Exercice 1 : Le cycle aquatique de l azote. A) Lire le reportage sur les nitrates : Rififi sur les nitrates

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1 Exercice 1 : Le cycle aquatique de l azote A) Lire le reportage sur les nitrates : Rififi sur les nitrates On se croirait sur les rives du golfe du Saint-Laurent. Les oiseaux, les invertébrés marins et les poissons abondent. Pourtant, nous sommes au Biodôme de Montréal où, on a reconstitué dans un bassin contenant 3 millions de litres d'eau de mer l'écosystème du Saint-Laurent marin. Aujourd'hui, les habitants de cet énorme aquarium sont en sécurité, mais, il n'y a pas si longtemps, ils étaient sur le point de s'empoisonner. L'ennemi.les nitrates. Un ennemi silencieux, qui s'est introduit peu à peu dans le milieu, caché dans les excréments des animaux. Bien sûr, la plus grande partie des particules indésirables est filtrée par d'énormes cuves de sable cachées dans le ventre du Biodôme. lci, la totalité de l'eau du bassin est épurée à toutes les 90 minutes. Il y a aussi les hommes-grenouilles. Ils font le ménage et aspirent les déchets qui se sont déposés sur les parois. Mais les nitrates, parce qu'ils sont solubles dans l'eau, échappent aux hommes-grenouilles et aux nombreux filtres. L'idéal aurait été de changer l'eau. Mais c'est de l'eau salée et, comme la mer est loin, il aurait fallu la reconstituer à partir d'eau douce et de différents sels. Pas une mince affaire! Sans compter que cette coûteuse vidange posait un problème moral aux gens du Biodôme. «Le fait de changer I'eau signifiait tout simplement d'envoyer une pollution au fleuve, de transférer une pollution ailleurs, et ça, ce n'est pas dans la philosophie du Biodôme», soutient Serge Parent, un responsable. En 1998, le Biodôme s'est équipé d'un système de dénitrification. Dans une cuve, appelée réacteur, les nitrates étaient éliminés par des bactéries. Celles-ci respiraient l'oxygène des molécules de nitrates et libéraient les atomes d'azote sous la forme d'un gaz inoffensif. Malheureusement, ce système s'est avéré peu efficace. Le niveau de nitrates était trop élevé pour le système. C'est alors que sont entrées en scène deux équipes de chercheurs de l'lnstitut Armand-Frappier et de l'école polytechnique de Montréal. À la tête des équipes de recherche appelées à la rescousse, le spécialiste en biologie moléculaire, Richard Villemure : pour lui, l'eau du bassin était déjà porteuse du remède. «ll ne faut pas oublier que dans le bassin Saint-Laurent, il y a des invertébrés, mais aussi une flore microbienne importante qui apporte toutes sortes de transformations de déchets.» Or. dans le réacteur, ces précieuses bactéries souffraient de carence en fer. Le Biodôme a alors ajouté des minéraux, et cela a augmenté leur performance. Mais il fallait faire plus. Les employés du Biodôme ont donc cherché à mieux connaître ces bactéries mystérieuses qui peuplent le réacteur. Il en ont retrouvé une quinzaine d'espèces. Ils y ont même découvert une toute nouvelle bactérie : une primeur mondiale à laquelle ils ont donnà le nom du Biodôme, Nitratireductor aquibiodomus. Toutes ces bactéries vivent en étroite interaction. Autre surprise : les protozoaires! Sur les billes qui abritent la microflore, 30 % de la biomasse est constitutée de protozoaires, des dévoreurs de bactéries. Sont-ils utiles pour la dénitrification? Pendant que les chercheurs de l'lnstitut Armand-Frappier ont tenté de percer ce mystère de la microflore, ceux de l'école polytechnique ont recherché la bille idéale au développement des bactéries. Au départ, la bille originale était une petite éponge. «Le problème de cette bille, c'est qu'elle était très friable, explique Pierre Juteau. Cette éponge pouvait facilement se défaire et pouvait facilement passer a travers les grilles. On a alors adopté cet anneau de plastique, qui n'est pas aussi friable. Son désavantage est qu'il se bouche rapidement.» En effet, la flore microbienne ne s'est pas contentée de Collectif du département de biologie du collège F.-X. Garneau_A(08) former une pellicule sur les parois, sa biomasse a rempli tous les trous, diminuant ainsi sa surface de contact avec l'eau et sa capacité de respirer l'oxygène des nitrates. Autre problème, le brassage. Les anneaux de plastique avaient tendance à s'agglutiner dans le haut du réservoir et perdaient de leur

2 désavantage est qu'il se bouche rapidement.» En effet, la flore microbienne ne s'est pas contentée de former une pellicule sur les parois, sa biomasse a rempli tous les trous, diminuant ainsi sa surface de contact avec l'eau et sa capacité de respirer l'oxygène des nitrates. Autre problème, le brassage. Les anneaux de plastique avaient tendance à s'agglutiner dans le haut du réservoir et perdaient de leur efficacité. II fallait trouver mieux. On s'est tourné vers des billes plus grosses, plus ouvertes, plus difficiles à boucher. Le choix ne manquait pas : des cylindres, des globes, des rondelles... On a testé ces billes pour vérifier leur hydrodynamisme, leur capacité à bien circuler dans un bassin rempli d'eau. Après ces tests, deux billes se sont démarquées. Mais les bactéries, elles? Laquelle des deux préféreront-elles pour respirer les nitrates? Les tests sont en cours. La bille gagnante devrait bientôt virevolter dans le réacteur et faire le bonheur des bactéries, qui élimineront encore plus de nitrates. Poissons et invertébrés ne s'en porteront que mieux. Une fois au point, cette technologie pourra être exportée et vendue à d'autres grands aquariums à travers le monde. Journaliste : Claude D'Astous Réalisatrice : Chantal Théorét Radio-Canada.ca B) Comprendre le cycle de l'azote à l'aide de cette étude de cas : «les poissons de William» Au cours de l hiver dernier, William s est évadé de la grisaille en installant l aquarium de ses rêves dans son appartement. À défaut de faire de la plongée sous-marine, au moins pourra-t-il contempler ses poissons tout en étudiant! Comme il est vraiment novice en aquariophilie et qu il a des moyens financiers limités, il débute doucement et s achète un aquarium de taille moyenne. Par contre, il investit un peu plus dans ses poissons et choisit ceux qui lui semblent les plus beaux, même si le vendeur à l animalerie essaie de le décourager en lui disant qu il ne s agit peut-être pas d espèces idéales pour débuter. Essai 1 William installe donc son aquarium et, tout heureux, contemple ses poissons jusqu à ce qu ils meurent la semaine suivante! William est très déçu de cet échec, mais il ne se laisse pas décourager. Il se dit qu il aurait peut-être dû installer quelques plantes aquatiques dans l aquarium afin d assimiler les déchets des poissons. Essai 2 Il retourne donc à l animalerie, se rachète des poissons et des plantes et remet en route son aquarium. Comme la première fois, ses poissons vivent une semaine, puis meurent subitement. De leur côté les plantes ne semblent pas s être très bien acclimatées à leur nouvel environnement et présentent des signes évident de carences nutritives. Son colocataire, qui étudie en chimie, décide de tester l eau de l aquarium. À sa grande surprise, il constate que la concentration d ammoniac est très élevée dans l eau. «Et bien, c est simple, dit-il, tes poissons n aiment pas l ammoniac!» Collectif du département de biologie du collège F.-X. Garneau_A(08) - 2 -

3 Essai 3 William retourne à l animalerie. Cette fois-ci, il prend le temps de discuter avec le propriétaire. En plus des poissons et des plantes, celui-ci lui vend deux sortes de bactéries. William doit ajouter les premières bactéries quelques jours après le démarrage de son aquarium, puis, après deux semaines, il doit ajouter la deuxième espèce. Il suit les instructions du vendeur avec rigueur. Cette fois-ci, l opération est un succès et ses poissons se portent à merveille, tout comme les plantes. Tout au long du processus, son colocataire continue ses tests d eau. Comme la première fois, il constate d abord une augmentation de la concentration en ammoniac, mais peu à peu celle-ci diminue; en même temps que cette diminution, des nitrites apparaissent dans l eau puis, plus tard, des nitrates. Quelque temps après, la mère de William lui rend visite. Elle est très impressionnée par l aquarium, mais se plaint de l odeur. Lorsqu elle apprend que celui-ci n a jamais entièrement changé l eau, elle est catastrophée! «Regarde ton filtre, dit-elle, on dirait qu il est gluant, ça doit être plein de bactéries là-dedans, pas étonnant que ça sente mauvais!» En fils obéissant, William lave son filtre et remplace toute l eau par de l eau bien propre du robinet. Son aquarium sent maintenant bien bon! Mais une semaine plus tard tous ses poissons sont morts! Il est probable que William n aurait pas subi toutes ces mésaventures s il avait bien compris les diverses étapes du cycle de l azote. C) Complétez le cycle de l azote «aquatique» en vous aidant du texte précédent et du volume : Campbell, 3 e édition, figure p et p Collectif du département de biologie du collège F.-X. Garneau_A(08) - 3 -

4 D) Répondez aux questions 1. Pour quelle raison les poissons sont-ils morts suite aux deux premières tentatives? 2. Pourquoi l ajout d algues n a-t-il rien changé? 3. La présence de bactéries semble avoir réglé le problème de mortalité a) Quel est le nom probable de la première espèce de bactérie ajoutée? Comment a-t-elle modifié la composition chimique de l eau? b) Quelle était la deuxième espèce de bactérie ajoutée? Pourquoi était-elle indispensable à la survie des poissons? c) Pour quelle raison était-il nécessaire d ajouter les bactéries à deux semaines d intervalle? d) Qu est-ce qui se serait passé si les bactéries avaient été ajoutées dans le mauvais ordre? e) Complétez le graphique suivant en y indiquant, pour chaque courbe, s il s agit de la variation de la concentration de nitrite, de nitrate ou d ammoniac. 4. Suite à l ajout de bactéries, les plantes aussi ont l air d aller mieux. Pourquoi? 5. La présence des plantes était-elle indispensable? Pourquoi? 6. Si les poissons ne mangent pas les plantes contenues dans l aquarium, qu est-ce qui risque d arriver à long terme? Proposez deux solutions permettant de régler ce problème. 7. Suite au lavage de l aquarium, pour quelle raison les poissons sont-ils morts? 8. Au biodôme, le problème était causé par un excès de nitrates. Complétez le cycle de l azote qui vous a été fourni en y ajoutant la solution qu ils ont apportée à ce problème. Collectif du département de biologie du collège F.-X. Garneau_A(08) - 4 -

5 Exercice 2 : Schéma sur l'écosystème Complétez à l aide des mots suivants : Biotope sol population biocénose flux de matière écosystème eau communauté air flux d'énergie 6. Écologie des populations Étude de la variation de la taille des populations 1. Écologie des communautés Étude de la biodiversité des communautés 7. Écologie des écosystèmes Étude des flux de matière et d'énergie dans l'écosystème 2. Ensemble des individus de la même espèce sur un territoire donné 3. (lithosphère) 4. (atmosphère) Ensemble des populations animales et végétales sur un territoire donné 5. (hydrosphère) 9. (vivant) (non vivant) L'énergie organise la matière puis se perd en chaleur La matière circule entre le réservoir biotique et le réservoir abiotique de l'écosystème Féry_A(08) - 5 -

6 Exercice 3 : Schéma sur la dynamique de l'écosystème Complétez à l aide des mots suivants : Croissance et reproduction (2 fois) photosynthèse respiration (2 fois) producteurs décomposition fermentation (2 fois) nouvelle biomasse (2 fois) abiotique 90% 10% externe L'énergie lumineuse (bleue/rouge) sert à relier la matière minérale en matière organique : glucose, lipides protéines et acides nucléiques Nutriments N-P Réservoir de la matière minérale : terre, air et eau NO 3-2. de la matière organique en matière minérale Aquatiques Plantes aquatiques Bactéries photosynthétiques Cyanobactéries Protistes végétaux (algues) Terrestres Végétaux terrestres CO 2 + H O Glucose 2 + Glucose Alcool + 2 ATP 7. RESPIRATION FERMENTATION O 2 Glucose + O CO H O ATP Tout n'est pas mangé Tout n'est pas digéré et assimilé (absorbé) La respiration est efficace à environ 58% Toute l'énergie de l'atp n'est pas récupérée L'ATP maintient la vie. CONSOMMATEURS (vrais et détrivores à digestion interne) Glucose + O CO H O ATP Glucose Acide lactique + 2 ATP + PRODUCTIVITÉ PRIMAIRE BRUTE (PPB) PRODUCTIVITÉ PRIMAIRE NETTE (PPN) PPB - respiration cellulaire minimale pour maintenir la vie = Herbivores, carnivores et omnivores PRODUCTIVITÉ SECONDAIRE Énergie assimilée du niveau trophique inférieur - respiration cellulaire minimale = CONSOMMATEURS DÉTRIVORES À DIGESTION 9. Bactéries et mycètes Décomposition complète Décomposition partielle SO 4 2- PO 4 3- Féry_A(08) - 6 -