Sciences · Biologie
Le cycle de l’azote
Le cycle de l’azote est la suite de transformations par lesquelles l’azote de l’air devient assimilable par les êtres vivants, puis retourne à l’atmosphère, grâce surtout aux bactéries du sol.
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L’azote est indispensable à la vie : il entre dans la composition des acides aminés, donc des protéines, et des bases de l’ADN et de l’ARN. Paradoxalement, il est partout et pourtant rare pour les êtres vivants. L’air en contient 78 %, sous forme de diazote (N2), une molécule si stable que ni les plantes ni les animaux ne peuvent l’utiliser. Seuls quelques micro-organismes savent briser sa triple liaison. Le cycle de l’azote est donc, avant tout, une affaire de bactéries et d'archées.
Les étapes du cycle
| Étape | Transformation | Acteurs |
|---|---|---|
| Fixation | N2 de l’air → ammoniac/ammonium (NH3/NH4+) | Bactéries fixatrices, foudre, industrie |
| Assimilation | Ammonium et nitrates → matière organique | Plantes, algues, micro-organismes |
| Transfert | Matière organique végétale → animale | Chaînes alimentaires |
| Ammonification | Matière organique morte, excréments → ammonium | Bactéries et champignons décomposeurs |
| Nitrification | Ammonium → nitrites → nitrates | Bactéries et archées nitrifiantes (milieu oxygéné) |
| Dénitrification | Nitrates → N2 (et un peu de N2O) retournant à l’air | Bactéries dénitrifiantes (milieu sans oxygène) |
| Anammox | Ammonium + nitrites → N2 | Bactéries anaérobies, surtout en mer |
1. La fixation de l’azote
C’est la porte d’entrée. Elle repose sur une enzyme, la nitrogénase, qui ne fonctionne qu’à l’abri de l’oxygène et consomme beaucoup d’énergie (environ 16 molécules d'ATP par molécule de N2 fixée).
- Bactéries symbiotiques : les Rhizobium vivent dans les nodosités des racines des légumineuses (pois, haricots, lentilles, trèfle, luzerne, soja), qui leur fournissent sucres et un milieu pauvre en oxygène (voir symbiose). D’autres bactéries, les Frankia, s’associent à l’aulne.
- Bactéries libres du sol (Azotobacter) et cyanobactéries des rizières et des océans.
- La foudre, qui combine azote et oxygène en oxydes d’azote, ensuite lessivés par la pluie : une contribution mineure.
- L’industrie, par le procédé Haber-Bosch (voir plus bas).
2. L’assimilation
Les plantes absorbent par leurs racines surtout les nitrates et l'ammonium et les incorporent dans leurs acides aminés. Les animaux obtiennent leur azote en mangeant des plantes ou d’autres animaux.
3. L’ammonification
À la mort des organismes, et dans les excréments et l’urine (urée, acide urique), l’azote organique est décomposé en ammonium par les décomposeurs du sol.
4. La nitrification
En présence d’oxygène, des micro-organismes oxydent l’ammonium en deux temps : en nitrites (bactéries Nitrosomonas, archées du sol et de l’océan), puis en nitrates (Nitrobacter, Nitrospira). Les nitrates, très solubles, sont la forme d’azote préférée de la plupart des plantes cultivées, mais aussi la plus facilement entraînée vers les nappes et les rivières.
5. La dénitrification
Dans les sols gorgés d’eau et les sédiments, des bactéries utilisent les nitrates à la place de l’oxygène pour respirer et libèrent du N2, qui retourne à l’atmosphère. Le cycle est bouclé. Une petite partie est rejetée sous forme de protoxyde d’azote (N2O), un puissant gaz à effet de serre, qui détruit aussi la couche d’ozone.
Le procédé Haber-Bosch, une révolution
Mis au point en 1909 par le chimiste Fritz Haber et industrialisé par Carl Bosch, ce procédé fabrique de l’ammoniac à partir du N2 de l’air et d’hydrogène, à haute température et sous forte pression, en présence d’un catalyseur à base de fer. Il a valu un prix Nobel à chacun (1918 et 1931). Il permet de produire des engrais azotés en masse : on estime qu’il nourrit indirectement environ la moitié de l’humanité actuelle. Il consomme environ 1 à 2 % de l’énergie mondiale, essentiellement du gaz naturel.
Les effets de l’excès d’azote
Les activités humaines (engrais, élevage, combustion) fixent aujourd’hui plus d’azote que l’ensemble des processus naturels terrestres. Conséquences :
| Problème | Cause | Effet |
|---|---|---|
| Eutrophisation | Nitrates et phosphates entraînés vers les eaux | Prolifération d’algues, manque d’oxygène, mort des poissons |
| Algues vertes | Excès de nitrates d’origine agricole sur le littoral | Marées vertes en Bretagne ; l’hydrogène sulfuré dégagé par leur décomposition est toxique |
| Zones mortes marines | Apports des grands fleuves | Golfe du Mexique, mer Baltique |
| Pollution des nappes | Lessivage des nitrates | Limite de potabilité fixée à 50 mg/L dans l’Union européenne |
| Gaz à effet de serre | Émissions de N2O par les sols fertilisés | Contribution au réchauffement climatique |
| Pluies acides et particules | Oxydes d’azote et ammoniac | Voir pluies acides |
Les bonnes pratiques agricoles
- Introduire des légumineuses dans les rotations pour enrichir naturellement le sol.
- Implanter des cultures intermédiaires (« pièges à nitrates ») qui couvrent le sol en hiver.
- Ajuster les apports d’engrais aux besoins réels de la culture et au bon moment.
- Préserver les haies, bandes enherbées et zones humides, où la dénitrification élimine une partie des nitrates.
Questions fréquentes
Pourquoi les plantes ne peuvent-elles pas utiliser l’azote de l’air ?
Parce que les deux atomes du diazote sont unis par une triple liaison très solide. Aucune plante ne possède l’enzyme capable de la rompre ; elles dépendent donc des bactéries fixatrices ou des engrais.
Pourquoi plante-t-on des légumineuses ?
Grâce à leurs bactéries symbiotiques, les légumineuses fixent l’azote de l’air et laissent un sol plus riche en azote après la récolte. Cette pratique, connue depuis l’Antiquité, est au cœur de l’agriculture biologique.
Les nitrates sont-ils dangereux ?
À forte dose dans l’eau de boisson, ils présentent surtout un risque pour les nourrissons, d’où la limite réglementaire de 50 mg/L. Leur principal impact est environnemental : l’eutrophisation des eaux.