Équilibrer le cycle de l'azote
L'azote est essentiel à la vie sur notre planète. C'est l'un des nutriments les plus importants et il est indispensable aux organismes vivants. Bien que l'azote gazeux représente environ 78 % du volume de l'atmosphère terrestre, il est largement inaccessible à la plupart des organismes sous cette forme et doit être converti en formes réactives. Ce blog traite de l'importance de l'azote pour l'écosystème terrestre et explique comment les activités humaines modifient l'équilibre du cycle de l'azote, avec des conséquences potentiellement désastreuses. Il montre également comment l'analyse des isotopes stables permet de générer des données significatives pour mieux comprendre le mouvement des nitrates dans le cycle global de l'azote.
Le cycle global de l'azote
La manière dont l'azote bouge et se transforme à travers les systèmes écologiques de la Terre (atmosphère, biosphère, hydrosphère et géosphère) est appelée cycle global de l'azote, qui est essentiel au maintien de la vie sur notre planète. Ce cycle naturel est régi par des processus tels que la fixation de l'azote, la nitrification et la dénitrification, au cours desquels l'azote est transformé en différents composés chimiques qui soutiennent la vie et maintiennent l'équilibre écologique. Par exemple, un groupe sélectionné d'organismes transforme le N2 provenant de l'énorme réserve de gaz de l'atmosphère en composés réactifs tels que l'ammoniac, qui sont ensuite utilisés par les plantes et d'autres organismes pour croître et se développer. Gruber et Galloway ont présenté ce cycle mondial de l'azote, y compris tous les processus importants qui transforment l'azote moléculaire en azote réactif et vice versa, dans leur article publié dans Nature en 2008 (figure 1)1. L’article met également en évidence l'immense quantité d'espèces azotées réactives que les activités humaines ajoutent à cet équilibre fragile.
Déséquilibrer le cycle de l'azote
La croissance démographique mondiale et la demande alimentaire toujours plus forte ont entraîné diverses activités humaines qui ont provoqué une accélération massive du cycle naturel de l'azote réactif. Cela a à peu près doublé l'apport d'azote réactif dans l'écosystème terrestre. Environ la moitié de la quantité totale est due aux engrais utilisés pour nourrir la population mondiale croissante. Cela a conduit notre cycle mondial de l'azote à dépasser le niveau considéré comme sûr par de nombreux experts, les concentrations de formes réactives d'azote – en particulier le nitrate – étant de plus en plus observées non seulement dans les eaux de surface, mais aussi dans les eaux souterraines. Le Dr Ben Surridge, biogéochimiste et maître de conférences à l’Université de Lancaster au Royaume-Uni, a déclaré : "Dans de nombreux endroits du monde, les eaux souterraines sont en fait devenues un réservoir de composés azotés réactifs qui sont progressivement libérés dans les eaux de surface.
Malheureusement, cette situation devrait perdurer pendant plusieurs décennies, malgré les stratégies de correction actuellement mises en œuvre à la surface de la Terre. Par exemple, une augmentation de la concentration en nitrates dans la Tamise est observée depuis plus de 140 ans3, les augmentations observées au début des années 1970 étant probablement dues à un apport différé par le système aquifère en raison de l'accumulation de nitrates au cours des décennies précédentes. Ces résultats sont corroborés par d'autres études qui montrent une augmentation de la concentration en nitrates dans les aquifères de craie, de calcaire et de grès à travers le Royaume-Uni, d'autres pays à travers le monde étant confrontés à des défis similaires. " 4,5
Conséquences des perturbations du cycle de l'azote
Les effets de l'influence humaine sur le cycle de l'azote réactif sont considérables et vont de la perte de biodiversité à l'acidification des sols, pouvant même affecter directement la santé humaine. Le Dr Surridge explique : " Les conséquences les plus importantes sont peut-être celles liées à l'eutrophisation, c'est-à-dire la croissance excessive de plantes ou d'algues due à l'accumulation d'azote réactif (ou d'autres facteurs limitant naturellement la croissance) dans divers écosystèmes. Les proliférations d'algues sont peut-être l'indicateur le plus fréquemment signalé de ce phénomène. Elles peuvent nuire aux écosystèmes d'eau douce ou marins et présenter un risque pour la faune sauvage, les animaux domestiques, le bétail et, dans certains cas, les humains. "
La prolifération d'algues bleues dans le Lough Neagh, le plus grand lac des îles britanniques, a été en 2023 un exemple flagrant de la destruction causée par l'eutrophisation, attribuée en partie à l'apport de nutriments provenant de l'agriculture.6
L'une des conséquences les plus graves de la prolifération d'algues est l'hypoxie, c'est-à-dire une faible teneur en oxygène dissous dans les eaux, qui touche souvent les eaux côtières et certains lacs. Le Dr Surridge ajoute : " Le nombre de zones côtières hypoxiques connues a augmenté de manière exponentielle au cours des six dernières décennies, pour atteindre plus de 500 sites et une superficie de plus d'un quart de million de kilomètres carrés.7 Ces " zones mortes " représentent un risque considérable pour les écosystèmes aquatiques, notamment en termes de perte de biodiversité marine et d'espèces. La zone morte du golfe du Mexique en est un exemple frappant. Ce phénomène, observé depuis les années 1980, résulte du rejet d'azote et de phosphore dans le Mississippi, puis dans la région côtière. Les perturbations du cycle de l'azote dans les eaux douces peuvent également entraîner une acidification, endommager les écosystèmes aquatiques et entraîner un déclin de la biodiversité naturelle. "
Effets sur la santé humaine
Les effets des espèces réactives de l'azote, en particulier du nitrate, sur la santé humaine font encore l'objet de vifs débats. Divers liens ont été suggérés (dont plusieurs types de cancer), mais le plus connu est peut-être le lien possible entre le nitrate et la méthémoglobinémie chez les nourrissons, une maladie sanguine potentiellement mortelle. Ces préoccupations ont conduit à la fixation de limites strictes pour le nitrate dans l'eau potable.
La connaissance est la clé
Les efforts visant à rééquilibrer le cycle de l'azote sont donc importants pour réduire les impacts et promouvoir un écosystème sain et durable. Cela ne peut être réalisé que si nous connaissons les différentes sources d'azote réactif dans les écosystèmes et comprenons leurs effets. Pour acquérir ces connaissances, l'analyse des isotopes stables est souvent la première étape. L'analyse des isotopes stables du nitrate est possible depuis les années 1970 ; cette technique s'est imposée depuis le développement d'un diagramme simple à double isotope (figure 2) par le Dr Carol Kendall dans les années 1990. À l'aide de ce diagramme, les chercheurs ont pu identifier et caractériser rapidement les sources probables de nitrate dans des échantillons environnementaux. Vous trouverez des informations détaillées à ce sujet dans notre blog, Celebrating 25 Years of Dr Carol Kendall's Dual Isotope Plot of Nitrate Sources (Célébrons les 25 ans du diagramme à double isotope des sources de nitrate du Dr Carol Kendall ).Les données utilisées pour créer ce diagramme proviennent de sources mondiales, mais il est important d'étudier également les sources de contamination locales afin de pouvoir mettre en œuvre des changements à l'échelle régionale ou locale. Cela souligne la nécessité de disposer d'approches rapides et peu coûteuses pour effectuer des analyses à double isotope, qui peuvent contribuer à relever bon nombre des défis mentionnés ci-dessus.
De grandes quantités d'échantillons environnementaux peuvent être mesurées à l'aide d'analyseurs d'isotopes stables tels que notre EnvirovisION, ce qui permet d'obtenir des informations sur la pollution par les nitrates. Ces données peuvent être utilisées pour identifier les régions où les nitrates posent un problème. En combinaison avec le diagramme de Kendall, cela permet d'identifier les sources potentielles de nitrates. Ces techniques peuvent également fournir des données utiles pour modéliser des scénarios futurs et élaborer et mettre en œuvre des stratégies visant à rééquilibrer le cycle de l'azote.
Références
- Gruber N, Galloway J. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451, 293-296 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06592
- Richardson K, Steffen W, Lucht W, et al. La Terre au-delà de six des neuf limites planétaires. Sci Adv. 2023;9(37). doi:10.1126/SCIADV.ADH2458
- Howden NJK, Burt TP, Worrall F, et al. Nitrate pollution in intensively farmed regions : Quelles sont les perspectives pour maintenir des eaux souterraines de haute qualité ? Water Resour Res. 2011;47(11). doi:10.1029/2011WR010843
- Wang L, Stuart ME, Lewis MA, et al. The changing trend in nitrate concentrations in major aquifers due to historical nitrate loading from agricultural land across England and Wales from 1925 to 2150. Science of the Total Environment, The. 2016;542:694-705. doi:10.1016/j.scitotenv.2015.10.127
- DeSimone LA, McMahon PB, Rosen MR. The quality of our Nation's waters : Qualité de l'eau dans les principaux aquifères des États-Unis, 1991-2010. Circulaire. Publié en ligne 2015. doi:10.3133/CIR1360
- EUMETSAT. (2023) Lough Neagh algal bloom. https://user.eumetsat.int/resources/case-studies/loch-neagh-algal-bloom. Consulté le 31 juillet 2024.
- Dai M, Zhao Y, Chai F, et al. Persistent eutrophication and hypoxia in the coastal ocean. Cambridge Prisms : Coastal Futures. 2023;1:e19. doi:10.1017/CFT.2023.7
- Kendall C, McDonnell JJ. Isotope Tracers in Catchment Hydrology. Elsevier; 1998.
En savoir plus
Pour en savoir plus sur l'analyse isotopique des nitrates, consultez notre livre blanc. Nous avons parlé au Dr Leonard Wassenaar de sa méthode simplifiée d'analyse des isotopes du nitrate, la méthode du titane (III), qui simplifie considérablement le processus de préparation des échantillons.
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