Le cycle de l'azote

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Les formes de l'azote

L'azote se rencontre sous forme organique et sous forme minérale.

L'azote organique est celui des protéines et des acides aminés, des acides nucléiques, de certains osides comme la chitine, et de nombreux métabolites. Dans un sol, l'immense majorité de l'azote est sous cette forme, incluse dans la matière organique morte et dans la biomasse.

L'azote minéral en solution existe principalement sous deux formes assimilables, l'ion ammonium et l'ion nitrate, avec l'ion nitrite comme intermédiaire transitoire. L'ammonium est un cation, donc il est retenu par le complexe d'échange du sol. Le nitrate est un anion, donc il reste dans la solution du sol et se déplace avec l'eau, ce qui le rend très sensible au lessivage. Cette différence de comportement est fondamentale pour la suite du programme.

L'azote atmosphérique est dominé par le diazote, qui représente près de quatre cinquièmes de l'air. C'est un réservoir immense mais chimiquement inerte, en raison de la très forte énergie de la triple liaison entre les deux atomes. S'y ajoutent des gaz traces, dont l'oxyde nitreux, ainsi que les oxydes d'azote et l'ammoniac.

Un fil conducteur utile consiste à suivre le degré d'oxydation de l'atome d'azote. Il vaut moins trois dans l'ammonium et dans la matière organique, zéro dans le diazote, plus trois dans le nitrite, plus cinq dans le nitrate. Chaque flux du cycle est alors soit une oxydation, soit une réduction, soit un transfert sans changement de degré d'oxydation. Cette lecture évite de confondre les étapes.

La fixation du diazote

La fixation est la réduction du diazote atmosphérique en ammoniac, donc le passage du degré zéro au degré moins trois. Elle est catalysée par la nitrogénase, complexe enzymatique métallique présent uniquement chez certains procaryotes, bactéries et archées.

Deux contraintes commandent tout le reste. La réaction est très coûteuse en énergie, puisqu'elle exige un grand nombre de molécules d'ATP par molécule de diazote réduite, en plus des électrons. Et la nitrogénase est irréversiblement inactivée par le dioxygène. Les organismes fixateurs doivent donc à la fois disposer d'une source d'énergie abondante et protéger leur enzyme de l'oxygène.

On distingue les fixateurs libres, qui vivent dans le sol ou dans l'eau, dont des bactéries hétérotrophes du sol et des cyanobactéries. Chez certaines cyanobactéries filamenteuses, la fixation est confinée dans des cellules différenciées à paroi épaisse et dépourvues de photosystème produisant du dioxygène, ce qui résout le problème par une séparation spatiale.

On distingue ensuite les fixateurs symbiotiques, dont l'exemple obligatoire est l'association entre des bactéries du genre Rhizobium et les racines des Fabacées. La bactérie induit la formation d'un organe nouveau, la nodosité. À l'intérieur, les bactéries se différencient en bactéroïdes hébergés dans des cellules végétales volumineuses. La plante fournit les produits carbonés issus de la photosynthèse, donc l'énergie, et reçoit de l'azote réduit. Elle synthétise en outre une protéine à hème, la leghémoglobine, qui fixe le dioxygène avec une très forte affinité et maintient une concentration d'oxygène libre très basse autour de la nitrogénase tout en alimentant la respiration des bactéroïdes. C'est elle qui donne aux nodosités actives leur teinte rosée. Cette symbiose explique l'intérêt agronomique ancien des légumineuses dans les rotations.

L'ammonification

L'ammonification, ou minéralisation de l'azote, est la libération d'azote minéral à partir de la matière organique morte. Des bactéries et des champignons décomposeurs hydrolysent les protéines en acides aminés, puis désaminent ces acides aminés et libèrent de l'ammonium dans la solution du sol. Il n'y a pas de changement de degré d'oxydation, l'azote reste au degré moins trois.

C'est l'étape qui rend l'azote à nouveau disponible pour les plantes et les microorganismes. Sa vitesse dépend de la température, de l'humidité, de l'aération et surtout de la qualité de la matière organique, ce qui est développé plus loin.

La nitrification

La nitrification est l'oxydation de l'ammonium en nitrate. Elle se fait en deux temps, assurés par deux groupes bactériens différents. La nitritation oxyde l'ammonium en nitrite. La nitratation oxyde le nitrite en nitrate.

Ces bactéries sont chimiolithotrophes : elles tirent leur énergie de l'oxydation d'un substrat minéral et non de la lumière ni d'une matière organique, et elles sont autotrophes pour le carbone, qu'elles prélèvent sous forme de dioxyde de carbone. Elles sont aérobies strictes, puisque c'est le dioxygène qui sert d'accepteur final d'électrons. La nitrification exige donc un sol bien aéré et une réaction du sol peu acide. Elle est fortement ralentie dans les sols engorgés, tassés ou très acides.

Sa conséquence pratique est majeure : elle transforme un cation retenu par le complexe d'échange en un anion mobile. Un sol qui nitrifie vite est un sol où l'azote devient très disponible pour les plantes, mais aussi très exposé au lessivage vers les nappes et les cours d'eau.

La dénitrification

La dénitrification est la réduction du nitrate jusqu'au diazote, en passant par le nitrite, le monoxyde d'azote et l'oxyde nitreux. Elle est réalisée par des bactéries hétérotrophes qui, en absence de dioxygène, utilisent le nitrate comme accepteur final d'électrons de leur chaîne respiratoire. C'est donc une respiration anaérobie, et non une fermentation.

Elle exige trois conditions réunies, un milieu anoxique, la présence de nitrate et la présence de matière organique oxydable. Elle se produit donc surtout dans les sols engorgés, les zones humides, les sédiments et les microsites anoxiques au cœur des agrégats d'un sol par ailleurs aéré.

C'est le seul flux exigible qui renvoie de l'azote du sol vers l'atmosphère. Il boucle le cycle en compensant la fixation. Lorsqu'elle est incomplète, la dénitrification libère de l'oxyde nitreux au lieu du diazote. Ce gaz est un gaz à effet de serre puissant, à longue durée de vie atmosphérique, de l'ordre du siècle. La nitrification en produit également, en quantité moindre. Ces deux processus microbiens sont donc la principale source d'oxyde nitreux, ce qui relie directement le cycle de l'azote au climat.

Le même sol peut héberger les deux voies dans des microsites différents. La nitrification forme des nitrates dans les zones oxygénées ; la dénitrification les consomme dans les zones anoxiques. Les flèches résument les transformations et non leur vitesse ; fixation et assimilation sont traitées séparément.

L'assimilation

L'assimilation est le prélèvement d'azote minéral et son incorporation dans des molécules organiques. Elle est réalisée par les végétaux, par les algues et par les microorganismes du sol.

Les racines absorbent l'ammonium et le nitrate. Le nitrate doit d'abord être réduit, en nitrite puis en ammonium, par deux réductases successives, ce qui a un coût énergétique et explique que certaines espèces préfèrent l'ammonium. L'ammonium est ensuite incorporé sur un squelette carboné pour former un acide aminé, à partir duquel toute la chaîne des molécules azotées est construite.

Les microorganismes du sol assimilent eux aussi l'azote minéral pour bâtir leur propre biomasse. On parle alors d'organisation, ou immobilisation, car cet azote est temporairement soustrait à la disponibilité des plantes. C'est ce phénomène qui fonde le couplage avec le cycle du carbone.

Le couplage avec le cycle du carbone et le rapport C sur N

La matière organique contient à la fois du carbone et de l'azote, et sa dégradation mobilise donc les deux cycles simultanément. Le paramètre clé est le rapport de la masse de carbone à la masse d'azote de cette matière organique, noté C sur N.

Le raisonnement est un bilan à l'échelle du décomposeur. Une bactérie ou un champignon du sol utilise le carbone de la litière à la fois comme source d'énergie, qu'il respire et rejette en dioxyde de carbone, et comme matière pour sa propre biomasse. Or la biomasse microbienne a un rapport C sur N bas, de l'ordre de dix. Le décomposeur doit donc ajuster ses approvisionnements.

Si la litière a un rapport C sur N bas, inférieur au seuil, elle apporte plus d'azote que le décomposeur n'en a besoin pour le carbone qu'il assimile. L'excédent est relargué dans la solution du sol sous forme d'ammonium : il y a minéralisation nette, et l'azote devient disponible pour les plantes.

Si la litière a un rapport C sur N élevé, très supérieur au seuil, le carbone est abondant mais l'azote manque. Les décomposeurs prélèvent alors l'azote minéral de la solution du sol pour équilibrer leur bilan : il y a organisation nette, et l'azote minéral disponible pour les plantes diminue temporairement. C'est ce qui se produit lorsqu'on enfouit de la paille dans un sol, avec le risque connu de faim d'azote pour la culture suivante.

Le seuil de bascule se situe autour de vingt-cinq, avec une valeur qui dépend de l'efficacité de conversion des décomposeurs. À cela s'ajoute un second facteur de dégradabilité, la composition biochimique. Les sucres et les protéines sont rapidement consommés. La lignine, polymère aromatique très hétérogène et insoluble, n'est dégradée que par quelques champignons et très lentement. Une litière riche en lignine résiste donc, même à rapport C sur N modéré.

Cette double contrainte explique la formation de deux grands types d'humus, que le programme demande de comparer. Le mull se forme sous litière facilement dégradable, de rapport C sur N bas, sur un sol bien aéré et peu acide. La macrofaune, en particulier les vers de terre, y est abondante et enfouit la litière, ce qui assure un brassage intense. L'horizon organique est donc mince, la transition avec l'horizon organo-minéral progressive, et le renouvellement de la matière organique rapide. La minéralisation étant efficace, l'azote est disponible et la production végétale soutenue.

Le moder se forme sous litière difficilement dégradable, de rapport C sur N plus élevé et riche en composés récalcitrants, sur un sol plus acide. L'activité de la macrofaune brasseuse y est réduite, la litière n'est pas enfouie mais s'accumule en couches superposées à des stades de décomposition croissants, et l'horizon organique est épais et nettement stratifié. Le renouvellement est lent, l'azote reste immobilisé sous forme organique, et la production végétale est plus faible. On voit ici la boucle de rétroaction : la végétation détermine la qualité de la litière, qui détermine le type d'humus, qui détermine à son tour la disponibilité en azote et donc la végétation.

Exemples et ordres de grandeur

• Diazote atmosphérique, environ 78 pour cent du volume de l'air, réservoir de très loin dominant mais inaccessible sans nitrogénase.
• Azote d'un sol, très majoritairement sous forme organique, la fraction minérale ne représentant qu'un faible pourcentage du total.
• Rapports C sur N indicatifs : biomasse microbienne autour de dix, litière de feuillus de l'ordre de vingt à trente, aiguilles de conifères et pailles nettement au-dessus de cinquante, mull autour de dix à quinze, moder autour de quinze à vingt-cinq.
• Seuil de bascule entre minéralisation nette et organisation nette, autour de vingt-cinq.
• Fixation biologique naturelle, de l'ordre de la centaine de millions de tonnes d'azote par an à l'échelle planétaire, du même ordre de grandeur que la fixation industrielle actuelle.
• Durée de vie atmosphérique de l'oxyde nitreux, de l'ordre du siècle.

Le schéma de référence place au centre le compartiment d'azote organique, à gauche le diazote atmosphérique, en bas les formes minérales du sol. Les cinq flèches exigibles sont la fixation depuis l'atmosphère vers l'organique, l'ammonification de l'organique vers l'ammonium, la nitrification de l'ammonium vers le nitrate, l'assimilation du minéral vers l'organique, et la dénitrification du nitrate vers l'atmosphère. On indique pour chaque flèche l'organisme responsable et la condition d'oxygénation.

Méthodes et savoir-faire

Le programme impose la réalisation d'une préparation microscopique de nodosités. On prélève une nodosité sur une racine de Fabacée, on réalise des coupes fines à main levée, éventuellement colorées, et on observe. Les éléments à identifier sont la zone centrale infectée, formée de cellules végétales volumineuses gorgées de bactéroïdes, le parenchyme périphérique, et les faisceaux conducteurs disposés en couronne, qui assurent l'apport de photosynthétats et l'export des composés azotés. La teinte rosée des nodosités fonctionnelles est rapportée à la leghémoglobine. L'interprétation attendue relie l'organisation observée à la fonction : isolement du dioxygène, apport énergétique par la plante, export d'azote réduit.

Le second savoir-faire est l'explication du couplage carbone azote à partir de données. On fournit typiquement des rapports C sur N de litières, des mesures d'azote minéral du sol au cours du temps, et des caractéristiques du sol. La démarche consiste à situer le rapport C sur N par rapport au seuil, à prédire minéralisation nette ou organisation nette, puis à confirmer avec les données d'azote minéral, enfin à relier au type d'humus et à la production végétale.

Il faut enfin savoir raisonner sur les conditions d'oxygénation. Un même sol peut être nitrifiant dans ses parties aérées et dénitrifiant dans ses microsites anoxiques. Devant un document, la première question à se poser est toujours celle de la disponibilité en dioxygène, car elle détermine quel flux domine.

À mobiliser en colle et à l'écrit

1. Refaire le schéma du cycle avec les cinq flux exigibles, leurs acteurs et leurs conditions.
2. Suivre le degré d'oxydation de l'azote le long du cycle et qualifier chaque flux d'oxydation ou de réduction.
3. Expliquer les deux contraintes de la fixation, coût énergétique et sensibilité au dioxygène, et montrer comment la nodosité les résout.
4. Justifier pourquoi le nitrate est lessivable et l'ammonium retenu, à partir de leur charge et du complexe d'échange.
5. Décrire la nitrification comme une chimiolithotrophie aérobie et en tirer les conditions de sol favorables.
6. Poser le bilan du rapport C sur N et prédire minéralisation nette ou organisation nette.
7. Comparer mull et moder sur cinq critères, structure de l'horizon organique, biodiversité, brassage, pH et vitesse de renouvellement.
8. Pièges fréquents : présenter la dénitrification comme une fermentation, confondre minéralisation et nitrification, croire que les plantes fixent le diazote alors que seules leurs bactéries symbiotiques le font, oublier que l'oxyde nitreux est d'origine microbienne.

Notions et mécanismes clés

• Réservoir : compartiment où l'azote est stocké sous une forme donnée. Ce sont l'atmosphère, la biomasse, la matière organique morte, la solution du sol et le complexe d'échange.
• Flux : quantité d'azote transférée entre deux réservoirs par unité de temps. On l'oriente toujours de la forme de départ vers la forme d'arrivée.
• Degré d'oxydation de l'azote : moins trois dans NH₄⁺ et la matière organique, zéro dans N₂, plus un dans N₂O, plus deux dans NO, plus trois dans NO₂⁻, plus cinq dans NO₃⁻.
• Nitrogénase : enzyme procaryote qui réduit N₂ en NH₃. Elle consomme environ seize ATP et huit électrons par N₂ réduit, et produit en même temps du dihydrogène. Le dioxygène la détruit de façon irréversible.
• Hétérocyste : cellule différenciée de certaines cyanobactéries filamenteuses. Elle a une enveloppe épaisse, pas de photosystème II, et reçoit des glucides des cellules voisines. C'est le lieu de la fixation.
• Nodosité : organe racinaire néoformé chez les Fabacées après infection par Rhizobium. Elle héberge des bactéroïdes, formes différenciées des bactéries qui ne se divisent plus.
• Leghémoglobine : protéine à hème d'origine végétale, de très forte affinité pour O₂. Elle amène le dioxygène jusqu'aux bactéroïdes qui respirent et garde très basse la concentration d'O₂ libre.
• Ammonification : désamination des acides aminés issus de l'hydrolyse des protéines mortes, qui libère NH₄⁺. Elle se fait sans changement de degré d'oxydation.
• Minéralisation brute et nette : la brute est tout l'azote minéral libéré. La nette est la brute moins l'azote réorganisé par les microorganismes.
• Organisation, ou immobilisation : assimilation d'azote minéral par les décomposeurs pour leur propre biomasse.
• Nitritation : NH₄⁺ + 3/2 O₂ donne NO₂⁻ + 2 H⁺ + H₂O. Six électrons sont cédés par atome d'azote.
• Nitratation : NO₂⁻ + 1/2 O₂ donne NO₃⁻. Deux électrons seulement sont cédés, d'où un faible rendement énergétique.
• Chimiolithoautotrophie : énergie tirée de l'oxydation d'un minéral réduit, carbone tiré du CO₂. C'est le type trophique des bactéries nitrifiantes.
• Dénitrification : respiration anaérobie qui réduit NO₃⁻ en NO₂⁻, puis en NO, en N₂O et enfin en N₂. La dernière réductase, celle du N₂O, est la plus sensible à l'O₂ et à l'acidité.
• Assimilation végétale : le nitrate est réduit en nitrite par la nitrate réductase dans le cytosol, puis en ammonium par la nitrite réductase dans les plastes. L'ammonium est incorporé sur le glutamate par la glutamine synthétase.
• Complexe argilo-humique : argiles et humus chargés négativement. Il retient les cations comme NH₄⁺ et laisse NO₃⁻ en solution.
• Lessivage : entraînement vertical par l'eau d'infiltration des ions non retenus. Le nitrate en est la cible principale.
• Humus : matière organique transformée du sol. Le mull et le moder sont les deux types exigibles.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi N₂ est à la fois abondant et limitant. La triple liaison N≡N est très stable, et aucune enzyme eucaryote ne sait la rompre. L'immense réservoir atmosphérique n'est donc accessible que par la nitrogénase des procaryotes, à un coût énergétique élevé. Pour les plantes, l'azote utilisable est celui de la solution du sol. Il est peu abondant et renouvelé par la minéralisation.

De la contrainte à l'organe. La nitrogénase exige beaucoup d'ATP, donc une respiration aérobie intense, mais elle est détruite par l'O₂. La nodosité résout ce paradoxe. Une barrière corticale limite l'entrée d'O₂, et la leghémoglobine livre l'O₂ aux bactéroïdes sous forme liée, donc sans pic d'O₂ libre. La plante paie en photosynthétats et reçoit de l'azote réduit exporté par les faisceaux conducteurs.

L'oxygène commande le sens du cycle. En milieu aéré, l'O₂ est l'accepteur d'électrons des nitrifiants, et l'azote est oxydé de moins trois à plus cinq. En milieu anoxique, le nitrate devient l'accepteur d'électrons des dénitrifiants, et l'azote est réduit jusqu'à zéro. Un sol hétérogène fait les deux à la fois, à l'échelle de l'agrégat.

De la nitrification à la pollution des eaux. La nitrification change un cation retenu en anion mobile. Si la plante ne prélève pas le nitrate, les pluies d'automne et d'hiver l'entraînent vers la nappe. La nitrification acidifie aussi le sol, avec deux H⁺ par NH₄⁺ oxydé, ce qui ralentit à terme les nitrifiants eux-mêmes.

Du C/N au bilan azoté du décomposeur. Le décomposeur respire une part du carbone qu'il prélève et incorpore le reste dans une biomasse de C/N voisin de dix. Le C/N critique vaut donc le C/N microbien divisé par la fraction de carbone incorporée, soit 10 / 0,4 = 25 pour une efficacité de 40 pour cent. Une litière plus riche en azote que ce seuil libère de l'ammonium, une litière plus pauvre en capte.

De la litière à l'humus, et retour. La qualité de la litière, C/N et lignine, et le pH du sol règlent l'activité des vers de terre et des bactéries. Une forte activité enfouit et minéralise vite, ce qui donne un mull. Une faible activité laisse s'accumuler des couches stratifiées, ce qui donne un moder. L'azote disponible qui en résulte entretient la végétation de départ. C'est une boucle de rétroaction positive.

Exemples et références à connaître

1. Rhizobium et le pois, la luzerne ou le trèfle : l'exemple imposé de symbiose fixatrice. Les nodosités sont roses quand elles sont actives, vertes quand elles sont sénescentes.
2. Nostoc et Anabaena : cyanobactéries à hétérocystes, qui séparent dans l'espace la photosynthèse productrice d'O₂ et la fixation.
3. Nitrosomonas pour la nitritation, Nitrobacter pour la nitratation : deux genres différents, tous deux chimiolithoautotrophes aérobies stricts.
4. Hellriegel et Wilfarth, fin du dix-neuvième siècle : les légumineuses cultivées sur sable stérile ne gagnent de l'azote que si elles portent des nodosités. Winogradsky, à la même époque : isolement des bactéries nitrifiantes et mise en évidence de la chimiolithotrophie. Les expériences ne sont pas exigibles, mais les auteurs peuvent être cités.
5. Test de réduction de l'acétylène : la nitrogénase réduit aussi l'acétylène en éthylène, que l'on dose. C'est la mesure indirecte classique de l'activité fixatrice dans les documents.
6. Procédé Haber-Bosch : synthèse industrielle de NH₃ à partir de N₂ et H₂, à haute température et haute pression. Il fixe désormais autant d'azote que tous les écosystèmes terrestres réunis.
7. Ordres de grandeur agronomiques : une luzernière fixe de l'ordre de la centaine à quelques centaines de kilogrammes d'azote par hectare et par an. Le seuil de potabilité de l'eau en nitrate est de 50 milligrammes par litre.
8. N₂O : son pouvoir de réchauffement vaut environ trois cents fois celui du CO₂ à cent ans, et sa durée de vie dépasse un peu le siècle. Il détruit aussi l'ozone stratosphérique. L'agriculture en est la première source anthropique.
9. Hêtraie sur sol calcaire ou limoneux peu acide : exemple type de mull. Pinède ou chênaie sur sol sableux acide : exemple type de moder.
10. Zone humide riveraine : site dénitrifiant qui épure les eaux de nappe venant des champs avant qu'elles rejoignent le cours d'eau.

Techniques

Le schéma bilan du cycle

Réflexe en quatre temps. D'abord, placer les réservoirs en colonnes selon le degré d'oxydation : N organique et NH₄⁺ à moins trois, N₂ à zéro, NO₃⁻ à plus cinq. Ensuite, tracer les cinq flèches exigibles et les numéroter. Puis, sur chaque flèche, indiquer l'acteur, le type de réaction, oxydation ou réduction, et la condition d'O₂. Enfin, ajouter en pointillés les deux sorties de N₂O, depuis la nitrification et depuis la dénitrification, ainsi que le lessivage du nitrate.

Mini-exemple. Flèche N₂ vers NH₃ : nitrogénase des procaryotes, réduction, milieu protégé de l'O₂. Flèche NO₃⁻ vers N₂ : bactéries hétérotrophes, réduction, anoxie. Le correcteur vérifie immédiatement que ces deux réductions ne sont pas placées dans les mêmes conditions que la nitrification, qui est une oxydation.

Le bilan C/N chiffré

Méthode. Poser la masse de carbone de la litière, et en déduire la masse d'azote par le C/N. Appliquer l'efficacité de conversion pour obtenir le carbone incorporé, puis diviser par le C/N microbien pour obtenir l'azote requis. Comparer azote apporté et azote requis.

Mini-exemple. Une litière de C/N 20 apporte 100 g de carbone, donc 5 g d'azote. Avec une efficacité de 0,4, 40 g de carbone sont incorporés, ce qui requiert 4 g d'azote si le C/N microbien vaut 10. Il reste 1 g d'azote, libéré en NH₄⁺ : c'est une minéralisation nette.

Analyse d'un document de sol

La question d'entrée est toujours la même : où est l'O₂ ? On demande ensuite où sont le nitrate et la matière organique. Engorgement, tassement, profondeur, teneur en eau et taille des agrégats sont autant d'indices d'anoxie. Seulement ensuite, on nomme le flux dominant.

Mini-exemple. Un graphique montre que NO₃⁻ diminue et que N₂O augmente après une forte pluie sur un sol argileux. Les pores sont saturés, donc il y a anoxie. Le nitrate est disponible, donc il y a dénitrification. Le produit est N₂O plutôt que N₂, donc la dénitrification est incomplète.

La préparation de nodosités

Choisir une nodosité rose et la rincer. La tenir dans de la moelle de sureau ou dans une carotte, puis couper au rasoir des tranches aussi fines que possible dans l'axe. Monter dans l'eau, puis colorer si besoin au bleu de méthylène ou au carmin aluné et vert d'iode. Au faible grossissement, repérer la zone centrale sombre et les faisceaux périphériques. Au fort grossissement, observer les cellules infectées gonflées et les cellules non infectées intercalées.

Le plan de synthèse

Gabarit efficace : acteurs, puis conditions, puis conséquences. Chaque flux est un argument, jamais un paragraphe de catalogue.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes