Azote Phosphore

Bruno TASSIN Martin SEIDL

2004 Cycles N-P 2

?

2004 Cycles N-P 3

?

2004 Cycles N-P 4

Azote Phosphore

Vous et moi

cycles bio-géochimiques cycle de l ’azote cycle du phosphore perturbations anthropiques solutions

C, N, P oxydation -réduction

xCO2+ yNO3-+ zH₃PO₄+yH⁺+ (x+y)H₂O

(x+2y)O₂+ (CH₂O)x(NH₃)y(H₃PO₄)z

CO₂ +IV

CH₂O 0

Activité hétérotrophe : oxydation Activité autotrophe : réduction

2004 Cycles N-P 7

! " #

Azote : 4ème constituant de la matière vivante constituant des protéines (18%)

acides nucléiques, enzymes Phosphore :

ADP, ATP acides nucléiques

Eléments limitants Autres éléments nécessaires

S, SiO₂, Fe, Mn, Zn, Mg, B, Cu, Co, Mo, V, …..

2004 Cycles N-P 8

$ %

2004 Cycles N-P 9

$ %

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

NH₄⁺ R-NH₂ N₂

NO₂^- NO₃^-

N₂O NO₂ NO

Absorption

autotrophe Ammonification hétérotrophe Fixation industrielle d’N₂

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

2004 Cycles N-P 10

&

Fixation non symbiotique cyanobactéries

certaines bactéries (clostridium, azotobacter) Fixation symbiotique

certaines plantes supérieures (légumineuses) symbiose Rhizobium - légumineuse

Réduction N₂par Rhizobium fourniture protection et énergie formation des nodosités racinaires

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

NH4+ R-NH2 N2

NO2- NO3-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

Passage minéral - organique

Sans modification du nombre d’oxydation (NH₄⁺) Production

phytoplancton, champignons, bactéries : préférence NH₄⁺ macrophytes : préférence NO₃^-

Réduction enzymatique : NO₃^-→NO₂ ^-→NH₄⁺ Consommation d’énergie (325 kJ/mole NO₃^-)

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

NH₄+ R-NH2 N2

NO₂- NO₃-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

Activité bactérienne de dégradation hétérotrophe (sédiments, marrais, STEP …)

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

NH4+ R-NH2 N2

NO2- NO3-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

2004 Cycles N-P 13

Bactéries chémolithotrophes autotrophes,

fixent du carbone inorganique dissous mais n’utilisent pas la lumière aérobies

NH₄⁺→énergie (276 kJ) +NO₂ ^-→énergie (75kJ) +NO₃^- Nitrosomonas et Nitrobacter

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 NH4+ R-NH2 N2

NO2- NO3-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

2004 Cycles N-P 14

Seul retour significatif vers la phase gazeuse Bactéries anaérobies facultatives

Utilisent les nitrates comme source d’oxygène Respiration

NO₃^-+ énergie →NO₂ ^- + énergie →NO + énergie →N₂O + énergie →N2

énergie vient de carbone organique

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 NH4+ R-NH2 N2

NO2- NO3-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

2004 Cycles N-P 15

(

Fabrication d ’engrais azotés combustions (éclairs d’orage)

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

NH4+ R-NH2 N2

NO2- NO3-

N2O NO NO2

Absorption autotrophe Ammonification

hétérotrophe Fixation industrielle d’N2

Dénitrification

Nitrification Combustion / déposition

Phase atmosphérique Biosphère/hydrosphère

Émissions NO_x

2004 Cycles N-P 16

) $

Forêt néolithique

pas d’accumulation d’éléments dissous

équilibre import/export stocks tampons Agriculture traditionnelle

cycle reste fermé

sol nus →exportations rivières stock sol diminue

production et consommation proches

Dépôt atmosphérique

SolN N biomasse

Chaîne herbivore

animale

Exportations rivières Fixation

biologique

absorption minéralisation

Dépôt atmosphérique

N Sol

N biomasse

alimentation humaine et animale

Exportations rivières Fixation

biologique

absorption minéralisation

ville

) $

Ville « industrielle » exportation vers la ville besoins d’engrais minéralisation réduite sols nus exportations

Dépôt atmosphérique

SolN

N biomasse

alimentation humaine et animale

Exportations rivières Fixation

biologique

absorption minéralisation

ville

engrais

* + $ $ , $

Stocks

Atmosphère :78% N₂= 3860 10¹²tonne (Tera) hydrosphère : 0.23 10¹²tonne

lithosphère : 0.75 10¹²tonne matière vivante : 0.28 10¹²tonne

Flux d’azote actifs

fixation d’azote : 140 10⁶tonne →280 10⁶tonne engrais 80 10⁶tonne = 1975 x 4

fixation N₂40 10⁶tonne émissions NOx = NO + NO₂

12 10⁶tonne (1850) →36 10⁶tonne (1990) (+0.2 % /an) émissions NHx = NH₃+ NH₄⁺

15 10⁶tonne (1850) →45 10⁶tonne (1990)

1/1000 000

2004 Cycles N-P 19

Impacts sur l ’atmosphère

gaz à effet de serre (NOx) effet sur la couche d’ozone (NOx) smog photo-oxydant

ozone troposphérique

cycle du carbone

diminution du carbone stocké

écosystèmes

saturation en azote biodiversité eutrophisation acidification

2004 Cycles N-P 20

( -

phase atmosphérique <> biosphère <>

hydrosphère

nombreuses formes réactives cycle complexe

perturbations anthropiques sensibles conséquences atmosphère

conséquence hydrosphère / biosphère

2004 Cycles N-P 21 2004 Cycles N-P 22

Pas de cycle !!!

De la mine à la mer Pas de phase atmosphérique Plus simple que l’azote Affinité pour les particules

.

Usages du phosphore : agriculture 80 % détergents 12 % nourritures animales 5%

usages spécifiques 3%

P dissous

P biomasse

Chaîne herbivore animale

Exportations rivières

absorption minéralisation P

particulaire minéral

ville

engrais

détergents ville

Exportations rivières

* +

Stocks mondiaux 30 000 10⁶t P₂O₅ dont ≈5 000 10⁶ t P2O5 exploitables production annuelle 40 10⁶t P₂O₅ consommation :

agriculture : 5 (1950) 35 (1990) 10⁶t humains : 0.8 g/j →4 g/j

Engrais (27) fourrages Atmosphère (1)

Détergents (6) Pédosphère

Agriculture (22)

Anthropo sphère boues (3) (5) Aliments (7)

hydrosphère

(1) 55

2

2004 Cycles N-P 25

( -

pas de phase atmosphérique pas de reconstitution des stocks importance des flux « artificiels »

lessives

conséquences sur la biosphère/hydrosphère

2004 Cycles N-P 26

*

Deux moteurs production primaire

entrée d ’énergie

production de matière organique production d’oxygène base de la chaîne trophique activité bactérienne

rôle de décomposition

2004 Cycles N-P 27

Développement des végétaux Biomasse

à décomposer bactéries,algues

Nutriments N, P, ...

Développement bactéries

Entrée de nutriments

Entrée d ’énergie solaire

Augmentation

Entrée de MO

Entrée d ’énergie chimique

Sortie d ’énergie

2004 Cycles N-P 28

(

Ordres de grandeur

Valeur moy : continents : 66gC/m²/an océans : 13gC/m²/an

zones humides : 800 gC/m²/an lacs : 200 gC/m²/an

zones agricoles intenses :600 gC/m²/an forêts : 150 gC/m²/an

golf du lion : 90 gC/m²/an

.

Notions de matière organique Paramètres intégrateurs

DBO, COT, COP(B), COD(B) Dégradabilité

facilement biodégradable difficilement biodégradable réfractaire

Principe des stations d’épuration

/ $

Il faut de la matière organique allochtone Matière organique d’origine urbaine

retour sur l’ouverture des cycles impact

désoxygénation Autoépuration

2004 Cycles N-P 31

/

Phosphore des villes Azote des champs Eutrophisation

Ils ne mourraient pas tous mais tous étaient frappés

La Fontaine 10 % rivières européennes < 50µgP/l 70 % rivières européennes> 1mgN/l

2004 Cycles N-P 32

( $ %

Favoriser l ’autoépuration nitrification (oxygénation) Génie écologique

développement de zones humides (dénitrification)

traitement de nitrification/dénitrification en STEP

2004 Cycles N-P 33

0

0.8g/j ou 4g/j

Mesures règlementaires Suisse (1985)

La bataille des phosphates France (1990)

L’industrie des phosphates et le développement durable

Europe (2000)

Bien au delà du facteur limitant….

2004 Cycles N-P 34

2004 Cycles N-P 37

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