Le cycle de l azote. N atomique : 7 M atomique : Principaux isotopes stables : 14 N, 98,89%; 15 N : 0,37% 78% de la masse de l atmosphère

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1 Le cycle de l azote N atomique : 7 M atomique : Principaux isotopes stables : 14 N, 98,89%; 15 N : 0,37% 78% de la masse de l atmosphère Elément indispensable à la vie (acides aminés, protéines..) Présent dans l environnement très majoritairement dans son état standard (N 2 ) mais les processus biochimiques mettent en œuvre une grande variété de composés azotés au degré d oxydation étendu sur une large gamme (no=+5 : HNO 3 ; +4: NO 2 ; +3 : HNO 2 ; +2 NO; +1 : N 2 O ; -3 : NH 3, NH 4+,, amines) Le cycle biogéochimique de N est intéressant car les composés azotés jouent un rôle important pour une large gamme de pb environnementaux 1- Réchauffement climatique (N 2 0 est un GES 200 fois plus puissant que CO 2 ) 2- Pollution atmosphérique 3- Pluies acides 4- Destruction de l Ozone stratosphérique Cycle complexe Bcp de travail reste à accomplir pour le l appréhender plus finement au niveau global

2 L azote dans les grands réservoirs Atmosphère ( Tg N : le plus important réservoir d azote) Söderlund et Rosswall, 1982

3 L azote dans les grands réservoirs Océan ( Tg N) K H (N 2 ) = 1540 atm/m Söderlund et Rosswall, 1982

4 L azote dans les grands réservoirs Système terrestre ( Tg N) Söderlund et Rosswall, 1982

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6 La Processus biologiques de transformation et de recyclage de l azote L azote atmosphérique n est pas assimilable directement par les plantes, il doit subir des processus de transformation biologique préalablement à son incorporation à la matière organique N 2 (ou N 2 0) MO azotée Les flux engendrés par les processus biologiques, contribuent sur le plan global à 95% des flux totaux en azote (Rosswall, 1976)

7 La Processus biologiques de transformation et de recyclage de l azote L azote atmosphérique n est pas assimilable directement par les plantes, il doit subir des processus de transformation biologique préalablement à son incorporation à la matière organique (1) N 2 (ou N 2 0) NH 3 /NH 4 + (1) Fixation conversion de l azote atmosphérique en azote utilisable par les plantes et les animaux. cyanobactéries et de certaines bactéries vivant en symbiose avec des plantes (entre autres, des légumineuses) 2N 2 (g) + 3(CH 2 O) + 3H 2 O 4NH CO 2 Pour les sols basiques : NH 4+ + OH - NH 3 (g) + H 2 O

8 La Processus biologiques de transformation et de recyclage de l azote L azote atmosphérique n est pas assimilable directement par les plantes, il doit subir des processus de transformation biologique préalablement à son incorporation à la matière organique NH 3 /NH 4 + N 2 (ou N 2 0) (1) (3) (2) MO azotée NO 2- /NO 3 - (1) Fixation conversion de l azote atmosphérique en azote utilisable par les plantes et les animaux. (3) Nitrification Oxydation de NH 4 + ou NH 3 via un organisme en NO 2 - et NO 3 - (catalyse enzymatyque) (2) Assimilation (NH 4+ ) Processus biologique par lequel l amonium est assimilé par la plante pour former sa matière organique. L'ammonium est la forme préférentiellement assimilée par les micro-organismes (bactéries et champignons)

9 La Processus biologiques de transformation et de recyclage de l azote L azote atmosphérique n est pas assimilable directement par les plantes, il doit subir des processus de transformation biologique préalablement à son incorporation à la matière organique (1) N 2 (ou N 2 0) NH 3 /NH + 4 (3) (2) (5) MO azotée NO 2- /NO 3 - (4) (1) Fixation conversion de l azote atmosphérique en azote utilisable par les plantes et les animaux. (3) Nitrification Oxydation de NH 4 + ou NH 3 via un organisme en (2) Assimilation (NH 4+ ) Processus biologique par lequel l amonium est assimilé par la plante pour former sa matière organique. L'ammonium est la forme préférentiellement assimilée par les micro-organismes (bactéries et champignons) NO 2 - et NO 3 - (catalyse enzymatyque) (4) Assimilation (NO 2-, NO 3- ) (5) Ammonification Décomposition de la MO et libération d amonium. Et rejet de l exédant d azote ingéré sous forme de NH 3 ou d urée (rapidement dégradée en NH 3 ) le nitrate est la forme préférentiellement assimilée par les végétaux (plantes et algues supérieures)

10 La Processus biologiques de transformation et de recyclage de l azote L azote atmosphérique n est pas assimilable directement par les plantes, il doit subir des processus de transformation biologique préalablement à son incorporation à la matière organique (1) N 2 (ou N 2 0) NH 3 /NH + 4 (3) (2) (5) MO azotée (6) NO 2- /NO 3 - (4) (1) Fixation (2) Assimilation (NH 4+ ) (3) Nitrification (4) Assimilation (NO 2-, NO 3- ) (5) Ammonification (6) dénitrification La dénitrification retourne l azote à l atmosphère sous sa forme moléculaire N 2, avec comme produit secondaire du CO 2 et de l oxyde d azote N 2 O. réaction de réduction de NO 3 - par l intermédiaire de bactéries. Equation type :

11 Quelques processus abiotiques Bien que ces processus soient quantitativement faible devant les processus biologiques, ils sont importants au regard de la chimie atmosphérique (pollution des basses couches, amincissent de la couche d ozone stratosphérique) et réchauffement climatique (N2O et rôle dans les particules atmosphériques). Les oxydes d azotes (NO, NO 2 = NO x et N 2 O) : injecter dans l atmosphère principalement par les combustions de fuels fossiles pour les NOx et par les activités agricoles (dénitrification) les combustions de fuels fossiles et qques industries pour le N 2 O. Leur chimie dans l atmosphère est complexe.. Dans la troposphère : (smog photochimique) + La photolyse de NO 2 libère un atome d oxygène qui se recombine avec O 2 pour former de l ozone. Parallèlement à ce processus il y a oxydation des composés organiques volatils qui vont formés des particules très fines. + Oxydation en HNO3 : acidification des pluies et formation de nouvelles particules atmosphériques

12 Evolution de la concentration en ozone dans la troposphère libre Le niveau a augmenté d un facteur 5 en 120 ans passant de 10 ppb à 50 ppb. Le niveau de fond en tropo libre est actuellement de l ordre de 50 ppb soit env. 100 µg.m -3 Valeurs moyennes d augmentation de 1,6% dans HN et 0,7% HS depuis 1990 Évidence de l impact des activités humaines

13 Quelques processus abiotiques Bien que ces processus soient quantitativement faible devant les processus biologiques, ils sont importants au regard de la chimie atmosphérique (pollution des basses couches, amincissent de la couche d ozone stratosphérique) et réchauffement climatique (N 2 O et rôle dans les particules atmosphériques). Les oxydes d azotes (NO, NO 2 = NO x et N 2 O) : injecter dans l atmosphère principalement par les combustions de fuels fossiles pour les NOx et par les activités agricoles (dénitrification) les combustions de fuels fossiles et qques industries pour le N 2 O. Leur chimie dans l atmosphère est complexe.. Dans la troposphère : (smog photochimique) + La photolyse de NO 2 libère un atome d oxygène qui se recombine avec O 2 pour former de l ozone. Parallèlement à ce processus il y a oxydation des composés organiques volatils qui vont former des particules très fines. + Oxydation en HNO3 : acidification des pluies et formation de nouvelles particules atmosphériques Dans la Stratosphère : (Destruction de la couche d ozone) Le N 2 O est peu réactif, il peut donc être transporté jusqu à la stratosphère ou il est photolysé pour donner notamment du NO.

14 Les différents cycles catalytiques stratosphérique O 3 + X XO + O 2 O 3 + hν (λ<310 nm) O+ O 2 O + XO X+ O 2 2 O 3 3 O 2 X = H, OH, NO, Cl ou Br L importance relative prise par les différents cycles dans la destruction de l ozone dépend : -de la concentration de X : [X] = f(lat, alt, saison, ) -des constantes de vitesse des différentes réactions du cycle Les cycles HOx, NOx ne suffisent pas pour expliquer les observations récentes et notamment l apparition du trou d ozone polaire Cycle essentiel : ClOx

15 Evolution de la concentration en ozone dans la stratosphère Mesures effectuées à Arola (Suisse) : latitudes moyennes Début de la décroissance : fin 70 s : (Colonne O 3 ) = -0,3%/an

16 Quelques processus abiotiques et perturbations anthropiques Bien que ces processus soient quantitativement faible devant les processus biologiques, ils sont importants au regard de la chimie atmosphérique (pollution des basses couches, amincissent de la couche d ozone stratosphérique) et réchauffement climatique (N 2 O et rôle dans les particules atmosphériques). Les oxydes d azotes (NO, NO 2 = NO x et N 2 O) : injecter dans l atmosphère principalement par les combustions de fuels fossiles pour les NOx et par les activités agricoles (dénitrification) les combustions de fuels fossiles et qques industries pour le N 2 O. Leur chimie dans l atmosphère est complexe.. Dans la troposphère : (smog photochimique) + La photolyse de NO 2 libère un atome d oxygène qui se recombine avec O 2 pour former de l ozone. Parallèlement à ce processus il y a oxydation des composés organiques volatils qui vont former des particules très fines. + Oxydation en HNO3 : acidification des pluies Dans la Stratosphère : (Destruction de la couche d ozone) Le N 2 O est peu réactif, il peut donc être transporté jusqu à la stratosphère ou il est photolysé pour donner notamment du NO. L ammoniaque: + NH 3 est une base et est dans l atmosphère à l état gazeux. Il est de plus très soluble dans l eau. Il réagit avec le HNO 3 (g) pour former du NH 4 NO 3 (s), et également avec le H 2 SO 4 pour former du (NH 4 ) 2 SO 4 (s) NH 4 + contribue en moyenne à env 15% de la masse totale des particules en suspension dans l atmosphère. L impact de ces particules sur le climat est clairement admis, mais sa quantification est encore balbutiante. + NH 3 peut également être oxydé en oxydes d azote.

17 La perturbation anthropique sur les processus biologiques VEGETAUX MORT VEGETAUX MORTS Absorption Décomposition SOL SUBSTANCES AZOTEES Schéma ultra simplifié du cycle de l azote dans le système terrestre

18 RECOLTE Interruption du cycle de l azote par la récolte des cultures La récolte intervient avant la mort des végétaux. La décomposition ne s effectue donc pas. Aussi, les réserves azotés ne sont pas renouvelées.

19 Récolte ENGRAIS Pour palier le manque engendré par la récolte, on utilise des engrais azotés (contenant NH 4+ et NO 3- ), afin que les végétaux aient toujours des réserves azotées à leur disposition.

20 Récolte Évaporation excès N 2 O ENGRAIS Cependant, l engrais est souvent fourni en trop grande quantité par rapport aux besoins réels des végétaux. L excès s évapore sous forme de N 2 O. Plus généralement les mécanismes de dénitrification sont plus intenses. Dégagement de CO 2 Conjointement les processus de fixation ont également été augmentés par le développement des cultures

21 Augmentation de 16% depuis 1750

22 Cycle biogéochimique globale de l azote Certainement l un des plus complexe et l un des moins bien appréhendés quantitativement (particulièrement le compartiment océanique) Les valeurs des flux sont a prendre avec bcp de précautions!! -60 Tg/an +30 Tg/an 90 NOx, NH 3, N 2 O Ammonification + dégazage Activités Humaines -10 Tg/an + 40 Tg/an + 40 Tg/an En comparaison avec le cycle du carbone le rapport flux/réservoir est faible : Temps de renouvellement plus long Réservoir : Tg(N) (10 12 g) Flux : Tg(N)/an -10 Tg/an 0 Tg/an

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