Comprendre le cycle de l’azote

Le cycle de l’azote. Image © NH Animations

Biologie, Chimie, Sciences environnementales, Agriculture, Incidences de l’activité humaine sur les écosystèmes, Pollution

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Qu’est-ce que le cycle de l’azote? Quelles sont les incidences des activités humaines sur ce cycle et pourquoi cela cause-t-il des gaz à effet de serre?

L’azote gazeux (N2) constitue 78 % de l’atmosphère de la Terre. Cela fait beaucoup d’azote dans l’air! Mais à quoi l’azote sert-il? Pour répondre à cette question, nous allons examiner le cycle de l’azote.

Le cycle de l’azote décrit la manière dont l’azote circule dans l’environnement. Il a beaucoup d’incidences importantes sur la planète. Par exemple, il aide de nombreux êtres vivants à recevoir l’azote nécessaire à leur survie.

Apprenons-en plus sur ce cycle, en commençant par ses trois étapes : la fixation de l’azote, la nitrification et la dénitrification. Ensuite, nous examinerons les incidences des activités humaines sur lui.

Étape 1 : La fixation de l’azote

Équation simplifiée (non équilibrée) de la réaction chimique de la conversion de l’azote gazeux en ammoniac

N₂ + H⁺ → NH₃ + H₂

Tous les êtres vivants ont besoin d’azote. L’azote est l’un des éléments constitutifs de tous les acides aminés. Les acides aminés se combinent pour former des protéines, qui sont des composantes importantes des cellules. L’azote est aussi un élément essentiel de la chlorophylle, dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse.

Cependant, ton organisme ne peut pas utiliser directement l’azote gazeux présent dans l’air. Les autres animaux et les plantes ne le peuvent pas non plus. C’est pourquoi la première étape du cycle de l’azote est si importante. Elle permet de transformer l’azote gazeux en une forme que les êtres vivants peuvent assimiler. Ainsi, les plantes peuvent absorber une molécule à base d’azote appelée ammoniac (NH₃). L’ammoniac est constitué d’un atome d’azote lié à trois atomes d’hydrogène.

Il existe diverses façons de représenter la molécule d’ammoniac, notamment la formule chimique, la structure en deux dimensions et le modèle boules-bâtonnets (sources : Radio89 [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons et Ben Mills via Wikimedia Commons).

L’azote gazeux est constitué de deux atomes d’azote liés entre eux. Le processus de conversion de l’azote gazeux en ammoniac s’appelle la fixation de l’azote.

La fixation de l’azote peut se produire dans différents milieux. Ainsi, dans le sol, elle peut se faire par l’intermédiaire de bactéries qui y sont présentes ou de bactéries se trouvant dans les racines de certaines plantes, notamment de nombreuses légumineuses. La fixation de l’azote peut aussi avoir lieu dans l’air grâce à la foudre. Enfin, elle se fait dans les océans. On parle alors de « fixation de l’azote océanique ». L’ammoniac qui résulte de ce processus est absorbé par le phytoplancton. Une nouvelle étude montre que c’est dans les zones côtières que le taux de fixation de l’azote océanique est le plus élevé (lien en anglais).

Quand l’azote est sous forme d’ammoniac, les végétaux peuvent l’absorber et le métaboliser. Les animaux, dont les êtres humains, absorbent l’azote dont ils ont besoin en mangeant ces végétaux.

Le savais-tu?

Les légumineuses, comme les pois et les haricots, sont capables de fixer l’azote.

Étape 2 : La nitrification

Équation simplifiée de la réaction chimique de la conversion de l’ammoniac en nitrite

NH₃ + O₂ → NO₂− + H⁺

Équation de la réaction chimique de la conversion du nitrite en nitrate

2 NO₂− + O₂ → 2 NO₃−

La nitrification est la deuxième étape du cycle de l’azote. Tout l’ammoniac produit à l’étape de la fixation de l’azote n’est pas absorbé par les végétaux. Les bactéries présentes dans le sol peuvent en utiliser une partie pour fabriquer du nitrite (NO₂-). Le nitrite peut ensuite être converti en nitrate (NO₃-,), qui participe lui aussi à la croissance des végétaux.

La nitrification est un processus aérobie. Cela signifie que ce processus a besoin d’oxygène (O2) pour avoir lieu. Pour créer du nitrate et du nitrite, un atome d’azote doit se lier à des atomes d’oxygène.

Représentation du cycle de l’azote, comprenant la fixation, la nitrification et la dénitrification (source : Eme Chicano via Wikimedia Commons).

Étape 3 : La dénitrification

La dénitrification est la dernière étape du cycle de l’azote. Elle se produit quand certains types de bactéries absorbent du nitrate et le transforment en azote gazeux, qui est libéré dans l’air. Contrairement à la nitrification, la dénitrification est un processus anaérobie. Cela signifie que ce processus n’a pas besoin d’oxygène pour avoir lieu.

Quelles sont les incidences des activités humaines sur le cycle de l’azote?

Équation simplifiée de la réaction chimique de la conversion du nitrate en azote gazeux

NO₃− → NO₂− → NO + N₂O → N₂

Les activités humaines peuvent avoir des incidences potentiellement néfastes sur le cycle de l’azote. Certaines activités peuvent provoquer une augmentation du niveau d’azote à certaines étapes du cycle.

Photo montrant une prolifération d’algues dans le lac Érié. Ce lac, qui borde une partie du sud de l’Ontario, a subi les effets de l’eutrophisation à différentes époques depuis les années 1970 (NOAA via Wikimedia Commons).

Par exemple, certains engrais contiennent de l’azote sous forme d’ammoniac et de nitrate. Si l’on utilise trop de ces engrais, le surplus d’azote peut ruisseler dans les cours d’eau environnants et provoquer ce que l’on appelle leur eutrophisation. L’eutrophisation est un processus au cours duquel un excès d’éléments nutritifs dans l’eau entraîne une croissance rapide des algues et des végétaux appelée prolifération d’algues. Lorsque ces algues meurent, leurs microbes se décomposent. Cette décomposition consomme énormément d’oxygène dissous, et celui-ci se raréfie à un point tel que peu d’organismes arrivent à survivre dans ce milieu. Les poissons et certaines zones de la région touchée finissent par mourir. Ces zones sont parfois appelées « zones mortes ».

Les processus de nitrification et de dénitrification produisent un puissant gaz à effet de serre appelé oxyde nitreux (N₂O). Cependant, environ 40 % de l’oxyde nitreux présent dans l’atmosphère résultent des activités humaines. Par exemple, certaines activités agricoles font augmenter la teneur en azote du sol, ce qui intensifie les processus de nitrification et de dénitrification, et, au bout du compte, accroît la quantité d’oxyde nitreux libéré dans l’atmosphère.

L’une des solutions pour réduire l’eutrophisation et les émissions d’oxyde nitreux serait que les jardiniers et les agriculteurs utilisent uniquement la quantité d’engrais dont leurs plantes ont besoin. Hélas, c’est plus facile à dire qu’à faire, car il peut être très difficile de déterminer la juste quantité.

Les végétaux, les animaux et les bactéries ont vraiment besoin d’azote pour se développer. Grâce au cycle de l’azote, l’azote présent dans l’atmosphère est transformé en une forme assimilable pour eux. Le cycle de l’azote influe de nombreuses manières différentes sur la vie sur notre planète. Ainsi, il permet notamment à ton organisme de recevoir la dose quotidienne d’azote dont tu as besoin!

Points de départ

L’eutrophisation a-t-elle déjà influencé tes choix d’activités de loisirs, comme nager ou faire du bateau? Justifie ta réponse.

De quelle manière les activités humaines ayant des incidences sur le cycle de l’azote influent-elles sur ta vie quotidienne ou tes loisirs? Développe ta réponse.
Décris deux conséquences environnementales, sociales et économiques des activités humaines ayant des incidences sur le cycle de l’azote.
Explique comment l’eutrophisation des lacs, des étangs ou des rivières due à certaines activités agricoles illustre les interactions entre la science, les technologies, la société et l’environnement.
L’azote est un intrant important et coûteux dans la production agricole. Pourquoi certains agriculteurs utilisent-ils de l’engrais? Comment déterminent-ils la quantité d’engrais nécessaire à leurs cultures? Quels facteurs influent sur le coût d’un engrais azoté? (Remarque : Cette question peut nécessiter des recherches supplémentaires.)

Le cycle de l’azote comprend plusieurs étapes. À l’aide des équations chimiques présentées dans l’article, explique comment l’azote circule dans un écosystème.
Explique le rôle et les interactions des végétaux, des animaux et des bactéries dans le cycle de l’azote.
Quel rôle l’azote joue-t-il dans l’accumulation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère? Quelles formes d’azote présentes dans l’atmosphère sont particulièrement problématiques? Pourquoi?
Que se passerait-il si la quantité d’azote d’un écosystème chutait drastiquement? Explique ta réponse.
Quelle forme d’azote contribue au problème des pluies acides? Quelle est l’origine de cette forme d’azote?

Notre compréhension scientifique du cycle de l’azote nous a permis de créer des technologies comme les engrais. Doit-on blâmer la science pour les effets négatifs des technologies créées (p. ex. la surutilisation des engrais chimiques)? Pourquoi?
Tu soupçonnes qu’un lac est en cours d’eutrophisation à cause d’activités humaines. Si tu devais mener une étude scientifique pour vérifier tes soupçons, que mesurerais-tu? (Variables dépendantes/variables réponses, etc.). Quelles variables utiliserais-tu comme constantes? Quelles variables (indépendantes/ manipulées) ferais-tu varier?

Cet article peut servir pour des activités d’enseignement et d’apprentissage dans les catégories « Biologie », « Chimie » et « Terre & Environnement » afin d’aborder le cycle de l’azote. Parmi les concepts présentés, citons le cycle de l’azote, la fixation de l’azote, la nitrification, la dénitrification et la prolifération d’algues.
Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage Discussion écrite sur un thème afin d’aider ceux-ci à consolider leurs nouvelles connaissances. Pour cet article, des fiches reproductibles prêtes à utiliser de la Discussion écrite sur un thème sont disponibles aux formats [Google doc] et [.pdf].
Afin d’aider les élèves à consolider les connaissances acquises grâce à cet article, les enseignants peuvent leur demander de traiter un sujet clé, par exemple : « Explique les processus de fixation de l’azote, de nitrification et de dénitrification » ou « Explique le lien entre les pluies acides ou l’eutrophisation et le cycle de l’azote ».
Les élèves peuvent aussi consolider leur compréhension du cycle de l’azote en créant un diagramme sur le modèle de celui présenté dans l’article, montrant tous les différents chemins que l’azote emprunte dans l’environnement.
L’une des incidences négatives de l’activité humaine sur le cycle de l’azote est la production d’oxyde nitreux, qui est un gaz à effet de serre. Les enseignants peuvent demander aux élèves de recenser quelques-uns des moyens par lesquels ceux-ci ont appris des choses sur les gaz à effet de serre en dehors de la classe (documents publicitaires, documentaires, émissions radiophoniques, etc.). Les élèves peuvent aussi créer un autre support pour informer le public sur les gaz à effet de serre.
Les agriculteurs pourraient lutter contre l’eutrophisation et les émissions d’oxyde nitreux en utilisant la juste quantité d’engrais. Demandez aux élèves de trouver un moyen de convaincre les agriculteurs de l’importance de ne pas utiliser trop d’engrais.

Déterminer les variables (Processus scientifique Tomatosphère^MC)

Connecter et Relier

L’eutrophisation a-t-elle déjà influencé tes choix d’activités de loisirs, comme nager ou faire du bateau? Justifie ta réponse.

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

De quelle manière les activités humaines ayant des incidences sur le cycle de l’azote influent-elles sur ta vie quotidienne ou tes loisirs? Développe ta réponse.
Décris deux conséquences environnementales, sociales et économiques des activités humaines ayant des incidences sur le cycle de l’azote.
Explique comment l’eutrophisation des lacs, des étangs ou des rivières due à certaines activités agricoles illustre les interactions entre la science, les technologies, la société et l’environnement.
L’azote est un intrant important et coûteux dans la production agricole. Pourquoi certains agriculteurs utilisent-ils de l’engrais? Comment déterminent-ils la quantité d’engrais nécessaire à leurs cultures? Quels facteurs influent sur le coût d’un engrais azoté? (Remarque : Cette question peut nécessiter des recherches supplémentaires.)

Explorer les Concepts

Le cycle de l’azote comprend plusieurs étapes. À l’aide des équations chimiques présentées dans l’article, explique comment l’azote circule dans un écosystème.
Explique le rôle et les interactions des végétaux, des animaux et des bactéries dans le cycle de l’azote.
Quel rôle l’azote joue-t-il dans l’accumulation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère? Quelles formes d’azote présentes dans l’atmosphère sont particulièrement problématiques? Pourquoi?
Que se passerait-il si la quantité d’azote d’un écosystème chutait drastiquement? Explique ta réponse.
Quelle forme d’azote contribue au problème des pluies acides? Quelle est l’origine de cette forme d’azote?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

Notre compréhension scientifique du cycle de l’azote nous a permis de créer des technologies comme les engrais. Doit-on blâmer la science pour les effets négatifs des technologies créées (p. ex. la surutilisation des engrais chimiques)? Pourquoi?
Tu soupçonnes qu’un lac est en cours d’eutrophisation à cause d’activités humaines. Si tu devais mener une étude scientifique pour vérifier tes soupçons, que mesurerais-tu? (Variables dépendantes/variables réponses, etc.). Quelles variables utiliserais-tu comme constantes? Quelles variables (indépendantes/ manipulées) ferais-tu varier?

Suggestions d'enseignement

Cet article peut servir pour des activités d’enseignement et d’apprentissage dans les catégories « Biologie », « Chimie » et « Terre & Environnement » afin d’aborder le cycle de l’azote. Parmi les concepts présentés, citons le cycle de l’azote, la fixation de l’azote, la nitrification, la dénitrification et la prolifération d’algues.
Après la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage Discussion écrite sur un thème afin d’aider ceux-ci à consolider leurs nouvelles connaissances. Pour cet article, des fiches reproductibles prêtes à utiliser de la Discussion écrite sur un thème sont disponibles aux formats [Google doc] et [.pdf].
Afin d’aider les élèves à consolider les connaissances acquises grâce à cet article, les enseignants peuvent leur demander de traiter un sujet clé, par exemple : « Explique les processus de fixation de l’azote, de nitrification et de dénitrification » ou « Explique le lien entre les pluies acides ou l’eutrophisation et le cycle de l’azote ».
Les élèves peuvent aussi consolider leur compréhension du cycle de l’azote en créant un diagramme sur le modèle de celui présenté dans l’article, montrant tous les différents chemins que l’azote emprunte dans l’environnement.
L’une des incidences négatives de l’activité humaine sur le cycle de l’azote est la production d’oxyde nitreux, qui est un gaz à effet de serre. Les enseignants peuvent demander aux élèves de recenser quelques-uns des moyens par lesquels ceux-ci ont appris des choses sur les gaz à effet de serre en dehors de la classe (documents publicitaires, documentaires, émissions radiophoniques, etc.). Les élèves peuvent aussi créer un autre support pour informer le public sur les gaz à effet de serre.
Les agriculteurs pourraient lutter contre l’eutrophisation et les émissions d’oxyde nitreux en utilisant la juste quantité d’engrais. Demandez aux élèves de trouver un moyen de convaincre les agriculteurs de l’importance de ne pas utiliser trop d’engrais.

Ressources additionnelles

Déterminer les variables (Processus scientifique Tomatosphère^MC)

Indicateur du risque de contamination de l'eau par l'azote - Une ressource avancée du gouvernement du Canada (Agriculture et Agroalimentaire Canada) montrant comment le gouvernement évalue le risque de contamination par l'azote dans le sol et dans l'eau.