autotrophes au carbone.

• La Rubisco catalyse la première étape du cycle de Calvin en permettant l’assimilation du carbone atmosphérique dans les composés organiques.

• La désassimilation oxyde le carbone organique réduit en carbone inorganique, par catabolisme oxydatif dans les cellules ou par décomposition dans la nécrosphère.

Compléments

• Les organismes photolithotrophes et chimiolithotrophes sont autotrophes au carbone et produisent des molécules organiques à partir de molécules inorganiques grâce à la Rubisco.

📐 Formule - L’équation d’assimilation est $\mathrm{CO_2 + H_2O + E \rightarrow O_2 + CH_2O}$.

📌 Les producteurs primaires sont autotrophes et assimilent le carbone inorganique, tandis que les producteurs secondaires sont hétérotrophes et consomment les produits organiques de cette assimilation.

📐 Formule - L’équation de désassimilation est $\mathrm{CH_2O + O_2 \rightarrow H_2O + CO_2 + E}$.

📌 L’assimilation requiert de l’énergie, tandis que la désassimilation en libère sous forme de chaleur et d’ATP.

💡 Astuce mémo

Assimilation : carbone oxydé réduit ; désassimilation : carbone réduit oxydé.

📖 3. Méthanisation et minéralisation

★ À maîtriser

📌 La minéralisation primaire correspond à la minéralisation rapide d’une partie de la nécrosphère, tandis que la minéralisation secondaire concerne la matière intégrée au complexe argilo-humique du sol et oxydée lentement.

📌 La thermo-méthanisation est une évolution chimique abiotique par diagénèse lors de l’enfouissement sédimentaire, tandis que la bio-méthanisation est un processus biotique assuré par des archées méthanogènes anaérobies strictes.

Compléments

• Une partie de la matière organique de la nécrosphère peut être enfouie et former des ressources carbonées.

• La bio-méthanisation a lieu notamment dans :

  • les sols
  • les sédiments
  • les marais
  • les rizières
  • les mangroves
  • le tube digestif des ruminants

📐 Formule - Le méthane atmosphérique est oxydé de façon abiotique selon $\mathrm{CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow 2\ H_2O + CO_2}$.

📖 4. Échanges entre atmosphère et hydrosphère

★ À maîtriser

• Les échanges de CO₂ entre l’atmosphère et l’hydrosphère dépendent d’un équilibre contrôlé par le gradient de pression partielle du CO₂.

• Dans la zone photique, le phytoplancton consomme le CO₂ aqueux, ce qui diminue sa pression partielle dans l’eau et provoque une dissolution compensatrice du CO₂ atmosphérique.

• Dans l’eau, les formes carbonées dissoutes varient selon le pH et l’ion bicarbonate HCO₃⁻ est la forme la plus fréquente aux pH indiqués pour les eaux douces et l’océan.

Compléments

📌 La dissolution transfère le CO₂ gazeux vers l’eau, tandis que le dégazage transfère le CO₂ dissous vers l’atmosphère.

📌 Aux hautes latitudes, l’eau froide favorise la dissolution du CO₂, tandis qu’aux basses latitudes, l’eau chaude favorise le dégazage.

• La pompe physique et biologique de CO₂ entre l’atmosphère et l’hydrosphère est surtout active aux hautes latitudes.

• Dans les eaux douces continentales, le pH est compris entre 6 et 8, tandis que le pH océanique est autour de 8.

📐 Formule - Le CO₂ dissous réagit avec l’eau selon $\mathrm{CO_2 + H_2O \leftrightarrow H_2CO_3}$.

• Les organismes photosynthétiques comme les coccolithophoridés et les organismes hétérotrophes pélagiques ou benthiques déplacent les équilibres carbonatés vers la précipitation de calcite et d’aragonite.

📐 Formule - La précipitation carbonatée suit $\mathrm{2\ HCO_3^- + Ca^{2+} \leftrightarrow CaCO_3 + CO_2 + H_2O}$.

• À la mort des organismes, leurs tests carbonatés peuvent former des dépôts sédimentaires qui peuvent être transférés en domaine continental lors d’une régression marine ou de mouvements tectoniques.

• L’eau de pluie peu minéralisée déplace l’équilibre calco-carbonique vers la gauche et dissout les dépôts carbonatés transférés sur les continents.

💡 Astuce mémo

Eau froide → dissolution accrue ; eau chaude → dégazage.

📖 5. Altération des roches et puits de carbone

★ À maîtriser

• Les roches carbonatées, silicatées et métamorphiques exposées aux intempéries s’altèrent en formant des minéraux plus stables en surface.

📌 L’altération des roches carbonatées est une dissolution, tandis que celle des roches non carbonatées, notamment silicatées, est une hydrolyse.

• L’hydrolyse et la dissolution liées à l’altération constituent des puits chimiques de carbone atmosphérique.

Compléments

• L’hydrolyse de l’orthose, feldspath potassique, produit de l’illite, de la silice particulaire et des ions potassium selon $\mathrm{3\ Si_3AlO_8K + 14\ H_2O + 2\ CO_2 \rightarrow SiAl_3O_{10}(OH)_2K + 6\ Si(OH)_4 + 2\ K^+}$.

• L’hydrolyse de l’orthose décrite est irréversible.

💡 Astuce mémo

Carbonates : dissolution ; silicates : hydrolyse.

📖 6. Cycle court du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle court du carbone : Concerne les flux rapides de la biosphère, mobilise des stocks relativement modestes et présente de faibles temps de résidence.

📝 Points essentiels

• Le cycle court du carbone est appelé cycle réduit, car les formes réduites du carbone y prédominent.

📖 7. Formes inorganiques de l’azote

🔑 Notions clés & Définitions

• Azote organique : Azote associé à du carbone réduit, abondant dans la biosphère et la nécrosphère.

📝 Points essentiels

• Dans la zone, l’ion nitrate NO₃⁻ est une forme inorganique dissoute de l’azote dont le nombre d’oxydation est +5.

• Dans la zone, l’ion nitrite NO₂⁻ est une forme inorganique dissoute de l’azote dont le nombre d’oxydation est +3.

📖 8. Formes et réservoirs de l’azote

★ À maîtriser

• Les quatre réservoirs terrestres d’azote sont :

  • le réservoir biosphérique, avec 49·10³ MtN d’azote organique
  • le réservoir atmosphérique, avec 3,9·10⁹ MtN de N₂, NO et N₂O
  • le réservoir du sol, avec 95·10³ MtN de NO₂⁻, NO₃⁻ et NH₄⁺
  • le réservoir hydrosphérique, avec 28·10⁶ MtN de N₂, N₂O, NO₂⁻, NO₃⁻ et NH₄⁺

• L’atmosphère est le principal réservoir d’azote et contient 78 % de diazote N₂, directement inutilisable par la plupart des êtres vivants, sauf certains micro-organismes du rhizobium capables de le réduire.

Compléments

• Les formes inorganiques de l’azote comprennent NO et N₂O, gazeux ou dissous dans les liquides biologiques, à l’état d’oxydation +2, N₂, gazeux ou dissous, à l’état 0, ainsi que NH₃ et NH₄⁺, dissous, à l’état −3.

📌 Dans l’azote organique, les biomolécules polaires sont dissoutes dans les liquides biologiques, tandis que les polymères sont particulaires ou colloïdaux.

• Sous climat tempéré, les sols contiennent 50 à 100 kg d’azote minéral par hectare, dont 80 % sous forme de NO₃⁻ et 20 % sous forme de NH₄⁺, ainsi que 5 000 kg d’azote organique par hectare.

• Il n’existe pas de réservoir d’azote fossile et l’essentiel de l’azote organique est localisé dans la nécrosphère.

📖 9. Fixation et assimilation de l’azote

★ À maîtriser

• La fixation est assurée par :
  • Azotobacter
  • Anabaena
  • Spirulina
  • Claustridium
  • Rhizobium, en symbiose avec les Fabacées dans des nodosités

• La nitrification comprend la nitrosation de NH₃ en NO₂⁻ par les bactéries aérobies Nitrosomonas, puis la nitratation de NO₂⁻ en NO₃⁻ par les bactéries Nitrobacter, dans une syntrophie.

• Les plantes assimilent l’azote sous trois formes :

  • NO₃⁻
  • NO₂⁻
  • NH₄⁺

• Les producteurs primaires réduisent les nitrates en nitrites, puis les nitrites en ammoniac, avant d’assimiler celui-ci avec le glutamate pour former de la glutamine.

Compléments

📐 Formule - La fixation de l’azote suit l’équation $N_2 + 16\ ATP + 8\ e^- + 8\ H^+ \rightarrow 2\ NH_3 + H_2 + 16\ ADP + Pi$.

• La nitrogénase catalyse la fixation de l’azote et forme de l’ammoniac NH₃, au prix d’un coût énergétique très élevé.

• Le nitrate NO₃⁻ est la forme d’azote la plus assimilable par les végétaux.

📐 Formule - Dans le sol, le NH₃ peut être protonisé spontanément en NH₄⁺ lorsque le pH est neutre à acide, selon $NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+$.

💡 Astuce mémo

N₂ fixé en NH₃, nitrifié en NO₃⁻, puis assimilé par les plantes

📖 10. Retour de l’azote au milieu

★ À maîtriser

• Dans le sol, les décomposeurs utilisent les composés azotés de la nécrosphère, notamment les protéines et les acides aminés, comme source d’énergie et produisent finalement du NH₃.

• Un excès d’engrais peut provoquer le lessivage des nitrates, que le complexe argilo-humique ne retient pas parce qu’ils sont des anions, et polluer les eaux par eutrophisation et les eaux souterraines.

• En milieu anaérobie, des bactéries dénitrifiantes comme Pseudomonas, Paracoccus et Bacillus transforment les nitrates en nitrites, puis en NO, en N₂O et finalement en N₂.

Compléments

• Les déchets azotés varient selon les groupes animaux :

  • Urée chez les mammifères et les amphibiens
  • Acide urique chez les oiseaux, les reptiles et les insectes
  • Ammonium chez les poissons et les invertébrés aquatiques

• La décomposition des déchets azotés par les micro-organismes du sol libère finalement de l’ammonium.

📐 Formule - La décomposition de la glutamine suit l’équation $Glutamine + H_2O \rightarrow Glutamate + NH_3$.

• L’ammoniac issu de la décomposition peut être nitrifié en ions nitrates, qui redeviennent disponibles pour l’assimilation végétale.

• La concentration maximale de nitrate indiquée pour la potabilité de l’eau est de 50 mg/L de NO₃⁻.

• La dénitrification se déroule dans des sols gorgés d’eau, les zones humides et les sédiments dépourvus d’oxygène, et produit du N₂ et du N₂O, ce dernier étant un gaz à effet de serre.

📖 11. Pratiques agricoles et sols

★ À maîtriser

• En hiver, un couvert végétal réduit le drainage et le lessivage des nitrates grâce à l’absorption racinaire, au freinage de l’écoulement de l’eau et à la transpiration foliaire.

Compléments

• Le brûlage oxyde instantanément la matière organique et libère des oxydes tels que CO₂, NOₓ et N₂, tout en pouvant favoriser le lessivage des nitrates par l’érosion du sol.

• L’enfouissement expose les résidus végétaux aux décomposeurs du sol, qui produisent de l’ammoniac et de l’ion ammonium.

📌 Pour limiter le lessivage hivernal des nitrates, il est recommandé de maintenir les sols couverts, notamment par l’agroforesterie ou le paillage avec enfouissement.

• Les prairies et les forêts contiennent en moyenne 11 à 25 tonnes de carbone par hectare de plus que la moyenne des sols, tandis que les cultures diverses, les vignes et les vergers en contiennent 17 à 43 tonnes de plus.

• La mise en culture diminue les stocks de carbone des horizons superficiels du sol jusqu’à environ 30 cm de profondeur, et cette diminution est deux fois plus importante dans les 5 premiers centimètres.

• La baisse de matière organique s’explique notamment par : l’exportation d’une partie de la biomasse lors des récoltes, l’augmentation de la minéralisation liée à l’aération du sol par le labour, l’érosion

💡 Astuce mémo

Sol nu en hiver → drainage et lessivage accrus des nitrates