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Cycle de l’azote (HU)
Traduction anglaise : Nitrogen cycle
Dernière mise à jour : 12/09/2023
Ensemble des transformations que peut subir l'azote entre ses différentes formes physico-chimiques.
Sommaire |
Concepts de base
L'azote est extrêmement abondant sur terre où il constitue près de 80% de la masse de l'atmosphère. Par ailleurs l'azote est l'un des composant principaux du vivant (en particulier des protéines) ce qui en fait un nutriment majeur. Malheureusement l'azote gazeux n'est pas directement assimilable par les plantes, sauf pour quelques unes d'entre elles, les légumineuses, qui vivent en symbiose avec des bactéries capables de le fixer. De ce fait l'azote reste souvent le facteur limitant pour la production agricole, ce qui justifie l'utilisation massive d'engrais azotés dont les sources facilement exploitables se raréfient. A l'inverse, les écosystèmes aquatiques souffrent souvent d'un excès d'azote, d'une part parce que les formes ammoniacales peuvent être toxiques pour de nombreuses espèces, d'autre part parce que l'excès en formes assimilables (nitrites et nitrates) peut déréguler le cycle trophique et provoquer une hyper-eutrophisation de l'écosystème.
Il est donc facile de comprendre que la maîtrise du cycle de l'azote constitue un enjeu important, à la fois pour éviter la dégradation des milieux aquatiques et pour gérer une ressource précieuse.
Principes du cycle de l'azote
Le cycle de l'azote est complexe pour plusieurs raisons, en particulier :
- l'azote peut se présenter sous un grand nombre de formes dans l'environnement, en particulier sous forme minérale ou organique et dans un grand nombre d'états d'oxydation (figure 1) ;
- il existe de nombreuses possibilités d'évolution d'une forme donnée vers une autre forme.
Nous présentons ici un schéma simplifié (figure 2) correspondant aux principales transformations biochimiques qui se produisent dans les milieux aquatiques. Nous ne traiterons pas du cycle global ni des échanges avec la lithosphère qui se font sur des cycles beaucoup plus longs.
Les principales transformations représentées sur ce schéma sont les suivantes :
- (1) : nitritation : Oxydation de l’ammonium en nitrites.
- (2) : nitrosation : Transformation des nitrites en ammonium, selon une équation inverse de celle de la nitritation ; la transformation s’effectue dans un sens ou dans l’autre selon le pH et la quantité d'oxygène dissous disponible.
- (3) : nitratation : Oxydation des nitrites en nitrates.
- (4) : nitrification : Oxydation de l'ammoniac en nitrates ; cette réaction est réalisée en deux étapes successives : la nitritation transformant l’ammonium en nitrites, puis la nitratation transformant les nitrites en nitrates.
- (5) : dénitrification : Réduction des nitrates en nitrites, puis en azote gazeux, par des bactéries anaérobie placées dans des conditions anoxiques.
- (6) : ammonification : transformation de l’azote organique en azote ammoniacal.
- (7) : Fixation de l'azote gazeux : l'azote gazeux, très abondant dans l'atmosphère, est également présent de façon importante dans les milieux aquatiques du fait des échanges permanents entre l'eau et l'air. Il n'est cependant que peu accessible sous cette forme pour la plupart des organismes vivants. Seules les cyanophycées et certaines plantes légumineuses sont capables de le fixer directement pour le transformer en ion ammonium ($ NH_4^+ $). Cette fixation peut devenir importante dans les milieux eutrophes.
- (8) : assimilation : Utilisation des différentes formes de l'azote (principalement formes oxydées) par les plantes pour produire de la matière vivante.
- (9) : absorption : Utilisation des plantes par les animaux pour se nourrir.
- (10) : excrétion : Élimination d'azote organique et ammoniacal par les animaux
- (11) : décomposition : libération d'azote organique par les plantes en décomposition. l
Les apports extérieurs en azote ammoniacal ou en azote oxydé (nitrite et nitrate), provenant notamment d'eaux usées domestiques ou de lisiers, peuvent déséquilibrer ce cycle. Il faut noter que si le phosphore constitue généralement le nutriment limitant dans les écosystèmes d'eau douce, c'est l'azote qui joue le plus souvent ce rôle dans les écosystèmes marins. De ce fait les apports excédentaires en nitrites ou nitrates affectent davantage les écosystèmes marins (marées vertes).
Élimination de l'azote dans les stations d'épuration
Dans les stations d'épuration le premier objectif consiste à oxyder les formes ammoniacales toxiques ($ NH_3 $ et $ NH_4^+ $) ; on essaie ensuite d'optimiser les étapes de nitrification-dénitrification pour éliminer les formes oxydées résultantes ($ NO_2^- $ et $ NO_3^- $), de façon à ne rejeter que de l'azote gazeux (voir figure 3).
Récupération de l'azote
L'azote constitue une ressource rare, particulièrement avec les sanctions contre la Russie qui en est le principal exportateur mondial. Sa récupération dans les rejets urbains constitue un enjeu important. Différentes méthodes sont envisageables et plus ou moins développées :
- La valorisation agricole des boues, c'est le procédé le plus classique mais il est très peu efficace, moins de 10% de l'azote arrivant à la station étant effectivement fixé sur les boues ;
- l'épandage des eaux usées traitées, ce procédé est aujourd'hui peu utilisé en France mais il l'est dans les pays manquant d'eau, en particulier Israel, il permet de récupérer environ 40% de l'azote arrivant à la station ; il est probable qu'il va se développer davantage avec la volonté actuelle de simplifier les règles de réutilisation des eaux usées traitées (voir le plan eau) ;
- la récupération à la source, en utilisant la collecte séparée des urines, actuellement testée à titre expérimental par diverses collectivités, constitue le moyen le plus efficace avec un taux de récupération qui peut atteindre 80% (sur les urines collectées), mais nécessite la mise en place d'infrastructure adaptée et probablement des efforts importants d'information.
Pour en savoir plus :
