GEOCHIMIE DU RESEAU HYDROGRAPHIQUE DU BASSIN CENTRE (SOUMMAM, ISSER ET SEBAOU)

 Importance biologique et cycle de l’azote

Les plantes s’alimentent dans le sol à partir d’azote minéral et le transforment en protéines, composants essentiels de la vie pour l’homme et les animaux. L’azote est présent dans la nature sous deux états : À l’état libre, sous forme de N2, où il constitue 78 % de l’air que nous respirons. À l’état combiné, sous forme minérale – ammoniaque, nitrite, nitrate – ou sous forme organique.

Les nitrates (NO3) Substances chimiques naturelles qui entrent dans le cycle de l’azote. Le nitrate est beaucoup utilisé dans les engrais inorganiques et les explosifs, comme agent de conservation des aliments et comme substance chimique brute dans divers procédés industriels. Le nitrate représente la plus stable des deux formes de l’azote, mais sous l’action microbienne, il peut être réduit en nitrite (NO2), qui est la forme la plus toxique. Il est présent à l’état naturel partout dans l’environnement. Il est le produit de l’oxydation de l’azote de l’atmosphère (représente 78 %) par les microorganismes des plantes, du sol ou de l’eau. Toutes les sources d’azote sont des sources potentielles de nitrate. Dans l’eau, ces substances peuvent provenir de la décomposition de matières végétales ou animales, d’engrais utilisés en agriculture, du fumier, d’eaux usées domestiques et industrielles, des précipitations ou de formations géologiques renfermant des composés azotés solubles. Normalement, la concentration de nitrates dans les eaux souterraines et les eaux de surface est faible, mais elle peut atteindre des niveaux élevés à cause du lessivage des terres cultivées ou de la contamination par des déchets d’origine humaine ou animale. L’ion nitrate (NO3) est la principale forme d’azote inorganique trouvée dans les eaux naturelles. Il constitue le stade final de l’oxydation de l’azote. C’est une forme très soluble.

Les nitrites (NO2)

Substances chimiques naturelles qui entrent dans le cycle de l’azote. C’est un composé minéral d’azote et d’oxygène de la dégradation des organismes il est rapidement et naturellement oxydé en ion nitrate. Les nitrites ou azote nitreux, représentent une forme moins oxygénée et moins stable, elle représente la forme du passage entre les nitrates et l’ pour cette raison, se retrouve rarement en concentration importante dans les eaux naturelles, des concentrations trop élevées de nitrites toxiques pour la faune aquatique et provoquer une maladie infantile (méthémoglobinémie). 

L’ammonium (NH4)

L’azote ammoniacal est toxique pour la vie aquatique. Le critère de toxicité n’est pas fixe mais variable selon le pH et la température. Dans les eaux naturelles, l’azote ammoniacal provient principalement soit du lessivage des terres agricoles ainsi que des eaux usées d’origine municipale et industrielle, soit par réduction des formes azotées (nitrates et nitrites) en conditions réduites. Le transfert de la forme ammonium vers les nitrites et les nitrates se fait par oxydation, cette réaction est rapide en présence de l’oxygène. La forte teneur en oxygène accroissent la concentration en ammonium dans l’eau. Figure 1 : cycle simplifié de l’azote.

Nutriments et environnement

Substances chimiques naturelles qui entrent dans le cycle de l’azote. C’est un composé minéral d’azote et d’oxygène de formule NO2. Il est le premier résultat de la dégradation des organismes végétaux et animaux en milieu aqueux. Très toxique, il est rapidement et naturellement oxydé en ion nitrate. ou azote nitreux, représentent une forme moins oxygénée et moins stable, elle représente la forme du passage entre les nitrates et l’ pour cette raison, se retrouve rarement en concentration importante dans les eaux naturelles, des concentrations trop élevées de nitrites-nitrates peuvent être toxiques pour la faune aquatique et provoquer une maladie infantile L’azote ammoniacal est toxique pour la vie aquatique. Le critère de toxicité n’est pas fixe mais variable selon le pH et la température. Dans les eaux naturelles, l’azote ammoniacal provient principalement soit du lessivage des terres agricoles ainsi que es eaux usées d’origine municipale et industrielle, soit par réduction des formes azotées (nitrates et nitrites) en conditions réduites. Le transfert de la forme ammonium vers les nitrites et les nitrates se fait par oxydation, cette réaction est présence de l’oxygène. La forte teneur en carbone et la faible teneur en oxygène accroissent la concentration en ammonium dans l’eau. de l’azote. 14 Substances chimiques naturelles qui entrent dans le cycle de l’azote. C’est un . Il est le premier résultat de végétaux et animaux en milieu aqueux. Très toxique, ou azote nitreux, représentent une forme moins oxygénée et moins stable, elle représente la forme du passage entre les nitrates et l’ammonium, et pour cette raison, se retrouve rarement en concentration importante dans les eaux nitrates peuvent être toxiques pour la faune aquatique et provoquer une maladie infantile L’azote ammoniacal est toxique pour la vie aquatique. Le critère de toxicité n’est pas fixe mais variable selon le pH et la température. Dans les eaux naturelles, l’azote ammoniacal provient principalement soit du lessivage des terres agricoles ainsi que es eaux usées d’origine municipale et industrielle, soit par réduction des formes azotées (nitrates et nitrites) en conditions réduites. Le transfert de la forme ammonium vers les nitrites et les nitrates se fait par oxydation, cette réaction est carbone et la faible teneur en 

Importance biologique et Cycle de phosphore

Comme dans le cas de l’azote (N), le phosphore (P) est important pour la Vie puisqu’il est essentiel composé plusieurs formes à savoir: phosphosucres, adénosines, acides nucléiques (ADN et ARN), phospholipides, phosphonates, réactifs biochimiques intermédiaires (phosphocréatinine, phosphoenolpyruvate). (Monaghan et Ruttenberg, 1999) On le retrouve aussi dans le squelette des organismes sous forme de PO4. Dans la Terre primitive, tout le phosphore se trouvait dans les roches ignées. C’est par l’altération superficielle de ces dernières sur les continents que le phosphore a été progressivement transféré vers les océans. Le cycle du phosphore est unique parmi les cycles biogéochimiques majeurs: il ne possède pas de composante gazeuse, du moins en quantité significative, et par conséquent n’affecte pratiquement pas l’atmosphère. Il se distingue aussi des autres cycles par le fait que le transfert de phosphore (P) d’un réservoir à un autre n’est pas contrôlé par des réactions microbiennes, comme c’est le cas par exemple pour l’azote. Pratiquement tout le phosphore en milieu terrestre est dérivé de l’altération des phosphates de calcium des roches de surface, principalement de l’apatite. Bien que les sols contiennent un grand volume de phosphore, une petite partie seulement est accessible aux organismes vivants. Ce phosphore est absorbé par les plantes et transféré aux animaux par leur alimentation. Une partie est retournée aux sols à partir des excréments des animaux et de la matière organique morte. Une autre partie est transportée vers les océans où une fraction est utilisée par les organismes benthiques et ceux du plancton pour secréter leur squelette; l’autre fraction se dépose au fond de l’océan sous forme d’organismes morts ou de particules et est intégrée aux sédiments. Ces derniers sont transformés progressivement en roches sédimentaires par l’enfouissement; beaucoup plus tard, les roches sont ramenées à la surface par les mouvements tectoniques et le cycle recommence. Le phosphore est un élément limitant dans plusieurs écosystèmes terrestres, du fait qu’il n’y a pas de grand réservoir atmosphérique de phosphore comme c’est le cas pour le carbone, l’oxygène et l’azote, et que sa disponibilité est directement liée à  l’altération superficielle des roches. Il n’est pas clair si cette limitation est applicable à l’océan, mais la plupart des chercheurs considèrent qu’elle le serait sur une longue échelle de temps. L’activité humaine intervient dans le cycle du phosphore en exploitant des mines de phosphate en grande partie pour la fabrication des fertilisants. Ajoutés aux sols en excès, les phosphates sont drainés vers les systèmes aquatiques. Puisque le phosphore est souvent un nutriment limitatif dans les rivières, les lacs et les eaux marines côtières, une addition de phosphore dans ces systèmes peut agir comme fertilisant et générer des problèmes d’eutrophisation (forte productivité biologique résultant d’un excès de nutriments). Figure 2: Cycle simplifié du phosphore. (http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.phosphore.html)

Importance biologique et cycle de Silicium

Le silicium (symbole Si, numéro atomique 14) ne se trouve pas à l’état natif, mais constitue, sous forme de silice et de silicates, l’élément le plus abondant à la surface du globe (environ 28 %), après l’oxygène. Son nom vient du latin silex : caillou. Lavoisier avait soupçonné son existence en 1787, mais ce n’est qu’en 1811 qu’il fut découvert par Gay-Lussac et Thenard. En 1823, Berzelius l’isola dans un état de pureté suffisant pour pouvoir en aborder l’étude. Le silicium dissous de l’eau de mer  est présent sous différentes formes chimiques éventuellement disponibles pour les diatomées qui sont des microalgues unicellulaires ayant la particularité d’être entourées d’une paroi siliceuse appelée frustule. Les diatomées sont la principale source de silice biogénique à l’échelle de la planète, le métabolisme du silicium constitue chez ces microalgues un métabolisme majeur au même titre que celui du carbone ou de l’azote. En effet, le silicium est indispensable à leur croissance et à la division cellulaire. Sur un autre plan économique l’utilisation du silicium est vaste, par exemple on l’utilise pour réaliser des transistors, des microprocesseurs, des circuits mémoires. Les silicates (comme les silicates d’aluminium, de calcium et de magnésium) sont les principaux constituants des argiles, des sols et des roches (Quéguiner, 2007). Le silicium joue un rôle primordial dans le cycle global de la matière en particulier dans le cycle du carbone. Il contribue doublement à l’élimination du carbone atmosphérique par : (1) Lessivage selon la réaction : CaAl2Si2O8 + 2CO2+ 8H2O → Ca2+ + 2Al(OH)3 + 2H4SiO4 + 2HCO3 où le carbone est transféré et stocké dans les biogéosystèmes marins (Berner, 1995 ; Kemp et al., 2001). (2) Élimination dans les fonds marins sous forme de boues à diatomées. (Rousseau et al., 2002) montrent expérimentalement que les espèces de diatomées sont différemment silicifiées où le rapport Si/C varie entre 0,2 et 0,74 En fait, le rôle de la mer dans l’archivage global du Carbone est directement couplée au cycle global du silicium, car les diatomées (plancton végétal de taille microscopique), utilisant le Si dans leurs carapaces, forment actuellement 60% du phytoplancton global (Ragueneau et al., 2000 ; Tréguer et al., 1995 ; Yool and Tyrrell, 2003). Les diatomées absorbent le CO2 atmosphérique dissous dans l’eau de mer et les sels nutritifs (N, P et Si) pour fabriquer leur propre matière organique et leur enveloppe formée essentiellement de Si selon la réaction : 106CO2 + 121H2O + 15NH3 + 15 SiH4O4 + H3PO4 → 106(CH2O)15(NH3)15Si(OH)4H3PO4  L’élimination biologique du carbone par les diatomées se fait à raison de 1 mole de Si pour 7 moles de C. En conséquence, toute augmentation des apports en Si à la mer s’accompagne d’une augmentation du flux du Carbone dans les sédiments marins et implique donc l’élimination de quantités importante de Carbone atmosphérique (comme le montre la réaction 2). Les variations des flux de Si des rivières à la mer sont dépondant de la lithologie, du taux d’érosion, du climat et de la production des diatomées (Conley, 1997 ; Sommer et al., 2006).