Sciences de la vie et de la Terre

Cycle de l’azote et réchauffement climatique

08 / 01 / 2008 | Liliane Grandmougin

Le cycle du carbone a depuis longtemps la vedette dans l’actualité, car il est directement lié au réchauffement climatique. Pourtant des données récentes montrent qu’il y a également des répercussions sur un autre cycle tout aussi fondamental : le cycle de l’azote.

Dans la baie de Narragansett, près de Rhodes Island aux Etats-Unis, plus d’un million de personnes vivent en polluant le site depuis des années : élevages, déchets industriels, engrais sont déversés dans l’eau, les composants azotés restant tant bien que mal à un niveau relativement stable. En effet, le recyclage naturel des nitrates par les microorganismes des sédiments a eu longtemps un effet protecteur. Mais depuis quelque temps des transformations microbiennes s’opèrent discrètement dans la baie, avec des conséquences qui risquent d’être dévastatrices.

Dans un écosystème naturel en équilibre, le phytoplancton (ou plancton végétal) produit de la matière organique grâce à la photosynthèse, à la base des réseaux trophiques. Une partie de cette matière organique atteint le fond où elle est recyclée par des bactéries en différents éléments minéraux qui repartent alimenter la surface. Les nitrates sont consommés par le phytoplancton et les végétaux chlorophylliens qui trouvent là l’engrais nécessaire à la synthèse de leurs composants azotés comme les protéines ou l’ADN (cf. schéma 1 du cycle de l’azote). Il y a couplage entre la vie benthique (du fond) et pélagique (de surface).

Au cours du cycle de l’azote, les nitrates sont transformés par les bactéries dénitrifiantes en azote gazeux N2 dont une grande partie est rejetée dans l’atmosphère sous forme de gaz. Le reste est converti par des bactéries fixatrices de N2 sous forme d’ammoniac NH3, transformé ensuite par d’autres types de bactéries en nitrites puis nitrates. Ces bactéries se rencontrent dans les endroits anoxiques et dans les racines de végétaux comme les légumineuses où elles vivent en symbiose avec le végétal qui les protège de l’oxygène ; là, elles fixent le N2 de l’air.

Lorsque le taux de sels minéraux augmente, on assiste à une « explosion » de phytoplancton qui favorise tous les niveaux trophiques. Ce n’est pas le cas en cas d’excès de nitrates sur les côtes par une pollution agricole, car les bactéries dénitrifiantes dégradent surtout ce qui provient des producteurs primaires, sources également de leur carbone. Alors ce sont d’autres algues qui se développent, néfastes celles-là, puisqu’elles envahissent les écosystèmes jusqu’à laisser l’eau remplie de matières en décomposition (phénomène connu sous le nom d’eutrophisation).

Evaluer les flux de matière dans le cycle de l’azote de la planète semble simple. Globalement, en additionnant les apports en nitrates d’origine naturelle et anthropique et en soustrayant leur dénitrification en N2, les scientifiques devraient arriver à un cycle équilibré. Or la dénitrification globale réelle s’est avérée deux fois moins importante que celle calculée. Il y a donc eu une évaluation trop forte de la fixation de N2 quelque part.
Jusqu’ici, les effets sur le cycle de l’azote des bactéries fixatrices de N2 étaient considérés comme peu significatifs dans les estuaires : là pourrait bien être la source d’azote manquant.

L’an dernier dans la Baie de Narragansett, les scientifiques ont eu un choc : le cycle de l’azote a commencé à s’inverser, basculant d’une dénitrification à une fixation d’azote (cf.schéma 2). La productivité primaire, mesurée par le taux de chlorophylle, a diminué de 40%, rendant les fonds anoxiques. Il semblerait que les hivers de plus en plus doux soient responsables de ce changement. Les bactéries fixatrices de diazote N2 se sont alors mises à fonctionner d’avantage, jusqu’à 1,5 fois plus, ajoutant de l’ammoniac à une eau déjà saturée en nitrates ! Et lorsque la matière organique vient à manquer, les bactéries dénitrifiantes, aérobies, ont une population qui diminue…Si on ajoute à cela les habituelles pollutions d’origine humaine (localement : 5000 tonnes de nitrates/an), on comprend que les conséquences soient dramatiques.
Un découplage similaire entre les écosystèmes benthiques et pélagiques a également été noté en Arctique l’été dernier, où la consommation benthique d’O2 a chuté de 75% entre 1988 et 2004. Dans une autre baie non loin de Narragansett, ce sont des cyanobactéries chargées en toxines (donc peu consommées), fixatrices elles aussi de N2, qui se sont multipliées.

Une autre conséquence de cette bascule est l’acidification locale de l’eau par les nitrates en dissolution. Ajoutée à celle due à la dissolution du CO2, elle pourrait affecter la population de microorganismes impliqués dans les cycles du carbone et de l’azote, ainsi que les algues à test calcaire qui autrement pourraient fixer l’excédent d’engrais. Enfin, il est possible que les bactéries dénitrifiantes entrent en activité plus bas dans la colonne d’eau ; or un des produits de leur métabolisme est l’oxyde nitreux, aussi nommé gaz hilarant à cause de ses effets. Une libération accrue de ce gaz dans l’atmosphère n’aurait pourtant rien de drôle, car il provoque un effet de serre 200 à 300 fois plus puissant que le CO2. On a constaté un tel effet en 2000, dans la mer d’Arabie, le long de la côte ouest de l’Inde, juste après qu’une mousson ait lessivé des sols fraîchement fertilisés. On a calculé qu’en 6 mois, les émissions locales de ce gaz ont atteint 5% de l’émission mondiale annuelle par les océans, au lieu des 0,05% habituels.

Sachant que le réchauffement climatique, en augmentant la température de l’eau, diminue la solubilité du dioxygène, on risque de voir des milieux côtiers de plus en plus anoxiques, aggravant le phénomène. Il y a donc urgence non seulement à limiter les rejets de gaz à effet de serre comme le CO2, mais aussi celui des nitrates dans les océans. Le cycle de l’azote, couplé à celui du carbone, semble suivre une évolution inquiétante qu’il est temps de prendre en compte.

L.G.
D’après Nature – vol.449 – 18 octobre 2007.

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Schéma 1
Cycle de l’azote - Lorsque le milieu est oxygéné, il y a couplage entre les formes de vie de surface et du fond de l’eau.
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Schéma 2
Cycle de l’azote - Lorsque le milieu est peu oxygéné, il y a découplage entre les formes de vie de surface et du fond de l’eau. Le cycle inverse une partie des réactions.

Credits : modèles 3D : environnement : Watery places par David Burdick, phare par Gaëtan Blanchette. Logiciels « Vue 6 infinite » et photoshop cs3.

 

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