Contrairement à l'énergie, la matière ne traverse pas l'écosystème : elle y tourne en boucle entre les compartiments vivants et minéraux. Ce chapitre présente le principe des cycles biogéochimiques puis détaille les quatre cycles au programme — eau, carbone, azote, phosphore — avec les micro-organismes qui en assurent les étapes clés. Le cycle de l'azote, avec ses bactéries, est le plus interrogé à l'examen d'Écologie générale S3.
1. Principe des cycles biogéochimiques
Un cycle biogéochimique décrit le trajet d'un élément chimique (C, N, P, S, O, H2O…) entre les réservoirs de la biosphère : atmosphère, hydrosphère, lithosphère (sols et roches) et biomasse. Les êtres vivants prélèvent l'élément sous forme minérale (producteurs), l'incorporent à la matière organique, le transmettent le long des chaînes alimentaires, puis les décomposeurs le restituent au milieu sous forme minérale : c'est la minéralisation. On oppose les cycles gazeux (carbone, azote, oxygène), dont le réservoir principal est l'atmosphère ou l'océan et qui sont rapides et relativement bien tamponnés, aux cycles sédimentaires (phosphore, soufre, calcium), dont le réservoir est la croûte terrestre et qui sont lents, avec de longues immobilisations dans les sédiments. L'activité humaine perturbe aujourd'hui ces cycles à l'échelle planétaire.
Circulation d'un élément chimique entre les compartiments vivants (bio), géologiques (géo) et chimiques de la biosphère, alternant formes organiques et formes minérales.
2. Le cycle de l'eau
L'eau est le solvant de la vie et le vecteur de tous les autres cycles. Le cycle est mû par l'énergie solaire : évaporation des océans (réservoir principal, plus de 97 % de l'eau de la planète) et des eaux continentales, transpiration des végétaux (ensemble : évapotranspiration), condensation en nuages, précipitations, puis ruissellement vers les cours d'eau et les océans ou infiltration vers les nappes phréatiques. Une faible partie seulement est stockée dans la biomasse. La déforestation réduit l'évapotranspiration et l'infiltration au profit du ruissellement et de l'érosion ; au Maroc, la gestion de la ressource en eau (barrages, nappes surexploitées, sécheresses) est un enjeu écologique majeur.
3. Le cycle du carbone
Le carbone circule principalement sous forme de CO2, présent à une concentration de l'ordre de 0,04 % dans l'atmosphère et dissous dans les océans sous forme de bicarbonates et carbonates. La photosynthèse le fait entrer dans la matière organique ; la respiration de tous les organismes, la fermentation et la décomposition le restituent à l'atmosphère. Une partie du carbone échappe au cycle rapide en étant stockée pendant des millions d'années dans les roches carbonatées (calcaires, coquilles, récifs) et les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz). Les océans constituent le plus grand réservoir de carbone échangeable. La combustion des énergies fossiles et la déforestation renvoient brutalement dans l'atmosphère ce carbone stocké, ce qui renforce l'effet de serre et le réchauffement climatique.
4. Le cycle de l'azote
L'azote représente environ 78 % de l'atmosphère sous forme de N2, molécule très stable, inutilisable directement par les plantes et les animaux. Le cycle repose donc entièrement sur des micro-organismes. La fixation transforme N2 en ammoniac ou ammonium : elle est réalisée par des bactéries libres du sol (Azotobacter, Clostridium), des cyanobactéries, et surtout par Rhizobium en symbiose dans les nodosités des légumineuses ; les orages et l'industrie (procédé Haber-Bosch, engrais) fixent aussi de l'azote. L'ammonification est la libération d'ammonium NH4+ par la décomposition de la matière organique morte et des déchets azotés. La nitrification est une oxydation en deux étapes par des bactéries aérobies chimiosynthétiques : Nitrosomonas oxyde NH4+ en nitrites NO2−, puis Nitrobacter oxyde les nitrites en nitrates NO3−.
Les nitrates (et l'ammonium) sont absorbés par les racines : c'est l'assimilation, qui fait entrer l'azote dans les acides aminés, les protéines et les acides nucléiques, transmis ensuite aux consommateurs. Enfin la dénitrification, effectuée en anaérobiose par des bactéries comme Pseudomonas, réduit les nitrates en N2 (ou N2O) qui retourne à l'atmosphère et boucle le cycle. L'excès d'engrais azotés et les rejets urbains entraînent le lessivage des nitrates vers les nappes et l'eutrophisation des eaux de surface : prolifération d'algues, puis désoxygénation et mortalité de la faune aquatique.
Oxydation bactérienne aérobie de l'ammonium en nitrites (Nitrosomonas) puis en nitrates (Nitrobacter), qui rend l'azote assimilable par les végétaux.
5. Le cycle du phosphore
Le phosphore est l'exemple type du cycle sédimentaire : il ne possède pas de phase gazeuse notable. Son réservoir est constitué par les roches phosphatées dont l'érosion libère lentement des ions phosphate PO43−, absorbés par les plantes puis transmis aux animaux, où le phosphore entre dans l'ATP, les acides nucléiques, les phospholipides, les os et les dents. Les décomposeurs le restituent au sol. Une part importante est entraînée par les eaux vers les océans, où elle finit dans les sédiments profonds : le retour vers les continents est très lent (soulèvement géologique) ou passe par les oiseaux marins (guano) et la pêche. Le phosphore est souvent le facteur limitant de la production primaire, en particulier dans les eaux douces, et son apport excessif (engrais, lessives) provoque leur eutrophisation. Le Maroc détient les plus grandes réserves mondiales de phosphates, ce qui lui confère un rôle central dans le cycle anthropique de cet élément.
| Carbone | Azote | Phosphore | |
|---|---|---|---|
| Type de cycle | Gazeux | Gazeux | Sédimentaire |
| Réservoir principal | Océans, roches carbonatées, atmosphère (CO₂) | Atmosphère (N₂, 78 %) | Roches phosphatées, sédiments |
| Entrée dans le vivant | Photosynthèse | Fixation puis assimilation des nitrates | Absorption des phosphates par les racines |
| Retour au milieu | Respiration, décomposition, combustion | Ammonification, nitrification, dénitrification | Décomposition, sédimentation |
| Perturbation humaine | Effet de serre | Eutrophisation, nitrates des nappes | Eutrophisation, épuisement des gisements |
Comparaison des cycles du carbone, de l'azote et du phosphore
- Énergie : flux ouvert et unidirectionnel ; matière : cycles fermés grâce aux décomposeurs.
- Cycles gazeux (C, N, O : rapides) vs cycles sédimentaires (P, S : lents, sans phase gazeuse).
- Carbone : photosynthèse ↔ respiration ; stockage fossile et carbonaté ; combustion → effet de serre.
- Azote : fixation (Rhizobium) → ammonification → nitrification (Nitrosomonas puis Nitrobacter) → assimilation → dénitrification (Pseudomonas).
- Phosphore : roches phosphatées → phosphates → vivant → sédiments ; facteur limitant fréquent ; eutrophisation.
Le schéma du cycle de l'azote à compléter, avec le nom des bactéries à chaque étape et les formes chimiques (N₂, NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻), est la question la plus fréquente de ce chapitre. Piège classique : inverser Nitrosomonas et Nitrobacter, ou confondre fixation (N₂ → NH₄⁺) et dénitrification (NO₃⁻ → N₂). Sache aussi expliquer en quelques lignes l'eutrophisation et distinguer cycle gazeux et cycle sédimentaire.