cycle azote

Le cycle de l’azote

78% de la masse de l’atmosphère

Présent dans l’environnement très majoritairement dans son état standard (N2)

mais les processus biochimiques mettent en œuvre une grande variété de composés azotés au degré d’oxydation étendu sur une

large gamme(no=+5 : HNO3; +4: NO2; +3 : HNO2; +2 NO; +1 : N2O ; -3 : NH3, NH4

+,, amines)

Elément indispensable à la vie (acides aminés, protéines..)

N°atomique : 7M atomique : 14.007

Principaux isotopes stables : 14N, 98,89%; 15N : 0,37%

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 (N20 est

un GES 200 fois plus puissant que CO2)

2- Pollution atmosphérique3- 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

L’azote dans les grands réservoirs

Atmosphère (3.9 109 Tg N : le plus important réservoir d’azote)

Söderlund et Rosswall, 1982


Océan (2.3 107 Tg N)


KH (N2) = 1540 atm/M



Système terrestre (3.4 105 Tg N)

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

N2 (ou N20)

MO azotée

Les flux engendrés par les processus biologiques, contribuent sur le plan global à95% des flux totaux en azote (Rosswall, 1976)




N2 (ou N20)

NH3/NH4+

(1)

(1) Fixationconversion 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)

2N2(g) + 3(CH2O) + 3H2O 4NH4++ 3CO2

Pour les sols basiques :

NH4++ OH- NH3 (g) + H2O




N2 (ou N20)

NH3/NH4+

(1)

MO azotée

NO2-/NO3

-

(2)(3)

(1) Fixationconversion de l’azote atmosphérique en azoteutilisable par les plantes et les animaux.

(2) Assimilation (NH4+)

(3) NitrificationOxydation de NH4

+ ou NH3 via un organisme en NO2

- et NO3- (catalyse enzymatyque)

Processus biologique par lequel l’amonium estassimilé par la plante pour former sa matièreorganique. L'ammonium est la forme préférentiellement assimilée par les micro-organismes (bactéries et champignons)




N2 (ou N20)

NH3/NH4+

(1)

MO azotée

NO2-/NO3

-

(2)(3)

(4)(5)

(1) Fixationconversion de l’azote atmosphérique en azoteutilisable par les plantes et les animaux.

(2) Assimilation (NH4+)

Processus biologique par lequel l’amonium estassimilé par la plante pour former sa matièreorganique. L'ammonium est la forme préférentiellement assimilée par les micro-organismes (bactéries et champignons)

(3) NitrificationOxydation de NH4

+ ou NH3 via un organisme en NO2

- et NO3- (catalyse enzymatyque) (4) Assimilation (NO2

-, NO3-)

le nitrate est la forme préférentiellement assimilée par les végétaux (plantes et algues supérieures)

(5) AmmonificationDécomposition de la MO et libération d’amonium.Et rejet de l’exédant d’azote ingéré sous forme de NH3 ou d’urée (rapidement dégradée en NH3)




N2 (ou N20)

NH3/NH4+

(1)

MO azotée

NO2-/NO3

-

(2)(3)

(4)

(6)

(5)

(1) Fixation (2) Assimilation (NH4+)

(3) Nitrification (4) Assimilation (NO2-, NO3

-)(5) Ammonification (6) dénitrificationLa dénitrification retourne l’azote à l’atmosphère sous sa forme moléculaire N2, avec comme produit secondaire du CO2 et de l’oxyde d’azote N2O.

réaction de réduction de NO3- par l’intermédiaire de bactéries. Equation type :

Quelques processus abiotiquesBien 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) .

Dans la troposphère: (smogphotochimique)+ La photolyse de NO2 libère un atome d’oxygène qui se recombine avec O2 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

Les oxydes d’azotes(NO, NO2 = NOx et N2O) :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 N2O. Leur chimie dans l’atmosphère est complexe..

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 tropolibre 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

Quelques processus abiotiquesBien que ces processus soient quantitativement faible devant les processus biologiques, ils sont importants au regard de la chimie atmosphérique (pollution des basses couches, amincissent


Dans la Stratosphère: (Destruction de la couche d’ozone)Le N2O est peu réactif, il peut donc être transporté jusqu’à la stratosphère ou il est photolysé pour donner notamment du NO.

Dans la troposphère: (smogphotochimique)+ La photolyse de NO2 libère un atome d’oxygène qui se recombine avec O2 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


O3 + X �� XO + O2

O3 + hνννν (λλλλ<310 nm)�� O+ O2

O + XO �� X + O2

2 O3 �� 3 O2

X = H, OH, NO, Cl ou Br

Les différents cycles catalytiques stratosphérique

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 récenteset notamment l’apparition du trou d’ozone polaire

Cycle essentiel : ClOx

Evolution de la concentration en ozone dans la stratosphère

1973 �� 1997 : ∆∆∆∆(Colonne O3) = -0,3%/an

Début de la décroissance : fin 70’s

Mesures effectuées à Arola (Suisse) : latitudes moyennes

Quelques processus abiotiques et perturbations anthropiquesBien que ces processus soient quantitativement faible devant les processus biologiques, ils sont importants au regard de la chimie atmosphérique (pollution des basses couches, amincissent



Dans la troposphère: (smogphotochimique)+ La photolyse de NO2 libère un atome d’oxygène qui se recombine avec O2 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 N2O est peu réactif, il peut donc être transporté jusqu’à la stratosphère ou il est photolysé pour donner notamment du NO.

L’ammoniaque:+ NH3 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 HNO3(g) pour former du NH4NO3(s), et également avec le H2SO4 pour former du (NH4)2SO4 (s)NH4

+ 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.

+ NH3 peut également être oxydé en oxydes d’azote.

La perturbation anthropique sur les processus biologiques

SUBSTANCES AZOTEES

SOL

VEGETAUX

VEGETAUX MORTS

Absorption

MORT

Décomposition

Schéma ultra simplifié du cycle de l’azote dansle système terrestre

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 .

Récolte

ENGRAIS

Pour palier le manque engendré par la récolte, on utilise des engrais azotés (contenant NH4

+ et NO3-), afin que les végétaux

aient toujours des réserves azotées à leur disposition.

Récolte

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 N2O.

Plus généralement les mécanismes de dénitrification sont plus intenses. Dégagement de CO2

Évaporation excès N 2O

Conjointement les processus de fixation ont également été augmentés par le développement des cultures

Augmentation de 16% depuis 1750

Cycle biogéochimique globale de l’azote

-60 Tg/an

+ 40 Tg/an + 40 Tg/an

-10 Tg/an

-10 Tg/an

0 Tg/an

Ammonification + dégazage

En comparaison avec le cycle du carbone le rapport

flux/réservoir est faible : Temps de renouvellement plus long

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 !!

Réservoir : Tg(N) (1012g)Flux : Tg(N)/an

Activités Humaines

NO

x, NH

3 , N2 O

90+30 Tg/an

cycle azote

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