Qu'est-ce que le cycle de l'azote ?

L'azote, l'élément le plus abondant de notre atmosphère, est essentiel à la vie. L'azote se trouve dans les sols et les plantes, dans l'eau que nous buvons et dans l'air que nous respirons. Il est également essentiel à la vie : un élément clé de l'ADN, qui détermine notre génétique, est essentiel à la croissance des plantes et donc nécessaire à la production des aliments que nous cultivons. Mais comme pour tout, l'équilibre est essentiel : trop peu d'azote et les plantes ne peuvent pas se développer, ce qui entraîne de faibles rendements ; mais trop d'azote peut être toxique pour les plantes et peut également nuire à notre environnement. Les plantes qui n'ont pas assez d'azote deviennent jaunâtres, ne poussent pas bien et peuvent avoir des fleurs et des fruits plus petits. Les agriculteurs peuvent ajouter des engrais azotés pour obtenir de meilleures récoltes, mais un excès d'azote peut nuire aux plantes et aux animaux et polluer nos systèmes aquatiques. Comprendre le cycle de l'azote - comment l'azote passe de l'atmosphère à la terre, traverse les sols et retourne dans l'atmosphère dans un cycle sans fin - peut nous aider à produire des cultures saines et à protéger notre environnement.

 

INTRODUCTION

L'azote, ou N, selon son abréviation scientifique, est un élément incolore et inodore. L'azote se trouve dans le sol sous nos pieds, dans l'eau que nous buvons et dans l'air que nous respirons. En fait, l'azote est l'élément le plus abondant dans l'atmosphère terrestre : environ 78% de l'atmosphère est constituée d'azote ! L'azote est important pour tous les êtres vivants, y compris nous. Il joue un rôle clé dans la croissance des plantes : trop peu d'azote et les plantes ne peuvent pas se développer, ce qui entraîne de faibles rendements ; mais trop d'azote peut être toxique pour les plantes [1]. L'azote est nécessaire à notre alimentation, mais son excès peut nuire à l'environnement.

 

POURQUOI L'AZOTE EST-IL IMPORTANT ?

L'équilibre délicat des substances importantes pour le maintien de la vie est un domaine de recherche important, et l'équilibre de l'azote dans l'environnement ne fait pas exception à la règle [2]. Lorsque les plantes manquent d'azote, elles jaunissent, ont une croissance ralentie et produisent des fruits et des fleurs plus petits. Les agriculteurs peuvent ajouter des engrais contenant de l'azote à leurs cultures afin d'en augmenter la croissance. Sans engrais azotés, les scientifiques estiment que nous perdrions jusqu'à un tiers des cultures dont nous dépendons pour l'alimentation et d'autres types d'agriculture. Mais nous devons savoir quelle quantité d'azote est nécessaire à la croissance des plantes, car une trop grande quantité peut polluer les cours d'eau et nuire à la vie aquatique.

 

L'AZOTE EST LA CLÉ DE LA VIE !

L'azote est un élément clé des acides nucléiques DNAD'acide désoxyribonucléique, un matériau autoréplicateur présent dans presque tous les organismes vivants en tant que principal composant des chromosomes et porteur de l'information génétique, et RNAR'acide ribonucléique, un acide nucléique présent dans toutes les cellules vivantes, qui agit comme un messager transportant les instructions de l'ADN, qui sont les plus importantes de toutes les molécules biologiques et qui sont cruciales pour tous les êtres vivants. L'ADN porte l'information génétique, c'est-à-dire les instructions permettant de constituer une forme de vie. Lorsque les plantes ne reçoivent pas suffisamment d'azote, elles ne peuvent pas produire d'acides aminés (substances contenant de l'azote et de l'hydrogène et constituant de nombreuses cellules vivantes, des muscles et des tissus). Sans acides aminés, les plantes ne peuvent pas fabriquer les protéines spéciales dont les cellules végétales ont besoin pour se développer. Si la quantité d'azote est insuffisante, la croissance des plantes est affectée négativement. Avec trop d'azote, les plantes produisent un excès de biomasse, ou de matière organique, comme les tiges et les feuilles, mais pas assez de structure racinaire. Dans les cas extrêmes, les plantes qui ont absorbé des niveaux très élevés d'azote dans le sol peuvent empoisonner les animaux d'élevage qui les mangent [3].

QU'EST-CE QUE LE CYCLE DE L'AZOTE ?

Le cycle de l'azote est un cycle répétitif de processus au cours desquels l'azote se déplace dans les organismes vivants et non vivants : l'atmosphère, le sol, l'eau, les plantes, les animaux et les bactériesOrganismes vivants microscopiques qui ne contiennent généralement qu'une seule cellule et que l'on trouve partout. Les bactéries peuvent provoquer la décomposition de la matière organique dans les sols... Pour se déplacer dans les différentes parties du cycle, l'azote doit changer de forme. Dans l'atmosphère, l'azote existe sous forme de gaz (N2), mais dans les sols, il existe sous forme d'oxyde d'azote (NO) et de dioxyde d'azote (NO2). Lorsqu'il est utilisé comme engrais, il peut se trouver sous d'autres formes, telles que l'ammoniac (NH3), qui peut être transformé en un autre engrais, le nitrate d'ammonium (NH4NO3).

 

Le cycle de l'azote comporte cinq étapes, que nous allons aborder successivement : la fixation ou volatilisation, la minéralisation, la nitrification, l'immobilisation et la dénitrification. Sur cette image, les microbes présents dans le sol transforment l'azote gazeux (N2) en ammoniac volatil (NH3) ; le processus de fixation est donc appelé volatilisation. LixiviationLorsqu'un minéral ou un produit chimique (tel que le nitrate ou NO3) s'écoule du sol ou d'autres matériaux terrestres et s'infiltre dans la zone environnante. C'est lorsque certaines formes d'azote (telles que le nitrate ou NO3) se dissolvent dans l'eau et s'échappent du sol, polluant potentiellement les cours d'eau.

 

ÉTAPE 1 : FIXATION DE L'AZOTE

À ce stade, l'azote passe de l'atmosphère au sol. L'atmosphère terrestre contient une énorme quantité d'azote gazeux (N2). Mais cet azote est "indisponible" pour les plantes, car la forme gazeuse ne peut pas être utilisée directement par les plantes sans subir une transformation. Pour être utilisé par les plantes, le N2 doit être transformé par un processus appelé fixation de l'azote. La fixation convertit l'azote de l'atmosphère en formes que les plantes peuvent absorber par leur système racinaire.

 

Une petite quantité d'azote peut être fixée lorsque la foudre fournit l'énergie nécessaire pour que le N2 réagisse avec l'oxygène, produisant de l'oxyde d'azote, NO, et du dioxyde d'azote, NO2. Ces formes d'azote pénètrent ensuite dans les sols par la pluie ou la neige. L'azote peut également être fixé par le processus industriel de création d'engrais. Cette forme de fixation se produit sous haute chaleur et pression, au cours de laquelle l'azote atmosphérique et l'hydrogène sont combinés pour former de l'ammoniac (NH3), qui peut ensuite être transformé pour produire du nitrate d'ammonium (NH4NO3), une forme d'azote qui peut être ajoutée aux sols et utilisée par les plantes.

 

La plupart des fixations d'azote se font naturellement, dans le sol, par des bactéries. La figure 3 (ci-dessus) montre la fixation de l'azote et l'échange de forme dans le sol. Certaines bactéries s'attachent aux racines des plantes et entretiennent avec elles une relation symbiotique (bénéfique à la fois pour la plante et pour la bactérie) [6]. Les bactéries obtiennent de l'énergie grâce à la photosynthèse et, en retour, elles fixent l'azote sous une forme dont la plante a besoin. L'azote fixé est ensuite transporté vers d'autres parties de la plante et est utilisé pour former les tissus végétaux, afin que la plante puisse croître. D'autres bactéries vivent librement dans le sol ou dans l'eau et peuvent fixer l'azote sans cette relation symbiotique. Ces bactéries peuvent également créer des formes d'azote utilisables par les organismes.

 

Figure 3 - Étapes du cycle de l'azote.

Figure 3 - Étapes du cycle de l'azote.

Le cycle de l'azote : Le cycle de l'azote à travers les différentes formes qu'il prend dans le sol détermine la quantité d'azote disponible pour les plantes. Source : https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

ÉTAPE 2 : MINÉRALISATION

Cette étape se déroule dans le sol. L'azote passe des matières organiques, telles que le fumier ou les matières végétales, à une forme inorganique d'azote que les plantes peuvent utiliser. Finalement, les nutriments de la plante sont épuisés et la plante meurt et se décompose. Ceci devient important dans la deuxième étape du cycle de l'azote. La minéralisation se produit lorsque des microbes agissent sur la matière organique, telle que le fumier animal ou la matière végétale ou animale en décomposition, et commencent à la convertir en une forme d'azote utilisable par les plantes. Toutes les plantes cultivées, à l'exception des légumineusesUn membre de la famille des pois : les haricots, les lentilles, le soja, les arachides et les pois, sont des plantes dont les gousses se séparent en deux. Les légumineuses (plantes dont les gousses se séparent en deux, comme les lentilles, les haricots, les pois ou les cacahuètes) obtiennent l'azote dont elles ont besoin par l'intermédiaire du sol. Les légumineuses obtiennent l'azote par la fixation qui se produit dans leurs nodules racinaires, comme décrit ci-dessus.

La première forme d'azote produite par le processus de minéralisation est l'ammoniac, NH3. Le NH3 présent dans le sol réagit ensuite avec l'eau pour former de l'ammonium, NH4. Cet ammonium est retenu dans le sol et peut être utilisé par les plantes qui n'obtiennent pas d'azote par la relation symbiotique de fixation de l'azote décrite ci-dessus.

ÉTAPE 3 : NITRIFICATION

La troisième étape, la nitrification, se produit également dans les sols. Au cours de la nitrification, l'ammoniac présent dans les sols, produit lors de la minéralisation, est converti en composés appelés nitrites, NO2-, et nitrates, NO3-. Les nitrates peuvent être utilisés par les plantes et les animaux qui les consomment. Certaines bactéries présentes dans le sol peuvent transformer l'ammoniac en nitrites. Bien que les nitrites ne soient pas directement utilisables par les plantes et les animaux, d'autres bactéries peuvent transformer les nitrites en nitrates, une forme utilisable par les plantes et les animaux. Cette réaction fournit de l'énergie aux bactéries engagées dans ce processus. Les bactéries dont nous parlons sont appelées nitrosomonas et nitrobacter. Nitrobacter transforme les nitrites en nitrates ; nitrosomonas transforme l'ammoniac en nitrites. Ces deux types de bactéries ne peuvent agir qu'en présence d'oxygène, O2 [7]. Le processus de nitrification est important pour les plantes, car il produit une réserve supplémentaire d'azote disponible qui peut être absorbée par les plantes via leur système racinaire.

ÉTAPE 4 : IMMOBILISATION

La quatrième étape du cycle de l'azote est l'immobilisation, parfois décrite comme l'inverse de la minéralisation. Ensemble, ces deux processus contrôlent la quantité d'azote dans les sols. Tout comme les plantes, les micro-organismesOrganisme, ou être vivant, trop petit pour être vu sans microscope, comme une bactérie. vivant dans le sol ont besoin d'azote comme source d'énergie. Ces micro-organismes du sol extraient l'azote du sol lorsque les résidus des plantes en décomposition n'en contiennent pas suffisamment. Lorsque les micro-organismes absorbent de l'ammonium (NH4+) et du nitrate (NO3-), ces formes d'azote ne sont plus disponibles pour les plantes et peuvent provoquer une carence en azote, c'est-à-dire un manque d'azote. L'immobilisation permet donc de fixer l'azote dans les micro-organismes. Cependant, l'immobilisation est importante car elle permet de contrôler et d'équilibrer la quantité d'azote dans les sols en la fixant, ou en immobilisant l'azote, dans les micro-organismes.

ÉTAPE 5 : DÉNITRIFICATION

Au cours de la cinquième étape du cycle de l'azote, l'azote retourne dans l'air lorsque les nitrates sont convertis en azote atmosphérique (N2) par des bactéries dans le cadre d'un processus appelé dénitrification. Il en résulte une perte globale d'azote dans les sols, la forme gazeuse de l'azote se déplaçant dans l'atmosphère, là où nous avons commencé notre histoire.

L'AZOTE EST INDISPENSABLE À LA VIE

Le cycle de l'azote dans l'écosystème est essentiel pour maintenir des écosystèmes productifs et sains avec ni trop ni trop peu d'azote. La production végétale et la biomasse (matière vivante) sont limitées par la disponibilité de l'azote. Comprendre le fonctionnement du cycle de l'azote entre la plante et le sol peut nous aider à prendre de meilleures décisions quant aux cultures à pratiquer et à l'endroit où elles doivent être pratiquées, afin que nous disposions d'un approvisionnement alimentaire adéquat. La connaissance du cycle de l'azote peut également nous aider à réduire la pollution causée par l'ajout d'une trop grande quantité d'engrais dans les sols. Certaines plantes peuvent absorber plus d'azote ou d'autres nutriments, comme le phosphore, un autre engrais, et peuvent même servir de "tampon" ou de filtre pour empêcher l'excès d'engrais de pénétrer dans les cours d'eau. Par exemple, une étude réalisée par Haycock et Pinay [8] a montré que les peupliers (Populus italica) utilisés comme tampon retenaient 99% du nitrate entrant dans le flux d'eau souterrain pendant l'hiver, tandis qu'une zone riveraine couverte d'une herbe spécifique (Lolium perenne L.) retenait 84% du nitrate, l'empêchant ainsi de pénétrer dans la rivière.

Comme vous l'avez vu, une quantité insuffisante d'azote dans le sol laisse les plantes affamées, tandis qu'un excès d'une bonne chose peut être néfaste : l'excès d'azote peut empoisonner les plantes et même le bétail ! La pollution de nos sources d'eau par l'excédent d'azote et d'autres nutriments est un problème énorme, car la vie marine est asphyxiée par la décomposition des algues mortes. Les agriculteurs et les collectivités doivent s'efforcer d'améliorer l'absorption des nutriments ajoutés par les cultures et de traiter correctement les déchets d'origine animale. Nous devons également protéger les zones tampons végétales naturelles qui peuvent absorber les eaux de ruissellement azotées avant qu'elles n'atteignent les masses d'eau. Mais nos habitudes actuelles de déboisement pour construire des routes et d'autres ouvrages aggravent ce problème, car il reste moins de plantes pour absorber les nutriments excédentaires. Nous devons poursuivre nos recherches afin de déterminer les espèces végétales les mieux adaptées aux zones côtières pour absorber l'excès d'azote. Nous devons également trouver d'autres moyens de résoudre ou d'éviter le problème du déversement de l'azote excédentaire dans les écosystèmes aquatiques. En cherchant à mieux comprendre le cycle de l'azote et les autres cycles en jeu dans les systèmes naturels interconnectés de la Terre, nous pourrons mieux comprendre comment mieux protéger les précieuses ressources naturelles de la Terre.