Les perturbations anthropiques des cycles biogéochimiques

1. Les perturbations anthropiques des cycles biogéochimiques Partie 1: Azote – Phosphore Collège Lionel-Groulx

2. Plan du cours • Cycles biogéochimiques: généralités • Le cycle de l’azote et les zones mortes océaniques • Le cycle du phosphore et l’eutrophisation • Le cycle du sodium: quel intérêt? Collège Lionel-Groulx

3. Flux de matière sur la Terre • La planète est un endroit fini (par opposition à infini). Peu d’intrants (météores) et peu d’extrants (composantes aérospatiale). Tout est recyclé et ce recyclage se passe à un rythme très précis… • Azote • Phosphore • Sodium • Carbone • Eau • Mercure • Molécules de synthèse • Etc. … Collège Lionel-Groulx

4. Cycles biogéochimiques: réservoirs et processus généraux • En fonction de l’atome étudié, le réservoir dominant change (ex.: atmosphère pour l’azote, roches pour le phosphore). • Les processus ne se font pas tous à la même vitesse • Lents: formation de roches, érosion, fossilisation • Rapides: assimilation, excrétion, décomposition, respiration, photosynthèse [1] Collège Lionel-Groulx

5. La décomposition • La décomposition est une étape clé dans le recyclage des nutriments. • Sa vitesse est influencée par la température et le taux d’humidité du milieu. • Dans la forêt tropicale humide, la décomposition est tellement rapide que seulement 10% des nutriments de l’écosystème se retrouvent dans le sol (50% pour une forêt tempérée) [1]. Le sol est pauvre car tous les nutriments se retrouvent dans la biomasse. [1, fig. 55.15] Collège Lionel-Groulx

6. Cycles biogéochimique: réservoirs biologiques Légende A – Assimilation C – Consommation D – Décomposition E – Élimination/excrétion M – Mortalité A M C E M C C M M C E D [1] Collège Lionel-Groulx

7. Le cycle de l’azote • N est biologiquement très utile: protéines, ADN, ARN. • Absorbé par les plantes sous forme de nitrate et ammonium (NO3- et NH4-). • Réservoir principal: atmosphère (inorganique non disponible). [1, p. 1417] Collège Lionel-Groulx

8. Azote: nutriment limitant • Un nutriment limitant est une substance chimique qui stimule la productivité d’un milieu lors de son ajout [1]. • L’azote est souvent limitant pour les plantes ou les algues (en eau salée). • Comme le nitrate et l’ammonium sont de petites molécules chargées, une couche d’hydratation se forme autour d’elles. Se sont des molécules hydrosolubles. • Cette particularité permet le lessivage de ces molécules vers les cours d’eau. [1] Collège Lionel-Groulx

9. Perturbations anthropiques du cycle de l’azote • Sources ponctuelles • Eaux usées urbaines • Déjections humaines • Lexiviat des dépotoirs • Effluent d’usines • Sources diffuses • Surutilisation et lessivage des engrais • Déjections animales (élevages) • Déforestation (pâturages, agriculture) • Érosion des sols [1] Collège Lionel-Groulx

10. Enrichissement des cours d’eau en nutriment limitant: eutrophisation • L’eutrophisation des cours d’eau est un processus naturel habituellement très lent qui peut être accéléré grandement en augmentant l’apport en nutriments. • L’eutrophisation peut mener à l’hypoxie des cours d’eau: • ↑ de l’abondance en producteurs primaires • ↑ de l’abondance des consommateurs • ↑ du nombre de cadavres • ↑ de la décomposition • ↑ de la demande biologique d’oxygène (ou DBO) • ↓ de la concentration d’oxygène du milieu • Hypoxie ou anoxie Collège Lionel-Groulx

11. Zones mortes océaniques [1] Collège Lionel-Groulx

12. Zones mortes océaniques en 2010 selon la NASA En 2008, on répertoriait plus de 400 zones mortes couvrant plus de 246 000 km2. Le nombre de zones mortes dans le monde double environ tous les 10 ans depuis les années ‘60 [4]. [3] Collège Lionel-Groulx

13. Cycle du phosphore • Le P est biologiquement très utile: ADN, ARN, ATP, phosphoglycérolipides, os, dents… • Absorbé par les plantes sous forme de phosphate (PO43-). • Réservoir le plus important: roche sédimentaire d’origine marine (inorganique non disponible). • Nutriment limitant en eau douce. [1, p. 1417] Collège Lionel-Groulx

14. Démonstration de l’effet limitatif du phosphore • En 1968, Vollenweider publie un rapport où une étude empirique suggère pour la première fois que l’effet limitatif du phosphore est la cause principale de l’eutrophisation en eau douce [2]. • Le lobby du savon remet en question les résultats de recherche [2]. • En 1974, Schindler publie les résultats d’une étude expérimentale historique. Ontario ELA lake 226 Collège Lionel-Groulx

15. Démonstration de l’effet limitatif du phosphore • Schindler sépare en deux un lac formé de deux bassins à la morphométrie similaire. • D’un côté, il ajoute azote et carbone. • De l’autre côté, il ajoute azote, carbone et phosphore: les résultats sont spectaculaires! Ontario ELA lake 226 Collège Lionel-Groulx

16. Perturbations anthropiques du cycle du phosphore • Sources ponctuelles • Eaux usées urbaines • Savons • Déjections humaines • Lexiviat des dépotoirs • Effluent d’usines • Sources diffuses • Surutilisation et lessivage des engrais • Déjections animales (élevages) • Déforestation (pâturages, agriculture) • Érosion des sols Collège Lionel-Groulx

17. Exemple d’impact: lac Érié, mars 2012 [5] Collège Lionel-Groulx

18. Solutions aux problèmes d’azote et de phosphore • Préservation de bandes riveraines significatives au bord des cours d’eau • Augmentent l’absorption des nutriments • Diminuent l’érosion des sols • Consommation de produits qui réduisent l’apport en nutriments • Fruits et légumes biologiques: le compost est moins soluble que les engrais chimiques et libère ses nutriments plus lentement • Savons sans phosphate • Manger moins de viande: diminution de la demande de déforestation et de la production de déjections animales • Composter • Diminution de la production de lexiviats riches en nutriment dans les dépotoirs • Traitement des eaux usées de façon à réduire leur teneur en nutriments (ex.: utilisation de marais artificiels) Collège Lionel-Groulx

19. Le cycle du sodium • Le sodium est contenu dans la roche et le magma. • Il est rendu accessible via l’érosion par des pluies légèrement acides ou par des phénomènes géologiques. • Ces deux phénomènes sont à l’origine de la teneur en sels des océans. • Ces phénomènes étant lents, ils sont contrebalancés par la sédimentation et la formation de nouvelle roche. • Lorsque de l’eau salée s’évapore, une roche sédimentaire à base de sel peut être créée. Collège Lionel-Groulx

20. Médiagraphie [1] Reece, J.B. et coll. (2012). Campbell Biologie. 4ième éd., Éditions du Renouveau pédagogique (ERPI), 1348 pages. [2] Schindler, D. W. (2006). Recent advances in the understanding and management of eutrophication. Limnology & Oceanography, vol. 51 (1), pages 356-363. [3] NASA Earth Observatory. Page consultée le 4 février 2014. Aquatic dead zones. [En ligne], URL: http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=44677 [4] Diaz, R. J. et R. Rosenberg . (2008). Spreading Dead Zones and Consequences for Marine Ecosystems. Science vol. 321 (5891), pages 926–929 [5] NASA Earth Observatory. Page consultée le 4 février 2014. Lake Erie, stirred up. [En ligne], URL: http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=77506 Collège Lionel-Groulx