vignette|droite|upright=2|Le cycle de l'azote dans le sol. Le cycle de l'azote est un cycle biogéochimique qui décrit la succession des modifications subies par les différentes formes de l'azote neutre en formes réactives (diazote, nitrate, nitrite, ammoniac, azote organique) et vice-versa.
Les analyses isotopiques de l'azote faites dans différents compartiments géologiques et de la biosphère et notamment dans les sédiments lacustres montrent que ce cycle a été récemment fortement perturbé par l'Homme qui a plus que doublé la quantité d'azote réactif (Nr) annuellement ajoutés à la biosphère, essentiellement à partir de 1895 ± (± 1 pour l'écart-type) avec une forte augmentation dans les années 1960 à 2010, principalement dans l'hémisphère NordGordon W. Holtgrieve (2011), "A Coherent Signature of Anthropogenic Nitrogen Deposition to Remote Watersheds of the Northern Hemisphere", Science Magazine, 16 décembre 2011, 1545-1548 (résumé).
Réservoirs Les principaux réservoirs d'azote de la planète sont l'atmosphère et les océans. Les eaux côtières et les eaux de surface sont également un réservoir important, malgré leur faible couverture territoriale. : avec les sédiments au-dessous d'elles, elles assurent 20 % de la fixation d'azote à la surface de la Terre..
Cycle biologique et cycle global L'azote est un composé de base de la matière organique, en particulier pour la synthèse des acides aminés constituant les protéines et les bases nucléiques de l'ADN. De ce fait, la réduction de est considérée comme aussi essentielle à l'évolution et à la perpétuation de la vie sur Terre que la photosynthèseElectrons, life and the evolution of Earth's oxygen cycle. Paul G Falkowski, Linda V Godfrey. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008 Aug 27; 363(1504): 2705–2716..
D'autre part, les composés de l'azote participent au métabolisme cellulaire, comme matériau à oxyder en milieu oxygéné, ou au contraire comme oxydant accepteur d'électrons en milieu anoxique.
Cycle biologique Dans le cycle biologique, l'azote se présente sous forme d'ion ammonium, de nitrate ou de nitrite, ou de matière organique. Les végétaux assimilent l'azote, soit directement sous forme d'ion ammonium, soit sous forme de nitrate ou de nitrite qu'ils réduisent par photosynthèse ; et le transforment en matière organique. Les champignons, animaux et monocellulaires hétérotrophes ne peuvent assimiler l'azote que sous forme de matière organique, qu'ils utilisent également comme source d'énergie. La décomposition de matières organiques restitue de l'ammoniaque. L'oxydation de cet ammoniaque par certaines bactéries leur fournit de l'énergie, et produit des nitrites, puis des nitrates. Cependant, dans notre environnement globalement oxydant, l'ion ammonium est normalement oxydé et ne s'accumule pas de manière significative. En dehors de la biomasse, où son nombre d'oxydation est -3, l'azote du cycle biologique se présente généralement sous forme oxydée, N(+iii) ou N(+v)
Cycle planétaire Ce cycle biologique s'insère dans un cycle plus global : quelques bactéries et cyanobactéries peuvent fixer l'azote atmosphérique sous forme de incorporé, et sont le point d'entrée du cycle biologique ; en milieu anaérobie, d'autres bactéries réalisent la dénitrification du milieu en les réduisant successivement en monoxyde d'azote, puis en protoxyde d'azote, et enfin en diazote, qui est restitué à l'atmosphère et sort du cycle biologique.
Le cycle naturel de l'azote a toutefois été . De nos jours, près de 30% de l'azote fixé est produit industriellement par le procédé HaberSmith, B., R. L. Richards, and W. E. Newton. 2004. Catalysts for nitrogen fixation : nitrogenases, relevant chemical models and commercial processes. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht ; Boston..
Imbrication des cycles biologiques À travers la fixation biologique de l'azote réalisée par certaines cyanobactéries, l’inhibition de la nitrogénase par l', que ce soit directement ou indirectement via des radicaux oxydants, constitue un régulateur fort de la teneur en oxygène dans l'atmosphère, dans le cycle de l'oxygène, par la rétroaction négative qu'il a sur la fixation de l'azoteFeedbacks Between the Nitrogen, Carbon and Oxygen Cycles. Ilana Berman-Frank et al. In Nitrogen in the Marine Environment, 2008, Elsevier.. Une inhibition dans la fixation de l'azote conduirait à une chute de la productivité primaire, à la fois directement pour les cyanobactéries diazotrophes et indirectement pour l'ensemble de la productivité primaire de l'hydrosphère, induisant à plus long terme, pour le cycle du carbone, une réduction dans le rythme d'enfouissement du carbone organique. Sans enfouissement il n'y a pas de création nette d' par la biosphère, et l'oxygène en excès espèce très réactive, disparaît progressivement par l'oxydation de la surface de la planète.
Étapes du cycle biologique
Fixation
vignette|Les actinorhizes sont des nodosités fixatrices d'azote qu'on trouve au niveau des racines des plantes (ici, racine d'aulne).
L'atmosphère contient une grande quantité de diazote (78 % en volume), mais cet azote gazeux est très peu biodisponible pour la plupart des espèces.
Seules quelques bactéries et cyanobactéries (principalement présentes dans le sol), telles qu'Azotobacter vinelandii, peuvent fixer l'azote atmosphérique, sous forme de incorporé, qu'elles transforment ensuite en matière organique. Certaines de ces bactéries produisant de l'ammoniaque, comme Rhizobium, vivent en symbiose avec des plantes.
Les bactéries fixatrices de l'azote produisent de l'ammoniaque (NH4OH) à partir de l'azote atmosphérique et de l'hydrogène de l'eau (l'ammoniaque est le nom de la forme soluble dans l'eau du gaz ammoniac). La fixation de l'azote nécessite un flux important d'ATP. Le processus de fixation d'une molécule d'azote en deux molécules d'ammoniac est couplé à l'hydrolyse de 16 ATP en milieu acide, et cogénère une molécule d'hydrogène. La réaction de fixation est globalement la suivante :
N2 + 16 ATP + 8 e− + 8 H+ → 2 + ↑ + 16 ADP + 16 Pi
Elles le font grâce à une enzyme, la nitrogénase qui est capable de casser la triple liaison N≡N qui rend l'azote gazeux si stable, mais uniquement dans certains contextes, car cette réaction de transformation d'azote atmosphérique en assimilable par les organismes a des coûts énergétique et métabolique élevés, et fait appel à d'autres éléments nécessaires à la biosynthèse de la nitrogénase. Pour ces raisons, l'azote biodisponible est un puissant facteur limitant pour la production de biomasse algale et végétale, et donc pour la productivité de nombreux écosystèmes. Ceci explique aussi que la disponibilité en azote joue un rôle majeur dans la structuration et les dynamiques d'évolution de nombreuses communautés végétales.
La décomposition d'organismes morts (nécromasse) par des bactéries saprophytes sous forme d'ions ammonium (NH4+) est une autre source d'ammoniaque.
Nitritation et nitratation
vignette|Nitrification d'urine en bioréacteur.
Dans la nature, la décomposition de matières organiques restitue de l'ammoniac, qui donne par exemple une odeur d'égout aux eaux trop stagnantes.
Dans les sols bien oxygénés, mais aussi en milieu aquatique oxygéné, des bactéries transforment l'ammoniac (NH3) en nitrites (NO2−), puis en nitrates (NO3−), au cours du processus de nitrification. L'oxydation de cet ammoniac par ces bactéries leur fournit l'énergie nécessaire pour transformer le en matière organique (autotrophie)..
La nitrification se déroule en deux étapesRobert Barbault, Écologie générale : Structure et fonctionnement de la biosphère, , Dunod, p. 32, réalisées par deux populations bactériennes différentes. Une première étape de nitritation oxyde l'amoniac en nitrite, consommant une molécule de dioxygène par molécule formée : NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− Le déchet toxique des nitrites de la première communauté bactérienne est ensuite utilisé comme métabolite par la seconde. Ce phénomène de symbiose est appelé syntrophie.. Cette seconde étape de nitratation transforme ensuite le nitrite en nitrate: NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e− La nitrification est une source d'acidité pour le sol. C'est cette consommation en milieu oxygéné qui est à l'origine de la présence de nitrates assimilables par les végétaux.
En aquariophilie, la nitrification est indispensable pour que l'aquarium ne s'empoisonne pas sous l'effet de l'accumulation de l'ammoniaque. Pour favoriser la nitrification, on fait circuler l'eau sur un « filtre » dont la surface fournit un support aux bactéries. À la fin du cycle, restent les nitrates qui servent de nourriture aux plantes, et qui en excès peuvent favoriser la prolifération des algues, voire s’avérer problématiques pour les poissons eux-mêmes.
Nitratation alternative par l'ozone
vignette|Les oxydes d'azote produits par la foudre peuvent être une source de nitrates.
Les éclairs dissocient les molécules d'oxygène et d'azote dans l'atmosphère, formant des atomes excités qui peuvent se recombiner sous forme de NO et NO2, et d'ozone O3. Ces trois espèces sont en équilibre mutuel, le NO2 étant photo-dissocié en NO en produisant de l'oxygène atomique, lequel se combine à de l'oxygène pour former de l'ozone (en présence d'une molécule M stabilisante), lequel forme à nouveau du NO2 : NO2 + hν → NO + O* O* + O2 (+ M) → O3 (+ M) O3 + NO → NO2 + O2 Le NO2 peut également réagir avec l'ozone pour former du NO3, qui est rapidement dissocié par photolyse pendant le jour : NO2 + O3 → NO3 + O2 et NO3 + hν → NO2 + O* De nuit, cependant, il peut se combiner à une autre molécule de NO2 pour former du pentoxyde d'azote : NO2 + NO3 (+ M) → N2O5 (+ M) Le pentoxyde d'azote se dissout dans l'eau en phase liquide (dans les nuages ou les aérosols) où il réagit pour former de l'acide nitrique : N2O5 + → 2 HNO3 Cet acide retombe au sol sous forme de pluie acide, et contribue à la fertilité du sol sous forme de nitrate NO3−
Assimilation
vignette|Le guano est une source riche en nitrates assimilables, utilisée comme engrais. vignette|Les nitrates sont transformés en matière organique.
Les végétaux peuvent assimiler l'azote, soit sous forme d'ion ammonium, soit sous forme d'ion nitrate (NO) et de nitrite (NO) d'autre part. Ces deux dernières formes inorganiques d'azote sont d'abord converties en ammonium, puis en glutamine, puis ce dernier est transformé en matière organique. La réduction préalable des nitrates nécessite de l'énergie qui provient essentiellement de la photosynthèse.
Les organismes comme les plantes, les champignons et certaines bactéries qui ne peuvent pas fixer l'azote (N2) dépendent de leur capacité à assimiler le nitrate ou l'ammoniac pour leurs besoins.
Les végétaux pour se nourrir absorbent (au travers des feuilles pour certaines plantes aquatiques et sinon via les racines) les ions nitrate (NO3−) et, dans une moindre mesure, l'ammonium NH4+ présent dans le sol. Réduction des nitrates Dans un premier temps, le nitrate est converti en nitrite par la nitrate réductase : + H+ + NADH → + NAD+ + Le nitrite est ensuite réduit en ammoniac par la ferrédoxine-nitrite réductase : + 6 ferrédoxine réduite + 7 H+ + 2 + 6 ferrédoxine oxydée L'assimilation par transformation d'un nitrate en ammoniac consomme un ion H+, qui doit être équilibré par l'expulsion d'un OH− qui tend à rendre le sol alcalin (basique).
Assimilation de l'ammoniac L'assimilation proprement dite porte sur l'ammoniac, qu'il soit absorbé directement ou produit par réduction des nitrates.
Dans les chloroplastes, la glutamine synthétase incorpore cet ammoniac dans le cadre de la photorespiration, transformant un glutamate en glutamine : + L-glutamate + ATP L-glutamine + ADP + Pi.
où Pi désigne le phosphate inorganique.
Le glutamate joue un rôle essentiel dans le cycle de l'azote chez les animaux et les microbes, servant à la fois d'accepteur (comme ici) et de donneur pour les transferts d'ammoniac dans le cycle.