Biogéochimie des écosystèmes continentaux

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Gilles Cantin
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1 Biogéochimie des écosystèmes continentaux Sources Principales: Microorganisms in Soils: Roles in Genesis and Functions, Ajit Varma et Francois Buscot, vol 3, 2005, Springer Soil Pollution: Origin, Monitoring & Remediation, Ibrahim Mirsal, 2 eme éditions,springer 1

2 Biogéochimie des écosystèmes continentaux Biogéochimie: C est l étude des processus de transfert cyclique des élément chimique dans l environnement. Science centrée sur le fonctionnement des écosystèmes => les êtres vivants. Comment les cycles des éléments chimiques impact les organismes et les écosystèmes (leur fonctionnement). Carbon parler global warming et stockage C 2

3 I Eléments chimiques et fonctionnement des écosystèmes C H N O P CO 2 H 2 O Photosynthèse: CO 2 + H 2 O + Energie (CH 2 O) + O 2 P 3

4 I Eléments chimiques et fonctionnement des écosystèmes Chlorophylle C H N O P,Mg CO 2 H 2 O P Mg Rubisco : Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase 4

5 I Eléments chimiques et fonctionnement des écosystèmes C H N O P,Mg,Fe, Mo CO 2 Fixation d azote: N 2 2NH 3 H 2 O N 2 Fe S Mo, V or Fe Nitrogénase Fixation ou Assimilation Homocitrate Assimilation des nitrates: P Fe, Mo Mg 5

6 I Eléments chimiques et fonctionnement des écosystèmes Neutralisme Compétition A B A B Cycles Biogéochimiques Milieu Amensalisme Mutualisme / Symbiose A B A B A Commensalisme B Prédation / Parasitisme A B Ressources Biotiques Abiotiques Le vivant l environnement 6

7 II Cycle Biogéochimique du Carbone A- Cycle global Atmosphere: 750 GtC GtC/an Plantes: 600 Sol: 1,600-2,000 Ocean: 38,000 7

8 II Cycle Biogéochimique du Carbone B- Carbone et énergie CO 2 M.O. végétale Respiration M.O. Animal Decomposition Fossil fuel 8

9 Profondeur II Cycle Biogéochimique du Carbone C- Distribution *C+sol ,000 μg g -1 (ppm) en foret, ppm en zone agricole. [C] 9

10 II Cycle Biogéochimique du Carbone C- Distribution CO 2 Notion de Hot spot M.O. végétale Respiration M.O. Animal Decomposition > 90% de l activité biologique est concentrée dans <10% du volume du sol 10

11 II Cycle Biogéochimique du Carbone E- Cycle du carbone et les métaux Rubisco Chlorophylle CO 2 M.O. végétale Respiration M.O. Animal Cytochrome Galloway, 2004 (air près industrielle) 11

12 12

13 II Cycle Biogéochimique du Carbone F- Effet anthropique? 13

14 II Cycle Biogéochimique du Carbone F- Effet anthropique? Voir séance 10 14

15 III Cycle Biogéochimique de l azote A- Intérêt Biologique Acides aminés Peptides Protéines = Acides nucléiques = 15

16 III Cycle Biogéochimique de l azote B- Cycle global N 2 N 2 Fixation Dénitrification N 2 Fixation Dénitrification Cycle Interne Cycle Interne SOIL OCEAN 16

III Cycle Biogéochimique de l azote B- Cycle global N 2 Tg yr -1 141 121 <98 172

17 III Cycle Biogéochimique de l azote B- Cycle global N 2 Tg yr < Cycle Interne Cycle Interne SOIL Galloway, 2004 (air près industrielle) OCEAN 17

18 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore B- Cycle global Fixation de N 2 N 2 Résidus Fixation d azote Cycle interne de l azote Dénitrification Micro-organismes Assimilation NO 3 - Matière organique minéralisation Complexes organo-minéraux Dénitrification nitrification NO 2 NH 3 NH 4 + Échangeable Fixé (d après Stevenson, 1982) Argiles 18

19 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore C- La Fixation Le Radeau de la Méduse de Theodore Gericault ( ). 19

20 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore C- La Fixation Fixation de N 2 Nitrogenase N 2 + 8H + + 8e + 16ATP 2NH 3 + H ADP + 16Pi N 2 2NH 3 S Mo, V or Fe Fe Homocitrate 20

21 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore C- La Fixation Williams, Biochem. Biophys. Res. Comm, vol.292 p 293, 2002 Durrant, Biochemistry, Vol. 41, No. 47,

22 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore D- Assimilation GS = Glutamate synthase GOGAT = Glutamine Oxoglutarate transferase Oxoglutarate Glutamine Assimilation NO 3 - NH 4 + Glutamate Deux formes d azote / deux pathway. NH + 4 NH + 4 NH 3 NO - 3 NO - 3 NO 2 Nitrate réductase Nitrite réductase 22

23 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore E- Ammonification (mineralisation) Résidus Micro-organismes Matière organique NH 3 minéralisation NH

24 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore F- Nitrification Nitrification = chimio-autotrophe NO 3 - NO 2 + H 2 O NO H + + 2e Nitrite Oxydo-réductase Nitrobacter nitrification NO 2 NH 3 NH 4 + NH 3 + O 2 + 2H + + 2e NH 2 OH + H 2 O NO H + + 4e Ammonium oxydase (AMO) Hydroxylamine Oxido-réductase (AHO) Nitrosomonas ammonia-oxidizing Bacteria (AOB) ammonia-oxidizing archaea (AOA La nitrification est a l origine de la quasi totalité des perte d azote 1- Conversion NH 4 + / NO 3-2- Formation des précurseurs a la dénitrification NO 3-, NO 2 24

25 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore G- Dénitrification NO 2 NO O N 2 + O 2 O 3 + O 2 NO x NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 NO 3 - Dénitrification NO 2 nitrate reductase (NAR) nitrite reductase (NIR) Nitric Oxide (NO) reductase (NOR) Nitrous oxide (N 2 O) reductase (N 2 OR) 25

26 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore H- Nitrite ammonification / Nitrite respiration 26

27 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore H- Nitrite ammonification / Nitrite respiration 27

28 III Cycle Biogéochimique de l azote i- Principales réactions du cycle de l azote et les métaux Galloway, 2004 (air près industrielle) 28

29 III Cycle Biogéochimique de l azote J- Effet anthropique? Voir séance 10 29

30 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore A- Intérêt Biologique Le Phosphore est indispensable: ATP -> transport de l énergie ADN / ARN -> conservation de l information génétique Membrane cellulaire -> Rôle structural 30

31 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore B- Cycle du Phosphore Animaux Plantes Décomposition PO 4 3- Altération P Proviens de la roche Drainage AlPO 4 FePO 4 CaHPO 4 Phosphate fixé Le phosphore est un facteur limitant de la croissance végétale! 31

32 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore C- Co limitation N / P Co-limitation N / P: 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore D- Acquisition du Phosphore par les plantes Production de substances solubilisant le phosphore oxalate, lactate, glycollate, citrate, succinate Dissolution (ph) lactic acid: 126 μg P mg 1 succinic acid: 178 μg P mg 1 citric acid: 236 μg P mg 1 Ca 3 (PO 4 ) 2 Désorbtion par complexation du métal Rhizosphère Amorphe / cristallin AlPO 4 FePO 4 PO 4 3- L efficacité dépend beaucoup de l affinité pour le métal Citrate > oxalate > malonate/malate > tartrate > lactate > gluconate > acetate 38

39 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore D- Acquisition du Phosphore par les plantes 39

IV Cycle Biogéochimique du Phosphore D- Acquisition du Phosphore par les plantes Acquisition P a partir de matière organique Rhizosphère Plant Fungi

40 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore D- Acquisition du Phosphore par les plantes Acquisition P a partir de matière organique Rhizosphère Plant Fungi Soil Pi transporter? Pi transporter P NH4+ transporter?? Hexose transporter NH4+ transporter NO3- transporter AA transporter Urea transporter N C 40

41 IV Cycle Biogéochimique du Phosphore E- Effet anthropique? Animaux Plantes Décomposition PO 4 3- Altération P Proviens de la roche Drainage AlPO 4 FePO 4 CaHPO 4 Phosphate fixé 41

42 V Cycle Biogéochimique du soufre A- Intérêt biologique Elément essentiel intervenant dans la structure de nombreux acides aminés et cofacteurs. S Mo, V or Fe Fe N 2 Cysteines Homocitrate Fe-S Cluster: Nitrogenase, ferredoxin, Hydrogenase 2NH 3 42

43 V Cycle Biogéochimique du soufre B- Cycle H 2 SO 4 SO 2 Animaux Plantes Décomposition Anaérobie Aérobie SO 4 2- Altération S H 2 S SO 3 2- FeS 2 Proviens de la roche Drainage 43

44 V Cycle Biogéochimique du soufre C- Effet anthropique H 2 SO 4 SO 2 Pluies acides Animaux Plantes Décomposition Anaérobie Aérobie SO 4 2- Altération S H 2 S SO 3 2- FeS 2 Proviens de la roche Drainage 44

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