I. Le cycle du carbone

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1 Connaissances En échangeant matière et énergie avec l atmosphère, l hydrosphère et la lithosphère, la biosphère participe aux cycles de divers éléments. Capacités Exploiter des ressources documentaires pour : - relier la complémentarité des métabolismes (auto, hétérotrophie) et la cellulolyse au recyclage de l élément carbone ; - relier la production de nitrites, de la fixation biologique du diazote au recyclage de l élément azote ; - construire des cycles simples du carbone et de l azote à l échelle de la biosphère. Les organismes vivants participent au cycle de la matière dans son ensemble. Ce cycle de la matière peut être décomposé en cycles élémentaires plus spécifiques, comme le cycle de l élément carbone ou le cycle de l élément azote. I. Le cycle du carbone Activité 1 : La fixation du dioxyde de carbone Tous les êtres vivants photosynthétiques sont appelés «producteurs primaires» car ils peuvent produire de la matière organique carbonée à partir du dioxyde de carbone atmosphérique gazeux : on parle de «fixation du CO 2». Document 1 : Le cycle de Calvin : principale voie métabolique de fixation du CO 2. Le cycle de Calvin est un ensemble de réactions réalisées par les organismes photosynthétiques pour produire leurs molécules de glucose lors de la phase chimique de la photosynthèse. Les plantes fixent le CO 2 pour produire du glycéraldéhyde 3 phosphate (G3P), molécule qui joue un rôle de précurseur de la synthèse du glucose. Page 1 sur 10

2 Document 2 : La photosynthèse La photosynthèse est le processus qui permet aux organismes photoautotrophes de synthétiser de la matière organique en utilisant la lumière du soleil. 1. A partir du document 1, rappeler la définition d un producteur primaire. 2. Indiquer, en justifiant, la nature (minérale ou organique) du dioxyde de carbone et glycéraldéhyde-3- Phosphate. 3. Déterminer le nombre de molécules d ATP et de NADPH,H + nécessaires à la fixation de trois molécules de CO 2 sur l accepteur (le ribulose 1,5 diphosphate) et à sa régénération. Exprimer le résultat par atome de carbone assimilé. 4. Le NADPH,H + est un coenzyme d oxydoréduction. Indiquer s il y a oxydation ou réduction de ce coenzyme dans le cycle de Calvin. 5. A partir du document 2, rappeler l origine de l ATP et du NADPH,H+ nécessaires à la synthèse de matière organique à partir du CO 2. Ecrire l équation bilan de la photosynthèse. Page 2 sur 10

3 Document 3 : Le dioxyde de carbone fixé permet la production de cellulose, molécule structurale importante des végétaux. Le carbone organique sous forme de glucides simples est un précurseur de molécules complexes telles que la cellulose. Cellule végétale 6. A partir du document 2, préciser la localisation cellulaire de la cellulose dans la matière végétale. 7. Sachant que les microfibrilles de cellulose entrecroisées forment des structures très rigides, déduire le rôle principal de la cellulose chez les plantes. 8. Expliquer à l aide de la structure moléculaire de la cellulose, la composition biochimique d une fibre de cellulose. 9. En vous appuyant sur le document 1, expliquer l origine de la cellulose dans la matière végétale. Page 3 sur 10

4 Activité 2 : Retour du dioxyde de carbone dans l atmosphère Document 4 : La respiration aérobie des molécules carbonées produit du dioxyde de carbone et de l eau 1. Citer la molécule faisant référence à la formule C 6 H 12 O 6 du document 4. Rappeler le nom de la voie de dégradation des glucides dans le cytoplasme des cellules. 2. Préciser la nature chimique (minérale ou organique) du glucose et du dioxyde de carbone. En déduire l étape du cycle de la matière assurée par la respiration aérobie. 3. A partir des documents 1 et 4, et en vous appuyant sur vos connaissances du cycle de la matière, compléter le schéma ci-dessous représentant les principales étapes du cycle du carbone. Page 4 sur 10

5 C organique MO des producteurs primaires Thème 5 : Les systèmes vivants existent à grande échelle : écosystème et biosphère BILAN : Le cycle du carbone à l échelle de la biosphère Le cycle du carbone est composé de plusieurs étapes : Les êtres vivants autotrophes par la photosynthèse utilisent l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le dioxyde de carbone. Le carbone minéral présent dans l environnement à l état oxydé passe à l état de carbone organique (réduit) sous forme de glucides simples. Ces glucides simples sont des précurseurs pour la fabrication de glucides complexes tels que la cellulose. Les organismes impliqués (bactéries, algues et plantes) sont les producteurs primaires. Une partie de cette matière organique devient la source de carbone des consommateurs : les hétérotrophes incapables de synthétiser leur matière organique à partir d éléments minéraux. La dégradation des molécules organiques permet la synthèse d énergie et aboutit à la minéralisation du carbone : du dioxyde de carbone est libéré dans l atmosphère. L hydrolyse de la cellulose des végétaux en cours de dégradation (la cellulolyse) libère du glucose qui alimente alors les voies de dégradation des micro-organismes hétérotrophes : - la respiration cellulaire (en présence de dioxygène) : le glucose est alors oxydé en CO 2 - la fermentation : production de dioxyde de carbone et de méthane C minéral CO 2 atmosphérique ou en solution dans les eaux photosynthèse Respiration et fermentations C organique MO des consommateurs Biosphère C organique (MO des décomposeurs) Page 5 sur 10

6 II. Le cycle de l azote Tout comme l élément carbone, le recyclage de l élément azote fait appel à une série d étapes permettant de transformer le diazote gazeux en azote sous forme organique, puis à rendre cet azote organique à l atmosphère. Activité 1 : La fixation du diazote La première étape du cycle de l azote correspond à la fixation du diazote (N 2 présent dans l atmosphère) dans la matière organique. Il est fixé par des bactéries présentes dans le sol grâce à une enzyme, la nitrogénase. Document 1 : Fonctionnement simplifié de la nitrogénase, l enzyme clé de l étape de fixation 1. L azote est un des atomes indispensables à la composition des matières organiques. Citer à partir des connaissances, des molécules biologiques organiques azotées. 2. A partir du document 1, décrire les étapes de la catalyse de la réduction enzymatique du diazote atmosphérique en ammoniac par la nitrogénase. 3. Préciser la nature de la réaction chimique catalysée et en écrire l équation de réaction. Page 6 sur 10

7 Activité 2 : Recyclage de l azote et importance des métabolismes microbiens Les bactéries jouent également un rôle capital, en sens inverse, dans le recyclage et la minéralisation de l'azote organique. La dégradation de la matière organique morte conduit à la libération d une quantité importante de solution aqueuse d ammoniac (NH 3 ) dans le milieu. Cette solution aqueuse d ammoniac est le point de départ du recyclage de l élément azote. Document 2 : Ammonification de l environnement par la matière organique morte en décomposition Exemple de l acide aspartique. 1. Indiquer la nature biochimique de l acide aspartique. 2. Repérer le groupe permettant de qualifier cette réaction «d ammonification» de l environnement. Document 3 : La nitrification, un exemple de collaboration bactérienne Les bactéries du genre Nitrosomonas oxydent la solution aqueuse d ammoniac (NH 3 ) en ions nitrite (NO 2 - ) en aérobiose : c est la nitritation. Les ions nitrites produits sont oxydés en ions nitrate (NO 3 - ) dans les mêmes conditions par les bactéries du genre Nitrobacter : c est la nitratation. L ensemble de ces deux phénomènes porte le nom de nitrification. Seuls les microorganismes sont capables de réaliser ces deux étapes du cycle de l azote. 3. Ecrire les demi-équations d oxydoréduction des couples : NO /NH 4 NO - 3 /NO - 2 (E = + 0,42V) et ½O 2 /H 2 O (E = + 0,81V). Couple NO - 2 /NH + 4 : (E = + 0,32V), Couple NO 3 - /NO 2 - : Couple ½ O 2 /H 2 O : Page 7 sur 10

8 4. Ecrire les équations de réaction de nitritation et de nitratation. Nitritation : Nitratation : 5. Ecrire l équation de réaction globale de la nitrification. Nitrification = nitration + nitratation Document 4 : La dénitrification, une réaction qui nécessite plusieurs étapes et une collaboration microbienne NaR : Nitrate réductase NiR : Nitrite réductase NOR :Oxyde nitrique réductase N 2 OR :Oxyde nitreux réductase 6. D après le document 4, déterminer la nature des réactions chimiques mises en jeu lors de la dénitrification biologique. 7. Préciser la nature (organique ou minérale) du donneur et des accepteurs d électrons. Proposer un nom, en le justifiant, pour le type trophique des bactéries dénitrifiantes. Page 8 sur 10

9 8. En vous basant sur les documents 3 et 4, expliquer le devenir d une pollution ammoniacale du sol. 9. A partir des documents, compléter sur le document 5 en indiquent dans les différents cadres les molécules azotées présentes (N 2, NO 3-, NO 2-, NH 4 +, azote organique) et au niveau des pointillés les principales étapes du cycle de l azote (nitrification, dénitrification, assimilation, fixation, ammonification). Document 5 : Schématisation du cycle de l azote. Page 9 sur 10

10 BILAN : Le cycle de l azote à l échelle de la biosphère La fixation du diazote atmosphérique Le diazote atmosphérique est fixé dans la matière organique par des microorganismes spécialisés par l intermédiaire d une enzyme : la nitrogénase. Formation d ammonium (ou si le ph du sol est élevé, l ammonium se transforme en ammoniac). La solution aqueuse d ammoniac (NH 3 ) produite par la nitrogénase est ensuite incorporée dans la matière organique par différents métabolismes utilisant des intermédiaires du cycle de Krebs. La dégradation de la matière organique morte libère une quantité importante de solution aqueuse d ammoniac dans le milieu. Cet ammoniac sert de substrat énergétique à des bactéries autotrophes aérobies qui l oxydent en ions nitrite (NO 2 - ) puis en ions nitrate (NO 3 - ) c est la nitrification. Le recyclage de l azote organique en diazote dans l atmosphère. Par la suite, des bactéries hétérotrophes oxydent la matière organique de l environnement et utilisent les ions nitrate produits comme accepteurs d électrons dans leur chaîne respiratoire en absence de dioxygène. Elles produisent ainsi du diazote qui retourne dans l atmosphère : c est la dénitrification. Page 10 sur 10