Les cycles de la matière

Expliquer la différence entre un cycle biogéochimique gazeux et un cycle sédimentaire, et classer dans l'un des deux types les cycles du carbone, de l'azote et du phosphore, en justifiant votre choix.

Définir réservoir et flux dans un cycle biogéochimique, et identifier un réservoir et un flux précis dans le cycle du carbone, en expliquant quel processus entretient ce flux.

Expliquer ce qu'est la décomposition de la matière organique, quels groupes d'organismes la réalisent et pourquoi les cycles de la matière s'arrêteraient sans eux, même s'il y avait toujours des producteurs.

Écrire les équations chimiques globales de la photosynthèse et de la respiration cellulaire aérobie, et expliquer quel rôle jouent ces deux processus, en sens opposés, dans le cycle du carbone.

Expliquer quel rôle joue le phytoplancton dans le cycle du carbone océanique et pourquoi on dit que les océans agissent comme une éponge pour le $\text{CO}_2$ atmosphérique.

La combustion de l'essence et la respiration cellulaire libèrent du $\text{CO}_2$. Expliquer ce que ces deux processus ont en commun sur le plan chimique, en quoi ils diffèrent et pourquoi un seul des deux a fait partie du cycle naturel du carbone pendant des millions d'années.

Le schéma représente les principaux réservoirs et flux du cycle du carbone. Nommer les processus désignés par les lettres a, b et c, indiquer quel processus correspond à la flèche marquée d'un « ? » et expliquer comment ce flux modifie l'équilibre du cycle.

Décrire le parcours possible d'un atome de carbone depuis son appartenance au $\text{CO}_2$ atmosphérique jusqu'à son incorporation dans un muscle de votre corps, puis son retour à l'atmosphère, en nommant le processus biologique de chaque étape (photosynthèse, alimentation, respiration…).

Une forêt mature fixe $10\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ par hectare et par an, mais ses arbres et ses décomposeurs libèrent $9{,}5\ \text{t}$ par respiration pendant la même période. Calculer la séquestration nette annuelle de carbone de la forêt et expliquer pourquoi une jeune forêt en croissance séquestre beaucoup plus qu'une forêt mature, même si elle fixe moins de $\text{CO}_2$ au total.

Expliquer comment la déforestation d'un bassin tropical modifie à la fois le cycle du carbone et le cycle de l'eau : que se passe-t-il pour le carbone stocké dans la biomasse, pour l'évapotranspiration, pour les pluies de la région et pour le ruissellement.

Les bovins émettent du méthane ($\text{CH}_4$) pendant la digestion. Expliquer quel processus anaérobie le produit, dans quel cycle de la matière il s'inscrit et pourquoi son émission préoccupe même si elle est bien inférieure en quantité à celle de $\text{CO}_2$ (comparer leur potentiel d'effet de serre).

Un vulgarisateur sceptique publie le message suivant : « L'atmosphère contient environ $850\text{ Gt}$ de carbone et les océans plus de $38\,000\text{ Gt}$. Nos émissions annuelles dues à la combustion d'énergies fossiles atteignent à peine $10\text{ Gt}$. Comme le carbone total de la planète est constant et que les émissions anthropiques représentent moins de $0,03\,\%$ du réservoir marin, il est absurde de soutenir que nous puissions modifier le cycle global du carbone ».

1. a) Réfuter son argument en distinguant la dynamique du cycle biologique (rapide) et celle du cycle géologique (lent) : utiliser les notions de flux, de temps de résidence et d'équilibre dynamique pour justifier pourquoi $10\text{ Gt/an}$ déstabilisent le climat mondial.
2. b) Si les puits naturels (biosphère et surface océanique) absorbent en moyenne $45\,\%$ du carbone anthropique émis chaque année, calculer combien de ppm de $\text{CO}_2$ s'accumulent chaque année dans l'atmosphère sachant que $1\text{ ppm} \approx 2,13\text{ Gt}$ de carbone atmosphérique.
3. c) Prévoir ce qu'il adviendra de la capacité de l'océan à continuer d'agir comme puits chimique de $\text{CO}_2$ à mesure que la température de l'eau de surface augmente et que son pH diminue, en justifiant l'équilibre chimique de l'acide carbonique et des carbonates.

Décrire le rôle des bactéries fixatrices d'azote et des bactéries nitrifiantes, en indiquant quelle transformation chimique réalise chaque groupe et pourquoi elles sont indispensables à la nutrition des plantes.

Nommer les principales formes chimiques que prend l'azote au cours de son cycle ($\text{N}_2$ atmosphérique, ammonium, nitrite, nitrate et matière organique) et expliquer pourquoi la plupart des plantes ne peuvent pas utiliser directement le $\text{N}_2$ de l'air.

Ordonner les étapes suivantes du cycle de l'azote telles qu'elles se succèdent dans un écosystème et décrire brièvement en quoi consiste chacune : nitrification, fixation, dénitrification et ammonification.

Les racines des légumineuses abritent des nodosités contenant des bactéries du genre Rhizobium. Expliquer ce qu'échangent la plante et la bactérie dans cette symbiose, quel processus du cycle de l'azote la bactérie réalise et quel avantage agricole présente l'inclusion de légumineuses dans la rotation des cultures.

Une exploitation agricole de maïs doit apporter $180\text{ kg N/ha}$. L'agronome hésite entre deux options de gestion :

• Option 1 : appliquer un engrais minéral de synthèse (urée/nitrate d'ammonium) produit industriellement par le procédé Haber-Bosch.

• Option 2 : semer en automne-hiver une culture de couverture de vesce (Vicia sativa, légumineuse), la broyer au printemps comme engrais vert et compléter avec du lisier de porc composté.

1. a) Comparer les deux options du point de vue de la dépense énergétique et de l'empreinte carbone : justifier comment la liaison $\text{N}\equiv\text{N}$ est rompue chimiquement dans l'industrie par rapport à la manière dont la nitrogénase symbiotique le fait dans les nodosités racinaires.
2. b) Après un orage de printemps, dans les puits proches des parcelles traitées exclusivement selon l'option 1, on enregistre des concentrations de nitrates de $95\text{ mg/L}$ (le seuil de sécurité est $50\text{ mg/L}$) et des pics d'émission d'oxyde nitreux ($\text{N}_2\text{O}$) dans l'atmosphère. Expliquer quelles transformations microbiennes du cycle de l'azote sont à l'origine de ces deux problèmes à partir de l'engrais excédentaire.
3. c) Concevoir une stratégie combinée qui tire parti de la disponibilité immédiate de l'engrais minéral et de la durabilité de l'engrais biologique, en réduisant au minimum la lixiviation et les pertes gazeuses.

Le phosphore est souvent le nutriment limitant dans les écosystèmes continentaux. Expliquer ce que signifie qu'un nutriment soit « limitant », pourquoi le cycle du phosphore est si lent et quelle conséquence entraîne l'absence de phase gazeuse.

Contrairement au carbone et à l'azote, le cycle du phosphore est principalement sédimentaire. Dans une région agricole, on constate un paradoxe : les analyses de sol montrent une forte accumulation de phosphore total après des décennies de fertilisation phosphatée, mais les cultures présentent des symptômes de chlorose et de carence en phosphore à moins que l'on continue d'ajouter des engrais minéraux, tandis que les eaux superficielles voisines subissent une eutrophisation.

1. a) Justifier pourquoi l'absence de phase gazeuse significative conditionne le taux naturel de recyclage du phosphore vers les continents et expliquer quels processus biologiques et géologiques permettent son retour sur la terre ferme à l'échelle macroscopique.
2. b) Expliquer le processus de fixation ou d'insolubilisation du phosphore dans le sol : expliquer comment le pH (sols très acides ou fortement calcaires) influence la formation de sels insolubles avec le fer, l'aluminium ou le calcium, ce qui rend le phosphore non assimilable par les racines.
3. c) Face à l'épuisement prévu des mines d'apatite (« pic du phosphore »), concevoir deux mesures d'économie circulaire pour une exploitation agricole et d'élevage visant à mobiliser le phosphore déjà retenu dans ses sols et à le récupérer dans les effluents, sans dépendre d'engrais de synthèse.

Une équipe de surveillance environnementale suit une lagune côtière après un déversement d'eaux de ruissellement agricoles et enregistre les données suivantes :

• Jour 5 : concentration de phosphore réactif en surface de $0,8\text{ mg/L}$ et chlorophylle $a$ de $65\ \mu\text{g/L}$ ; saturation en $\text{O}_2$ dissous de $145\,\%$ à midi dans les premiers $40\text{ cm}$ de profondeur.

• Jour 20 : saturation en $\text{O}_2$ superficiel de $35\,\%$ à l'aube ; turbidité extrême ($40\text{ NTU}$) ; $\text{O}_2$ dissous au fond ($3\text{ m}$) à $0,3\text{ mg/L}$, avec dégagement de sulfure d'hydrogène ($\text{H}_2\text{S}$) et mortalité de la faune benthique.

Un technicien municipal affirme : « Il est impossible que les poissons meurent d'asphyxie si les algues produisent de l'oxygène en abondance par photosynthèse ; la cause doit être une toxicité chimique directe du nitrate ».

1. a) Réfuter l'affirmation du technicien à l'aide d'arguments biogéochimiques : justifier pourquoi une prolifération autotrophe massive débouche nécessairement sur une anoxie de l'hypolimnion et nocturne.
2. b) Expliquer quel groupe trophique prolifère à partir du jour 15 et quelles voies du métabolisme anaérobie expliquent la présence de $\text{H}_2\text{S}$ au fond.
3. c) Prévoir les conséquences écologiques immédiates sur le cycle de la matière du traitement de la lagune par un algicide chimique pour éradiquer le phytoplancton.

Deux lacs de haute montagne, situés à égale distance d'une zone industrielle comprenant des centrales thermiques au charbon, reçoivent des précipitations continues d'un pH moyen de $4,1$. Le suivi biologique et chimique révèle des données très différentes :

• Lac A (situé sur un bassin versant granitique) : il a perdu ses populations de salmonidés et d'amphibiens ; on détecte dans ses eaux une concentration de $\text{Al}^{3+}$ dissous de $0,35\text{ mg/L}$.

• Lac B (situé sur un bassin versant calcaire) : il conserve intacte sa richesse en poissons et ne présente pas d'aluminium dissous détectable.

1. a) Justifier, à l'échelle lithologique et chimique, pourquoi un même flux de pluie acide provoque un effondrement biologique dans le lac A mais reste inoffensif dans le lac B.
2. b) Expliquer le mécanisme biogéochimique par lequel l'acidification du sol environnant mobilise des ions toxiques comme $\text{Al}^{3+}$ et lessive des nutriments essentiels ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$), et prévoir l'impact de ce phénomène sur la forêt du bassin A.
3. c) Pour restaurer le lac A, une association propose d'ajouter périodiquement de grands volumes de chaux éteinte ou de carbonate de calcium directement dans l'eau. Argumenter les limites et les effets néfastes possibles de cette mesure par rapport à la réduction à la source des émissions de $\text{SO}_2$.

Pour lutter contre le réchauffement climatique, on a proposé un projet de géo-ingénierie consistant à « fertiliser » des zones océaniques riches en nutriments mais pauvres en chlorophylle (zones HNLC) en y déversant des sels de fer solubles afin de renforcer la pompe biologique de carbone.

1. a) Justifier quelle limitation nutritionnelle le fer lève dans ces zones et décrire le trajet biogéochimique que doit suivre le carbone fixé pour que la séquestration soit efficace à l'échelle géologique (siècles ou millénaires) et non un simple recyclage biologique rapide.
2. b) Analyser les risques écologiques benthiques : prévoir ce qui se passera dans la colonne d'eau profonde si une pluie massive de neige marine organique descend vers des zones aphotiques à faible taux de renouvellement de l'eau.
3. c) Le réchauffement climatique actuel intensifie la stratification thermique de l'océan superficiel (il crée une thermocline plus marquée). Prévoir et argumenter comment cette stratification affectera le fonctionnement naturel de la pompe biologique et quelle rétroaction elle provoquera sur le $\text{CO}_2$ de l'atmosphère.

Un rapport d'évaluation d'impact compare deux barrages hydroélectriques récemment construits :

• Barrage A : il inonde une vallée montagneuse et rocheuse sous climat tempéré, où toute la biomasse arborée avait été préalablement coupée et retirée. Température moyenne de l'eau au fond : $9\ ^\circ\text{C}$.

• Barrage B : il inonde une plaine de forêt tropicale sans retirer la végétation ni l'épaisse couche d'humus du sol. Température moyenne de l'eau au fond : $26\ ^\circ\text{C}$.

Pendant sa première décennie d'exploitation, le barrage B émet dans l'atmosphère plus de gaz à effet de serre par MWh produit qu'une centrale thermique au gaz naturel.

1. a) Justifier sur le plan biogéochimique pourquoi le $\text{O}_2$ dissous s'épuise au fond du barrage B et quels consortiums microbiens agissent pour que le carbone stocké dans la biomasse végétale soit libéré sous forme de méthane ($\text{CH}_4$) plutôt que de dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$).
2. b) Sachant que le potentiel de réchauffement du $\text{CH}_4$ à 20 ans est environ 80 fois supérieur à celui du $\text{CO}_2$, discuter de façon critique l'affirmation courante selon laquelle « l'énergie hydroélectrique est toujours une source d'énergie propre et neutre en carbone ».
3. c) Concevoir deux mesures préalables à la mise en eau et une mesure technique de gestion au niveau de la prise d'eau des turbines (cote de captage) pour éviter que les eaux anoxiques riches en gaz dissous soient rejetées en aval en se dégazant brutalement.

Un groupement agricole rejette ses eaux de ruissellement chargées de nitrates ($80\text{ mg/L}$) et de phosphore soluble à travers une zone humide artificielle avant qu'elles n'atteignent une lagune côtière protégée. À la sortie de la zone humide, les analyses indiquent :

• Concentration en nitrates réduite à $9\text{ mg/L}$.

• Dégagement continu de diazote ($\text{N}_2$) dans l'atmosphère avec une émission quasi nulle de $\text{N}_2\text{O}$.

• Accumulation nette de carbone dans le sédiment à raison de $400\text{ g C/m}^2\cdot\text{an}$.

1. a) Analyser la microzonation biogéochimique de la zone humide : justifier comment la rhizosphère oxydée des macrophytes aquatiques et la vase anoxique sous-jacente interagissent dans l'espace pour mener à bien la nitrification puis la dénitrification successives.
2. b) Expliquer le mécanisme par lequel les zones humides retiennent et accumulent du carbone pendant des millénaires à des rythmes supérieurs à ceux de nombreuses forêts matures, en reliant la saturation en eau à la faible activité des enzymes hydrolytiques bactériennes et fongiques.
3. c) Prévoir et argumenter les conséquences biogéochimiques sur les cycles de l'azote et du carbone si cette zone humide était drainée artificiellement pour la rendre constructible.