Le cycle de l'azote
L'azote est un élément nutritif essentiel à la survie de tous les organismes vivants. Il constitue l'élément constitutif des protéines, de l'ADN et de la chlorophylle. La plupart des atomes d'azote existent sous forme de paires étroitement liées, formant du diazote gazeux (N2), qui représente 78 % de l'atmosphère. Malgré son abondance, seuls quelques micro-organismes sont capables de briser la puissante triple liaison du N2, pour l'utiliser et la convertir en une forme plus accessible (azote réactif) comme l'ammoniac (NH3), le nitrate (NO3-) ou l'azote organique.
Le mouvement de l'azote à travers l'atmosphère, la biosphère et la géosphère sous différentes formes est appelé le cycle de l'azote.
La fixation de l'azote
Le processus de conversion de N2 en azote biologiquement disponible et réactif est appelé la fixation de l'azote. Les triples liaisons entre les atomes d'azote du N2 rendent ce composé très stable. Seuls certains organismes, appelés organismes fixateurs d'azote, sont capables de produire l'énergie nécessaire à la rupture de la triple liaison du N2. Les bactéries du genre Rhizobium, Azotobacter, Clostridium et les cyanobactéries sont des exemples d'organismes fixateurs d'azote. Le Rhizobium entretient une relation symbiotique avec les plantes, principalement celles de la famille des légumineuses (haricots, trèfle et pois). Les bactéries habitent les nodules racinaires de la plante et fournissent de l'azote organique en échange d'hydrates de carbone.
La fixation de l'azote peut également se produire de manière abiotique (sans organismes) par le biais de la foudre, du rayonnement cosmique et des feux de forêt. Dans ces processus, le N2 se combine avec l'oxygène pour former les oxydes d'azote NO et NO2-. Ces oxydes d'azote se mélangent à la pluie et retombent sur la surface terrestre sous forme d'acide nitrique (HNO3).
Cependant, l'homme a bien plus contribué à l'introduction de nitrogènes réactifs dans l'environnement que les processus naturels. Il l'a fait en brûlant des combustibles fossiles et en utilisant de manière excessive des engrais azotés synthétiques. La plupart de l'azote d'origine humaine, comme les engrais azotés, est le résultat du processus Haber-Bosch.
La nitrification
La nitrification est la transformation de l'ammoniac en nitrite (NO2-), puis en nitrate (NO3-). La plupart des nitrifications se produisent de manière aérobie et sont réalisées exclusivement par des procaryotes. Les espèces de bactéries oxydant l'ammoniac et le nitrite sont omniprésentes dans les environnements aérobies. Il s'agit de Nitrosomonas, Nitrosospira et Nitrosococcus, qui oxydent l'ammoniac en nitrite, et de Nitrobacter, Nitropinam, Nitrospira et Nitrococcus, qui oxydent le nitrite en nitrate.
La première étape de la nitrification implique deux réactions différentes. Tout d'abord, une enzyme appelée ammoniac monooxygénase convertit l'ammoniac en hydroxylamine. Ensuite, une enzyme appelée hydroxylamine oxydoréductase convertit l'hydroxylamine en nitrite.
Enfin, le nitrite résultant est à son tour oxydé en nitrate par un oxydant de nitrites.
L'oxydation de l'ammoniac peut également se produire en anaérobiose. Ce processus est appelé anammox (oxydation anaérobie de l'ammoniac), et il est réalisé par des bactéries telles que Brocadia anammoxidans.
L'ammonification
Les déchets azotés des plantes et des animaux morts sont convertis en ammoniac inorganique (NH3) par des bactéries et des champignons dans un processus appelé ammonification. L'ammoniac qui en résulte peut être utilisé par les plantes pour leur croissance.
La dénitrification
La dénitrification est le processus qui convertit les nitrates en azote gazeux, éliminant ainsi l'azote biodisponible et le renvoyant dans l'atmosphère.
Le procédé Haber - Bosch
Les scientifiques allemands Fritz Haber et Carl Bosch ont mis au point une méthode permettant de transformer l'azote atmosphérique non réactif en ammoniac. Dans cette méthode, l'azote de l'air est directement combiné à l'hydrogène sous des pressions et des températures élevées. Actuellement, le procédé Haber-Bosch est utilisé pour produire environ 100 téragrammes (Tg) d'azote réactif (35 % de l'azote réactif total) par an dans le monde, dont la majeure partie est utilisée pour produire des engrais azotés.
Le cycle global de l'azote
La nature inerte du N2 limite la productivité primaire de nombreux écosystèmes, comme celle des plantes. L'augmentation de la population humaine peut modifier le cycle global de l'azote, ce qui a un impact considérable sur la biodiversité, le réchauffement climatique, la qualité de l'eau et la santé humaine.