Utilisateur:Lidalek/Brouillon Cycle des nutriments

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Le compostage au sein des systèmes agricoles capitalise sur les services naturels de recyclage des nutriments dans les écosystèmes. Les bactéries, les champignons, les insectes, les vers de terre, les insectes et d'autres créatures creusent et digèrent le compost pour en faire un sol fertile. Les minéraux et les nutriments contenus dans le sol sont recyclés dans la production de cultures.

Un cycle nutritif (ou recyclage écologique) est le mouvement et l'échange de matières inorganique et organique dans la production de matière . Le flux d'énergie est une voie unidirectionnelle et non cyclique, alors que le mouvement des nutriments minéraux comprennent le cycle du carbone, cycle du soufre, cycle de l'azote, cycle de l'eau, cycle du phosphore, cycle de l'oxygène, entre autres, qui se recyclent continuellement avec d'autres nutriments minéraux en une nutrition écologique productive.

Le cycle des nutriments est le système de recyclage de la nature.

Toutes les formes de recyclage ont des boucles de rétroaction qui utilisent de l'énergie dans le processus de réutilisation des ressources matérielles.

Le recyclage en écologie est en majoritairement régulé lors du processus de décomposition[1].

Les écosystèmes utilisent Biodiversité dans les réseaux trophiques qui recyclent les matériaux naturels, tels que les nutriments minéraux,dont l'eau.

Le Recyclage dans les systèmes naturels est l'un des nombreux Services écosystémiques qui soutiennent et contribuent au bien-être des sociétés humaines.[2],[3],[4]

Il existe plusieurs confusions entre les termes du cycle biogéochimique et du Cycle des nutriments.

La plupart des manuels intègrent les deux et les traites de manière synonymes.[5]

Néanmoins, les termes apparaissent indépendamment les uns des autres.

Le cycle intra-système, dans lequel un écosystème fonctionne comme une unité.

D'un point de vu pratique, il n'est pas logique d'évaluer un écosystème terrestre en considérant toute la colonne d'air au-dessus de lui et les grandes

La plupart des manuels intègrent les deux et semblent les traiter comme des termes synonymes .profondeurs de la Terre en dessous.

Alors qu'un écosystème n'a souvent pas de frontière claire, comme modèle de travail, il est pratique de considérer la communauté fonctionnelle dans laquelle se produit la majeure partie du transfère de matière et d'énergies[6]

Le cycle des nutriments se produits dans les écosystèmes qui participent aux "Cycles biogéochimiques de la Terre à travers un système d'entrées et de sorties."[6]

Boucle complète et fermée[modifier | modifier le code]

Cycle des nutriments d'un écosystème terrestre typique

Les écosystème sont capables d'un recyclage complet. Le recyclage complet signifie que 100% des déchets peuvent être reconstitués indéfiniment. Cette idée a été reprise par Howard T. Odum lorsqu'il a écrit que "les systèmes écologiques et géologiques ont démontré de manière approfondie que tous les éléments chimique et de nombreuses substances organiques peuvent être accumulés par des systèmes vivants à partir de concentrations crustales ou océaniques de fond, sans limite de concentration, tant que le soleil ou une autre source d'énergie potentielle est disponible"[7]

En 1979 Nicholas Georgescu-Roegen a proposé la quatrième loi de l'entropie, affirmant que le recyclage complet est impossible.

Malgré les importantes contributions intellectuelles de Georgescu-Roegen à la science de l'économie écologique, la quatrième loi a été rejetée en accord avec les observations du recyclage écologique[8],[9].

Cependant, certains auteurs affirment que le recyclage complet est impossible pour les déchets technologiques[10].

Les écosystèmes exécutent un recyclage en boucle fermée où la demande de nutriments qui s'ajoute à la croissance de la biomasse dépasse l'offre au sein de ce système. Il existe des différences régionales et spatiales dans les taux de croissances et d'échanges de matières, certains écosystèmes pouvant être en dette de nutriments (puits) alors que d'autres auront un apport supplémentaire (sources).Ces différences sont liées au climat, à la topographie et à l'histoire géologique, qui ont laissé derrière eux différentes sources de matières premières[6],[11].

En termes de réseau alimentaire, un cycle ou une boucle est définie comme une « séquence dirigée d'un ou plusieurs liens commençant et se terminant par la même espèce[12] ».

Un exemple de cela est le réseau alimentaire microbien dans l'océan, où "les bactéries sont exploitées, et contrôlées, par des protozoaires, notamment des micro flagellés hétérotrophes qui sont à leur tour exploités par des ciliés. Cette activité de broutage s'accompagne de l'excrétion de substances qui sont à leur tour utilisées par les bactéries, de sorte que le système fonctionne plus ou moins en circuit fermé"[13]

Le recyclage écologique[modifier | modifier le code]

Un réseau trophique simplifié illustrant une chaîne alimentaire tri trophique ( producteurs- herbivores - carnivores ) liée aux décomposeurs . Le mouvement des nutriments minéraux à travers la chaîne alimentaire, dans le pool de nutriments minéraux et de retour dans le système trophique illustre le recyclage écologique. Le mouvement de l'énergie, en revanche, est unidirectionnel et non cyclique[14],[15].

Un exemple de recyclage écologique se produit dans digestion enzymatique de la cellulose.

"La cellulose l'un des composés organiques les plus abondants sur Terre, est le principal polysaccharide des plantes où elle fait partie des parois cellulaires[16] .

Les enzymes dégradant la cellulose participent au recyclage naturel et écologique de la matière végétale." Les taux de recyclage de la litière peuvent varier d'un écosystème à l'autre, ce qui crée une rétroaction complexe sur des facteurs tels que la dominance concurrentielle de certaines espèces végétales. Les différents taux et modèles de recyclage écologique laissent un héritage d'effets environnement ayant des implications sur l'évolution future des écosystèmes[17].

« A large fraction of the elements composing living matter reside at any instant of time in the world's biota. Because the earthly pool of these elements is limited and the rates of exchange among the various components of the biota are extremely fast with respect to geological time, it is quite evident that much of the same material is being incorporated again and again into different biological forms. This observation gives rise to the notion that, on the average, matter (and some amounts of energy) are involved in cycles.[18] »

Le recyclage écologique est courant dans l'agriculture biologique, où la gestion des nutriments est fondamentalement différente de celle des sols pratiquée par l'agro-industrie.

Les exploitations biologiques qui recourent davantage au recyclage écologique abritent davantage d'espèces (niveaux accrus de biodiversité) et présentent une structure différente du réseau alimentaire[19],[20]. Les écosystèmes agricoles biologiques s'appuient sur les services de la biodiversité pour le recyclage des nutriments dans les sols, au lieu de compter sur l'apport d'engrais synthétique[21],[22].

Le modèle d'agriculture écologique de recyclage adhère aux critères suivants:

  • Protection de la biodiversité.
  • Utiliser des énergies renouvelables.
  • Recyclage des éléments nutritifs des plantes[23].

Lorsque les produits d'une exploitations biologique quittent la ferme pour le marché, le système devient un cycle ouvert et les nutriments et il pourrait être nécessaire de remplacer les nutriments par d'autres méthodes.

Ingénieurs en écosystèmes[modifier | modifier le code]

Des plus grandes aux plus petites créatures, les nutriments sont recyclés par leurs mouvements, leurs déchets et leurs activités métaboliques. Cette illustration montre un exemple de la pompe à baleine qui fait circuler les nutriments à travers les couches de la colonne d'eau océanique. Les baleines peuvent migrer vers de grandes profondeurs pour se nourrir de poissons de fond ( comme le lançon Ammodytes spp .) et remonter à la surface pour se nourrir de krill et de plancton à des niveaux moins élevés. La pompe à baleine favorise la croissance et la productivité dans d'autres parties de l'écosystème[24].

L'héritage persistant de la rétroaction environnementale laissé par les organismes ou en tant que prolongement de leurs actions écologiques est connu sous le nom de construction de niche ou d'ingénierie des écosystèmes. De nombreuses espèces laissent des traces même après leur mort comme les squelettes de coraux ou des modifications importantes de l'habitat d'une zone humide par un castor, dont les descendants et d'autres espèces vivant sous un régime sélectif différent à travers la rétroaction et à l'agence de ces effets hérités.[25],[26]

Les Ingénieurs de l'écosystème sont en capacité d'influencer les taux d'efficacité du cycle des nutriments par leurs actions.

Une illustration d'un moulage de vers de terre tiré de la publication de Charles Darwin sur le mouvement de la matière organique dans les sols grâce aux activités écologiques des vers.[27]

Les vers de terre, par exemple, modifient passivement et mécaniquement la nature des environnement du sol. Les corps des vers morts apportent passivement des nutriments minéraux au sol. Les vers modifient également mécaniquement la structure physique du sol en rampant (bioturbation), en digérant les moisissures de la matière organique qu'ils arrachent à la litière du sol. Ces activités transportent les nutriments dans les couches minérales du sol.Les vers éjectent des déchets qui engendre des turricules comportant des matières non digérées dans lesquels les bactéries et autres décomposeurs ont accès aux nutriments.

Le ver de terre est employé dans ce processus et la production de l'écosystème dépend de sa capacité à créer des boucles de rétroaction dans le recyclage[28],[29].

Les coquillages sont également des ingénieurs de l'écosystème car : ils filtrent les particules en suspension dans la colonne d'eau ; ils éliminent l'excès de nutriments des baies côtières par dénitrification; ils servent de tampons côtiers naturels, absorbant l'énergie des vagues et réduisant l'érosion due au sillage des bateaux, à l'élévation du niveau de la mer et aux tempêtes ; ils fournissent un habitat de reproduction pour les poissons qui sont précieux pour les économies côtières[30].

Les champignons contribuent au Cycle des nutriments[31] et réarrangement nutritionnellement des parcelles de l'écosystème en créant des niches pour d'autres organismes[32].

Ainsi, les champignons présents dans le bois mort en croissance permettent aux xylophages, à leur tour, affectent le bois mort, contribuant à la décomposition du bois et au cycle des nutriments dans le sol forestier[33].

Histoire[modifier | modifier le code]

Les troncs tombés au sol sont des éléments essentiels du cycle des nutriments dans les forêts terrestres. Les troncs forment des habitats pour d'autres créatures qui décomposent les matériaux et recyclent les nutriments dans la production[34].

Le cycle des nutriments trouve son origine dans les écrits de Charles Darwin, en référence aux actions de décomposition des vers de terre. Darwin a écrit sur "le mouvement continu des particules de la terre."[27],[35] Plus tôt encore, en 1749, Carl von Linné écrivait, dans son livre, "l'économie de la nature", c'est-à-dire la sage disposition du créateur à l'égard des choses naturelles, par laquelle elles sont adaptées pour produire des fins générales et des utilisations réciproques", en référence à l'équilibre de la nature[36]. Dans ce livre, il a saisi la notion de recyclage écologique : "Les usages réciproques" sont la clé de toute l'idée, car "la mort et la destruction d'une chose doivent toujours être subordonnées à la restitution d'une autre" ;ainsi, la moisissure stimule la décomposition des plantes mortes pour nourrir le sol, et la terre "offre alors à nouveau aux plantes de son sein, ce qu'elle a reçu d'elles"[37].

L'idée fondamentale d'un équilibre de la nature remonte toutefois aux Grecs: Démocrite, Épicure, et leur disciple romain Lucrèce[38].

À la suite des Grecs, l'idée d'un cycle hydrologique (l'eau est considérée comme un nutriment) a été validée et quantifiée par Edmond Halley en 1687.

Jean-Baptiste Dumas et Boussingault (1844) fournissent un article clé, reconnu par certains comme le véritable début de la bio-géochimie, où ils parlent du cycle de la vie organique de façon très détaillée[38],[39].

De 1836 à 1876, Jean-Baptiste Boussingault a démontré la nécessité nutritionnelle des minéraux et de l'azote pour la croissance et le développement des plantes. Avant cette période, d'influents chimistes ont discuté de l'importance des nutriments minéraux dans le sol[40].

Ferdinand Julius Cohn est une autre figure influente. En 1872, Cohn a décrit le "cycle de la vie" comme "l'ensemble des dispositions de la nature" dans lequel la dissolution des corps organiques morts fournit les matériaux nécessaires à une nouvelle vie.

La quantité de matière pouvant être moulée en êtres vivants était limitée, raisonnait-il, il doit donc exister une "circulation éternelle" (ewigem kreislauf) qui convertit constamment la même particule de matière des corps morts en corps vivants"[41]

Ces idée ont été synthétisées dans les recherches du maître Sergueï Vinogradski de 1881 à 1883[41].

Variations terminologiques[modifier | modifier le code]

En 1926, Vladimir Vernadski a inventé le terme de biogéochimie en tant que sous-discipline de la géochimie[38].

Cependant, le terme "cycle des nutriments" est antérieur à la bio-géochimie dans un pamphlet sur la sylviculture de 1899 : "Ces exigences ne négligent nullement le fait qu'aux endroits où des quantités suffisantes d'humus sont disponibles et dans le cas de décomposition continue de la litière, un humus stable et nutritif est présent, des quantités considérables de nutriments sont également disponibles à partir du cycle nutritif biogène pour le bois sur pied[42].

En 1898, il est fait référence au cycle de l'azote en relation avec les micro-organismes fixateurs d'azote (en)[43].

D'autres utilisations et variations de la terminologie relative au processus du cycle des nutriments apparaissent au cours de l'histoire :

  • Le terme cycle minéral apparaît au début des années 1935 en référence à l'importance des minéraux dans la physiologie végétale : "...la cendre est probablement soit accumulée dans sa structure permanente, soit déposée d'une manière ou d'une autre comme déchet dans les cellules, et peut donc ne pas être libre de réintégrer le cycle minéral ." [44] :301
  • Le terme recyclage des nutriments apparaît dans un article de 1964 sur l'écologie alimentaire de la cigogne des bois : "Alors que l'assèchement et la monté périodiques des marais créent des problèmes de survie particuliers pour les organismes de la communauté, les niveaux d'eau fluctuants favorisent un recyclage rapide des nutriments et une forte taux de production primaire et secondaire" [45] :97
  • Le terme cycle naturel apparaît dans un article de 1968 sur le transport de la litière de feuilles et de ses éléments chimiques à prendre en compte dans la gestion des pêches : "Le transport fluvial de la litière d'arbres des bassins versants est un facteur du cycle naturel des éléments chimiques et de la dégradation des terres. " [46] :131
  • Le terme de recyclage écologique apparaît dans une publication de 1968 sur les applications futures de l'écologie pour la création de différents modules destinés à vivre dans des environnements extrêmes, comme l'espace ou sous la mer : « Pour notre besoin fondamental de recyclage des ressources vitales, les océans fournissent des recyclage écologique que la surface terrestre. Les poissons et autres populations organiques ont des taux de croissance plus élevés, la végétation a des problèmes météorologiques moins capricieux pour la récolte en mer." [47]
  • Le terme bio-recyclage apparaît dans un article de 1976 sur le recyclage du carbone organique dans les océans : « Suite à l'hypothèse actualiste, alors, que l'activité biologique est responsable de la source de matière organique dissoute dans les océans, mais n'est pas importante pour ses activités après la mort des organismes et les changements chimiques ultérieurs qui empêchent son bio-recyclage, nous ne pouvons voir aucune différence majeure dans le comportement de la matière organique dissoute entre les océans prébiotiques et post-biotiques." [48] :414

L'eau est également un élément nutritif.[49]

Dans ce contexte, certains auteurs font également référence au recyclage des précipitations, qui "est la contribution de l'évaporation dans une région aux précipitations dans cette même région"[50].

Ces variations sur le thème du cycle des nutriments continuent d'être utilisées et font toutes référence à des processus qui font partie des cycles biogéochimiques mondiaux.

Cependant, les auteurs ont tendance à parler de recyclage naturel, organique, écologique ou biologique en référence au travail de la nature, tel qu'il est utilisé dans l'agriculture biologique ou les systèmes agricoles écologiques.[23]

Recyclage dans de nouveaux écosystèmes[modifier | modifier le code]

Un flux incessant de déchets technologiques s'accumule dans différentes configurations spatiales à travers la planète et se transforme en prédateur dans nos sols, nos cours d'eau et nos océans. [51],[52]

Cette idée a été exprimée de la même manière en 1954 par l'écologiste Paul Sears (en) :"Nous ne savons pas s'il faut chérir la forêt comme source de matières premières essentielles et autres avantages ou la supprimer pour l'espace qu'elle occupe.

Nous nous attendons à ce qu'une rivière serve à la fois de veine et d'artère emportant les déchets mais apportant des matériaux utilisables dans le même canal.

La nature a depuis longtemps écarté l'idée absurde de transporter des déchets toxiques et des nutriments dans les mêmes vaisseaux."[53]

Les écologistes utilisent l'écologie des population (en) afin de modéliser les contaminants en tant que concurrents ou prédateurs.[54]

Rachel Carson a été une pionnière de l'écologie dans ce domaine, car son livre Printemps silencieux a inspiré la recherche sur la biomagnification[55].

Contrairement aux écosystèmes naturels des planètes, la technologie (ou techno-écosystèmes) ne réduit pas son impact sur les ressources planétaire[56],[57].

Seuls 7 % du total des déchets plastiques (soit des millions et des millions de tonnes) sont recyclés par les systèmes industriels, les 93 % qui n'entrent jamais dans le flux de recyclage industriel sont absorbés par des systèmes de recyclage naturels[58].

Toutefois, sur de longues périodes (des milliards d'années), les écosystèmes ont réussi à maintenir un équilibre constant avec une production équivalant environ aux taux de consommation respiratoire (en).

L'efficacité équilibrée du recyclage dans la nature signifie que la production de déchets en décomposition a dépassé les taux de consommation recyclable dans les chaînes alimentaires, ce qui correspond aux stocks mondiaux de combustibles fossiles qui ont échappé à la chaîne de décomposition[59].

« Pesticides soon spread through everything in the ecosphere-both human technosphere and nonhuman biosphere-returning from the 'out there' of natural environments back into plant, animal, and human bodies situated at the 'in here' of artificial environments with unintended, unanticipated, and unwanted effects. By using zoological, toxicological, epidemiological, and ecological insights, Carson generated a new sense of how 'the environment' might be seen[60]. »

Les microplastiques et les nano-argents qui circulent dans les écosystèmes à cause de la pollution et des technologies abandonnées font partie d'une liste croissante de préoccupations écologiques émergentes.[61]

Par exemple, des assemblages uniques de microbes marins se sont avérés capables de digérer le plastique qui s'accumule dans les océans du monde[62].

Les technologies mises au rebut sont absorbées par les sols et créent une nouvelle catégorie de sols appelés techno sols (en)[63].

Les déchets humains de l'Anthropocène créent de nouveaux systèmes de recyclage écologique, de nouveaux écosystèmes qui doivent faire face au cycle de mercure (en) et à d'autres matériaux synthétiques qui s'insèrent dans la chaîne de biodégradation[64].

Les micro-organismes jouent un rôle important dans l'élimination des composés organiques synthétiques de l'environnement, grâce à des mécanismes de recyclage aux voies de biodégradation complexes.

L'effet des matériaux synthétiques, tels que les nanoparticules et les micro plastiques, sur les systèmes de recyclage écologique est l'une des principales préoccupations des écosystèmes au cours de ce siècle[61].

Recyclage technologique[modifier | modifier le code]

Le recyclage dans les systèmes industriels humains (ou techno-écosystèmes ) diffère du recyclage écologique par son échelle, sa complexité et son organisation.

Les systèmes de recyclage industriels ne se concentrent pas sur l'utilisation de réseaux trophiques écologiques pour recycler les déchets en différents types de biens commercialisables, mais emploient principalement des personnes et la techno-diversité à la place.

Certains chercheurs ont remis en question le principe qui sous-tend ces solutions technologiques, ainsi que d'autres solutions présentées sous la bannière de l'"éco-efficacité", qui sont limitées dans leurs capacités, nuisibles aux processus écologiques et dangereuses dans leurs capacités exagérées.[10],[65]

De nombreux techno-écosystèmes sont compétitifs et parasites vis-à-vis des écosystèmes naturels.[59]

Le réseau alimentaire ou le "recyclage biologique" comprend le recyclage métabolique (récupération, stockage des nutriments, etc.) et le recyclage écosystème (lixiviation et minéralisation in situ de la matière organique, soit dans la colonne d'eau, soit à la surface des sédiments, soit dans les sédiments)[66].:243

Notes et références[modifier | modifier le code]

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Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]