Le cycle de l'azote

Qu'est-ce que le cycle des nutriments ?

Voici quelques termes importants que nous devons comprendre lorsque nous étudions les cycles des nutriments :

• Réservoirs - là où se trouve la majorité du nutriment en question ; dans le cycle de l'azote, ce sera dans l'atmosphère .
• Sources - l'organisme ou les processus qui renvoient les nutriments dans le réservoir ; dans ce cas, il s'agit des bactéries dénitrifiantes du sol, qui convertissent les ions nitrate en azote gazeux dans le cadre d'un processus appelé dénitrification .
• Puits - les puits sont le site le plus important de consommation des nutriments ; dans ce cas, il s'agira du sol, où les ions nitrate sont disponibles pour être absorbés par les plantes .

Voici les types d'organismes qui participent aux cycles des nutriments :

• Producteurs - les organismes photosynthétiques exploitent l'énergie de la lumière du soleil pour convertir des molécules inorganiques en composés organiques .
• Consommateurs - les organismes qui ne peuvent pas créer leur propre nourriture doivent ingérer des producteurs ou d'autres consommateurs dans le cas des consommateurs secondaires et tertiaires .
• Décomposeurs - ces organismes décomposent la matière organique morte et libèrent en retour des ions inorganiques absorbables .

C'est le processus par lequel les cycles de nutriments se produisent :

1. Lesproducteurs absorbent les nutriments sous forme de molécules inorganiques qui seraient autrement inutiles à d'autres organismes et les transforment ensuite en composés organiques précieux.
2. Lesconsommateurs ingèrent ensuite ces producteurs et absorbent ces composés organiques.
3. Les nutriments voyagent à travers les chaînes alimentaires lorsque les consommateurs secondaires et tertiaires ingèrent des organismes contenant ces composés organiques.
4. Une fois que ces producteurs et consommateurs meurent, ils sont soumis à l'action des décomposeurs qui décomposent les composés organiques et les libèrent sous forme de composés inorganiques que les producteurs peuvent absorber.

Les consommateurs n'absorbent pas tout l'azote pour diverses raisons (ils ne consomment pas l'organisme entier, ils ne sont pas en mesure d'utiliser tous les nutriments et ils perdent des nutriments par l'urée et les fèces). Cela ne signifie pas que l'azote est perdu, car toute matière morte ou fécale sera décomposée par les saprobiontes (décomposeurs) et entrera dans le cycle.

Définition du cycle de l'azote

Le cycle de l'azote se compose de 5 processus principaux réalisés par différents types de micro-organismes dans le sol :

• Fixation de l'azote
• la nitrification
• Assimilation
• Ammonification
• Dénitrification

Fig. 1 - Le cycle de l'azote se compose de différents processus ou étapes.

Voici des descriptions des processus et des organismes impliqués.

Fixation de l'azote

La fixation de l'azote est sans doute l'étape la plus importante du cycle de l'azote. En effet, elle offre une voie pour que l'abondance d'azote présente dans l'atmosphère devienne facilement disponible pour les plantes dans le sol. L'azote est présent dans les sols par le biais des précipitations et est ensuite utilisé par les bactéries saprobiontiques. La fixation de l'azote atmosphérique peut potentiellement se produire lorsque la foudre frappe, et nous pouvons fixer l'azote de manière industrielle sous des pressions et des températures élevées. Mais c'est sur les micro-organismes fixateurs d'azote présents dans le sol que nous allons nous concentrer.

Il existe deux types de diazotrophes fixateurs d'azote : les diazotrophes libres et les diazotrophes mutualistes :

• Lesbactéries fixatrices d'azote vivant librement sont abondantes dans le sol et convertissent l'azote gazeux en ammonium en le réduisant. Cette réduction est endothermique, ce qui entraîne l'absorption d'énergie par les bactéries, qu'elles peuvent ensuite utiliser pour fabriquer divers composés contenant de l'azote, tels que les protéines et les acides nucléiques. Après leur mort, ces bactéries en se décomposant libèrent ces composés organiques dans le sol.
• Lesbactéries mutualistes fixatrices d'azote sont certains types de micro-organismes qui vivent sur les nodules des racines des plantes. Ces bactéries réduisent l'azote gazeux en ammoniac et utilisent cet ammoniac pour fabriquer des composés azotés tels que les acides aminés. La plante hôte absorbe alors ces composés organiques utiles et, en retour, donne à la bactérie des hydrates de carbone et des sucres utiles, dont elle peut se nourrir. C'est un exemple de relation symbiotique entre deux organismes.

Ammonification

L'ammonification est leprocessus par lequel l'azote est transféré de la partie vivante du biome à la partie non vivante du biome. Les décomposeurs saprobiontiques du sol (principalement des bactéries et des champignons dans ce cas) décomposent toute matière organique contenant de l'azote et libèrent de l'ammoniac en retour. Cette matière organique peut provenir des protéines, des vitamines et des acides nucléiques présents dans les organismes morts ou de l'urée et des matières fécales produites par les animaux. L'ammoniac va ensuite capter des ions d'hydrogène en réagissant avec les résidus acides du sol.

Nitrification

La nitrification est le processus par lequel les bactéries chimio-autotrophes convertissent les ions ammonium en ions nitrate que les producteurs peuvent ensuite absorber. Ces bactéries dépendent d'une concentration substantielle d'ions ammonium dans le sol car elles exploitent l'énergie libérée par l'oxydation des ions ammonium pour leurs processus biochimiques. Les bactéries libres transforment les ions ammonium en ions nitrate dans le sol ; ce sont des chimio-autotrophes aérobies, le sol doit donc être riche en oxygène. Les ions ammonium sont d'abord oxydés en ions nitrite, qui sont ensuite oxydés en ions nitrate, les deux réactions libérant de l'énergie.

Voici les équations chimiques des réactions :

Les ions ammonium sont oxydés en ions nitrite :

_2NH4++ 3O2_{→ 2NO2-}+ 4H++2H2O.

Les ions nitrites oxydés en ions nitrates :

^2NO2- + O2_→ ^2NO3-

Assimilation

Les producteurs qui vivent dans le sol, ou autotrophes, assimilent l'azote en transportant activement les ions nitrate et ammonium par leurs racines. Les ions doivent être activement transportés la plupart du temps car il y a toujours une forte concentration d'ions dans les racines des plantes, mais le sol peut parfois être déficient en nutriments. Les ions nitrate sont transportés dans toute la plante et transformés en ammoniac, lequel est converti en groupes amine qui peuvent facilement être utilisés pour fabriquer des composés azotés utiles.

Dénitrification

Ladénitrification est le processus par lequel l'azote retourne dans l'atmosphère en complétant le cycle. Des saprobiontes anaérobies appelés bactéries dénitrifiantes réduisent les ions nitrate en oxygène et libèrent de l'azote gazeux au cours du processus. Ces bactéries dénitrifiantes sont abondantes dans les sols gorgés d'eau, car l'eau repousse souvent l'oxygène disponible pour les micro-organismes du sol. Cette réduction des ions nitrate peut être préjudiciable aux plantes, car elles ont besoin d'un apport constant pour fabriquer des composés contenant de l'azote.

Importance du cycle de l'azote

Le cycle de l'azote est important pour de nombreuses raisons :

• Il fournit aux producteurs une source durable d'ions nitrate qu'ils peuvent absorber et utiliser pour construire des composés essentiels contenant de l'azote comme les protéines, les acides nucléiques et la chlorophylle.
• Il permet à d'importants composés organiques dont l'azote est un composant majeur de passer dans l'écosystème. Les consommateurs herbivores ingèrent les producteurs, et les consommateurs carnivores ingèrent leurs proies.
• Les décomposeurs saprobiontiques décomposent les matières mortes et les excréments ; ce faisant, ils rendent les nutriments facilement disponibles pour les producteurs tout en nettoyant l'environnement.
• Permet au gaz inerte qu'est l'azote de devenir disponible pour les organismes terrestres.

Pourquoi les plantes ont-elles besoin d'azote ?

Les plantes ont besoin d'azote pour fabriquer de nombreuses structures et molécules différentes :

• Chlorophylle - l'azote est un composant majeur de la chlorophylle, il faut donc beaucoup d'azote pour produire la quantité maximale de pigment chlorophyllien afin que la plante puisse faire le plus de photosynthèse possible.
• ADN - l'azote est présent dans les nucléotides, qui sont les éléments constitutifs de l'ADN. L'ADN est le matériel génétique qui fournit les instructions pour tous les processus biochimiques à l'intérieur d'une plante et les informations héréditaires de la plante.
• ATP - les monomères qui composent la molécule de transfert d'énergie adénosine triphosphate contiennent de l'azote. L'ATP joue un rôle essentiel dans le contrôle du transfert d'énergie dans les processus métaboliques.
• Acides aminés - l'azote constitue une proportion importante des résidus d'acides aminés, qui sont les éléments constitutifs de la fabrication des protéines. Ces protéines sont essentielles à la fabrication de structures protectrices et d'enzymes utiles dans la plante.

La carence en azote chez les plantes

La disponibilité des ions nitrate dans le sol peut être causée par de fortes pluies, qui entraînent une terre gorgée d'eau. Ce sol humide entraîne une population dominante de saprobiontes anaérobies, ce qui signifie que les bactéries dénitrifiantes l'emportent et que la concentration en ions nitrate du sol diminue. Les sols secs avec peu ou pas d'humidité peuvent également entraver le développement des plantes, car elles auront du mal à absorber les ions solubles dans l'eau. Les plantes qui souffrent d'une carence en azote peuvent présenter les caractéristiques suivantes :

• Les feuilles de la plante poussent beaucoup plus lentement ; cela se remarque surtout chez les jeunes feuilles.
• Le développement des pousses est beaucoup plus lent.
• Les feuilles peuvent présenter une décoloration jaune.
• La floraison et la production de fruits sont réduites.

Le cycle de l'azote dans les écosystèmes marins

L'azote est transféré dans les écosystèmes marins de la même manière que dans les écosystèmes terrestres. Les micro-organismes saprobiontiques aquatiques décomposent la matière organique morte au fond de la mer et libèrent des ions nitrate que les plantes aquatiques peuvent absorber. Des recherches récentes ont révélé que les roches sédimentaires constituent une source importante d'azote car elles libèrent de l'azote gazeux lorsqu'elles s'érodent.

Utilisation d'engrais azotés

L'azote est l'un des trois principaux composants des engrais NPK, très appréciés des agriculteurs du monde entier, car l'azote, le phosphore et le potassium sont essentiels au développement des plantes. Les engrais azotés peuvent être nécessaires lorsque le sol est gorgé d'eau et contient donc principalement des saprobiontes dénitrifiants, lorsque le sol est trop sec et que les ions nitrate solubles ne peuvent pas se déplacer, ou même lorsque les cultures se font sur un sol infertile. Les agriculteurs utilisent presque toujours des engrais pour augmenter le rendement et la taille de leurs cultures. Malgré leurs avantages apparents, le ruissellement des engrais peut être préjudiciable aux rivières et aux estuaires avoisinants.