Chapitre 1 : Les cycles biogéochimiques
Définition : Cycle biogéochimique
Tous les éléments présents sur la croûte terrestre (qu'ils soient d'origine naturelle ou anthropique) sont soumis à un enchaînement de transformations et de réactions entraînant une répartition de ces éléments dans les trois principaux compartiments : l'atmosphère, l'eau, le sol. Les différents processus favorisant les échanges entre les différents compartiments sont :
• (1) le transport des particules
• (2) l'adsorption
• (3) la désorption
• (4) la dissolution
• (5) l'évaporation
L'importance des mécanismes de transport de particules (1), d'adsorption et désorption ((2), (3)), dissolution et évaporation ((4), (5)) dépend des réactions géologiques, biologiques ou chimiques se produisant dans les 3 compartiments. Ces réactions sont interdépendantes et concernent les domaines de la géologie, la biologie et la chimie. La biogéochimie est une science qui s'intéresse aux réactions biologiques, géologiques et chimiques subies par un élément au cours de ses différents transferts dans les 3 principaux compartiments.
L'étude d'un cycle biogéochimique consiste à étudier le transport et les différentes transformations des substances chimiques entre les trois compartiments : eau, air, sol.
Définition : Réservoir et puits dans un cycle
Un cycle est représenté comme un système de boîtes couplées, chaque boîte représentant les différents compartiments traversés par une substance. En fonction du cycle considéré, le système peut être ouvert (c'est-à-dire que les échanges avec le milieu extérieurs sont possibles), ou fermé (c'est-à-dire sans échange avec le milieu extérieur).
Les échanges de matière entre les différentes boîtes sont décrits par des flux. L'importance de ces flux permet de définir des puits ou des réservoirs d'une substance.
Lorsque le flux entre deux boîtes est très faible, cela signifie que la substance s'accumule dans l'une des deux boîtes. La boîte dans laquelle s'accumule la substance est alors appelée « puits ». La substance est alors piégée par la boîte puisqu'elle pourra difficilement migrer vers une autre boîte. A l'inverse, lorsque le flux entre deux boîtes est important, cela signifie que les échanges sont favorisés, la boîte d'où part la substance est alors appelée « réservoir ».
Le bilan d'un cycle est généralement exprimé en masse (ou en nombre de moles) et les flux en masse par unité de temps (ou en moles par unité de temps). Lorsque le cycle est considéré à l'état stationnaire, on considère que la somme des flux entrants est égale à la somme des flux sortants. Cette approche simplifiée permet d'obtenir une vision globale des différents flux et aide à estimer l'importance relative des flux liés à l'activité humaine par rapport aux flux naturels.
Circulation et transformation des éléments dans un cycle
Les transferts d'une substance à l'intérieur d'un cycle sont régulés par un ensemble de processus physiques (transport, énergie...), de réactions chimiques (thermodynamique, acido-basique, oxydo-réduction) et de réactions biologiques (photosynthèse, réaction enzymatiques).
L'étude de ces transferts est particulièrement complexe car les différents phénomènes mis en jeu (physiques, chimiques, biologiques) sont souvent en synergie et complexes. Ils sont par ailleurs associés à des interactions très différentes entre les compartiments. De plus, il est difficile d'établir une hiérarchie dans les interactions à prendre en compte.
Par souci de simplification, nous ne considérerons que les processus chimiques dans un cycle. D'un point de vue chimique, les réactions responsables du transfert d'un élément d'un compartiment à l'autre sont :
- Les équilibres acido-basiques
- Les équilibres d'oxydo-réduction
- Les équilibres de dissolution/précipitation
Le temps de résidence d'un élément dans un compartiment est également associé à la notion de cinétique de transfert.
