Par Ian Angus
Il y a près d’un demi-siècle, dans Scientific American, l’écologiste C.C. Delwiche mettait en garde: «De toutes les interventions récentes de l’homme dans les cycles de la nature, la fixation industrielle de l’azote dépasse de loin toutes les autres en ampleur.» [1]
Bien que cela soit beaucoup plus vrai aujourd’hui, la pollution par l’azote est l’un des problèmes environnementaux les moins discutés.
Si vous demandez aux militants écologistes d’identifier leurs principales préoccupations, les changements climatiques et les extinctions d’espèces seront probablement nommés en premier, suivis par la pollution atmosphérique, la déforestation et peut-être la croissance démographique. Si l’azote est mentionné, il sera tout en bas de la liste. Bien qu’il existe de nombreuses études scientifiques et techniques sur la crise de l’azote, peu d’ouvrages de vulgarisation sur les questions environnementales ont quelque chose de substantiel à dire à ce sujet. Les agriculteurs bios sont préoccupés par la présence d’azote dans les engrais synthétiques, mais il n’y a pas de manifestations contre l’azote, pas de traités internationaux de réduction de l’azote, pas de politiciens qui défendent ou nient la science.
Comme le dit le rapport de 2013 Our Nutrient World (Notre monde nutritif),
«Alors que le récent débat scientifique et social sur l’environnement s’est concentré en particulier sur le CO2 en relation avec le changement climatique, nous voyons qu’il ne s’agit là que d’un aspect d’un ensemble beaucoup plus vaste et encore plus complexe de changements qui se produisent dans les cycles biogéochimiques du monde. En particulier, il devient de plus en plus évident que la modification des cycles mondiaux de l’azote et du phosphore représente un nouveau défi majeur qui n’a pas reçu suffisamment d’attention.» [2]
Les arguments scientifiques en faveur de la lutte contre la perturbation de l’azote sont solides. Des études sur les limites planétaires ont identifié deux processus critiques du système terrestre qui sont plus éloignés des limites de sécurité que tout autre: la perte de biodiversité et le cycle de l’azote [3]. La revue Science décrit «la perturbation massive du régime global de l’azote» comme une «composante majeure» de l’anthropocène [4]. Un rapport parrainé par l’European Science Foundation (Fondation européenne de la science) affirme que la production industrielle d’azote réactif «représente peut-être la meilleure expérience jamais faite par les humains en géo-ingénierie mondiale» [5].
La rupture dans le cycle de l’azote constitue une menace majeure pour la stabilité du système terrestre. Cet article – et les deux qui suivront – traite du fonctionnement du cycle naturel et de la façon dont il a été perturbé dans l’anthropocène.
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La croissance et la survie de tous les organismes vivants dépendent du recyclage constant de la matière et de l’énergie à tous les niveaux, des cellules microscopiques à la planète entière [6]. Les éléments chimiques qui rendent la vie possible sont constamment utilisés et réutilisés à des échelles de temps allant des microsecondes aux millions d’années. C’est particulièrement vrai pour les quatre grands – l’oxygène, le carbone, l’hydrogène et l’azote – qui constituent 96% du corps humain.
Les grands cycles biogéochimiques qui façonnent et définissent le système terrestre ont évolué pendant des milliards d’années, prenant leurs formes actuelles bien avant la naissance de nos premiers ancêtres primates. Au cours des deux derniers siècles, et surtout depuis 1950, les activités humaines ont perturbé nombre de ces cycles métaboliques, sapant les systèmes et les conditions qui rendent possible la vie telle que nous la connaissons.
Le cycle biogéochimique le plus complexe est celui de l’azote, que l’on peut appeler la substance même de la vie. L’azote représente entre 13% et 19% de toutes les protéines, y compris Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase), l’enzyme qui rend possible la photosynthèse. Vaclav Smil résume ainsi son importance:
«L’azote est présent dans toutes les cellules vivantes; dans la chlorophylle dont la stimulation par la lumière attise la photosynthèse (la plus importante conversion d’énergie de la biosphère); dans les nucléotides des acides nucléiques (ADN et ARN), qui stockent et traitent toutes les informations génétiques; dans les acides aminés, qui constituent toutes les protéines; dans les enzymes qui contrôlent la chimie du monde vivant…
«C’est le nutriment responsable de la croissance végétative vigoureuse, du vert profond des feuilles, de leur grande taille et de leur sénescence retardée, ainsi que de la taille et de la teneur en protéines des céréales, les aliments de base de l’humanité. La carence en azote ne peut pas non plus être négligée: feuilles vert pâle ou jaunâtres, croissance lente et rabougrie des plantes, faibles rendements et teneur réduite en protéines des graines.
«L’importance de l’azote pour l’être humain n’en est pas moins critique. Nous devons ingérer dix acides aminés essentiels préformés complets afin de synthétiser les protéines corporelles nécessaires à la croissance et au maintien des tissus. Le retard de développement mental et physique est la conséquence la plus grave de la malnutrition protéique.» [7]
Parmi les éléments essentiels à la vie, l’azote est à la fois le plus abondant et le moins disponible. Il y a plus d’azote dans la biosphère que de carbone, de phosphore, d’oxygène et de soufre combinés. 78% de l’air que nous respirons est constitué d’azote, mais plus de 99% de l’azote de l’atmosphère se présente sous une forme que peu d’organismes vivants peuvent utiliser.
Les atomes d’azote ont une capacité inhabituellement forte de former des composés stables à bien des égards avec différents éléments, en particulier, ils se combinent facilement avec divers nombres d’atomes d’oxygène et d’hydrogène pour créer de l’ammoniac, de l’ammonium, de l’oxyde nitrique, du nitrite, du nitrate, de l’acide nitrique, de l’oxyde nitreux et une multitude de molécules organiques. Sous ces formes, on l’appelle azote réactif parce qu’il peut participer à des processus biologiques et chimiques et parce que les divers composés azotés peuvent se transformer et se transforment facilement entre eux. (Pour la croissance des plantes, l’ammonium et les nitrates sont particulièrement importants, et les agronomes appellent généralement ces composés spécifiques l’azote disponible.)
Mais la plupart du temps, les atomes d’azote se combinent entre eux. Des paires d’atomes d’azote se lient pour créer des molécules de diazote [donc une molécule composée de deux atomes d’azote], presque incassables, chimiquement et biologiquement inertes. Ce sont ces molécules qui représentent 78% de l’air. L’énergie et la chaleur élevées des éclairs peuvent fendre les molécules de diazote et les combiner à l’oxygène pour créer des oxydes d’azote, mais cela n’arrive pas assez souvent ou en volumes assez importants pour fournir l’azote réactif dont la vie a besoin.
La vie telle que nous la connaissons n’est possible que parce que, dans un passé lointain, certaines bactéries ont développé la capacité de fixer l’azote – de séparer les molécules de diazote atmosphérique et de créer des composés azotés réactifs. Une forme précoce de fixation biologique de l’azote (diazotrophie) a probablement évolué il y a plus de 3 milliards d’années, avec les premiers organismes unicellulaires, mais le cycle moderne de l’azote nécessite de l’oxygène, ce qui était alors rare. Il y a environ 2,5 milliards d’années, à peu près au même moment où la révolution de l’oxygène a commencé à modifier la composition de l’atmosphère terrestre, quelques souches de bactéries et d’archées [êtres vivants constitués d’une cellule unique qui ne comprend ni noyau ni organites, à l’instar des bactéries], collectivement appelées diazotrophes, ont développé la forme moderne de fixation biologique de l’azote. Aujourd’hui, les descendants de ces organismes microscopiques sont les seuls organismes capables de fixer l’azote. Aucune autre forme de vie n’a développé cette capacité, mais toutes les autres formes de vie en dépendent.
Les diazotrophes et d’autres microbes sont des acteurs clés dans un processus circulaire qui déplace l’azote de l’atmosphère vers les organismes vivants et inversement. Dans les écosystèmes terrestres, il y a trois grandes étapes, chacune impliquant des transformations que seuls des organismes microscopiques peuvent effectuer.
Fixation. L’azote se diffuse de l’air dans le sol et les eaux de surface, où les diazotrophes le transforment (le fixent) en ammoniac, un gaz azoté réactif qui se dissout dans l’eau pour former l’ammonium. Dans l’océan, la fixation se fait surtout par certains types de cyanobactéries, qui sont souvent mal nommées algues bleu-vert. Dans le sol, une partie de l’ammonium est créée par des microbes vivant en liberté, mais la plus grande partie de la fixation se fait de loin par quelques espèces qui vivent en symbiose dans les racines de légumineuses telles que la luzerne, le trèfle et les haricots. Il y a des milliers d’années, les agriculteurs ont découvert que la culture de légumineuses avec d’autres cultures ou en rotation annuelle aidait à maintenir la fertilité du sol.
Nitrification. Certaines plantes, comme le riz, peuvent utiliser directement l’ammonium, mais la plupart ne le font pas. Des microbes spécialisés le transforment rapidement en nitrite, puis en nitrate, que les plantes absorbent par leurs racines et utilisent pour fabriquer des acides aminés et des protéines. Lorsque les plantes meurent et se décomposent, l’azote qu’elles ont utilisé finit par retourner dans le sol sous forme de composés organiques qui se décomposent en ammonium, lequel peut ensuite être transformé en nitrite et nitrate et réutilisé par d’autres plantes. Bien sûr, certaines plantes sont mangées par des oiseaux ou des animaux qui utilisent une partie de l’azote pour développer leur corps, et excréter le reste – en fin de compte, il retourne au sol quelque part. Dans les écosystèmes naturels, la matière organique qui s’est décomposée dans le sol est une source primaire de l’azote réactif nécessaire à la croissance des nouvelles plantes.
Dénitrification. Une partie de l’azote réactif est enfouie dans les sédiments océaniques ou les sols profonds, mais la majeure partie est consommée par d’autres microbes qui le transforment en gaz qui retournent dans l’atmosphère. En moyenne, le cycle de la fixation initiale à l’atmosphère sous forme de diazote prend environ 500 ans pour l’azote dans les sols et 10 fois plus longtemps dans les océans.
Il s’agit ici d’un compte rendu simplifié d’un processus très complexe. Des livres entiers ont été écrits pour décrire le cycle de l’azote, et la plupart admettent qu’il n’est pas encore complètement compris [8]. Tout atome d’azote donné peut traverser des parties du cycle plusieurs fois, de différentes façons et à différentes échelles de temps, se combinant avec d’autres éléments de multiples façons, traversant l’air, l’eau, le sol, les plantes, les animaux et les humains sur le chemin du retour, de l’atmosphère et inversement.
De plus, les différents cycles biogéochimiques ne peuvent pas être pleinement compris isolément les uns des autres – chacun d’entre eux affecte fortement les autres et est fortement influencé par eux, comme le souligne le rapport de synthèse de l’International Geosphere-Biosphere Program (Programme international sur la géosphère et la biosphère):
«La concentration atmosphérique de CO2 peut influencer la quantité d’azote absorbée par les plantes qui ont des symbiotes fixant l’azote dans leur structure racinaire en modifiant le taux de fixation biologique de l’azote. Ces types particuliers de plantes peuvent utiliser une disponibilité accrue d’azote pour augmenter l’azote des feuilles, ce qui conduit à son tour à une capacité photosynthétique accrue. Le taux de fixation biologique de l’azote est toutefois également limité par un autre élément, le phosphore. Le niveau de CO2 peut également modifier la quantité de phosphore disponible pour les plantes.» [9]
Beaucoup d’autres exemples pourraient être cités. Si le sol ne contient pas assez d’eau, les plantes ne peuvent pas pousser et absorber l’azote. Si les températures sont trop chaudes, les diazotrophes ne peuvent pas fixer l’azote aussi bien. Les cycles planétaires sont étroitement liés et la vie y participe activement.
Si la fixation de l’azote n’avait pas été suivie d’une dénitrification – s’il s’agissait d’un processus à sens unique et non d’un cycle – tout l’azote de l’atmosphère aurait été éliminé depuis longtemps. Mais, comme cela s’est souvent produit dans l’évolution de la matière vivante, la sélection naturelle a produit des organismes qui ont inversé le processus. Pendant des centaines de millions d’années, la sélection naturelle a produit un équilibre entre la conversion de l’azote en azote réactif par certaines bactéries et la conversion de l’azote réactif en azote par d’autres. Par conséquent, au fil du temps, le volume d’azote réactif dans la biosphère est resté à peu près constant – jusqu’à récemment, comme nous allons le voir.
Au début des années 1800, les chimistes agricoles ont énoncé la loi du minimum, qui stipule que la croissance des plantes est limitée non pas par la quantité totale de nutriments disponibles, mais par la quantité du nutriment le plus rare. Dans la plupart des cas, le facteur limitant a été l’azote sous des formes que les plantes peuvent facilement utiliser. Il y en a proportionnellement moins dans la plupart des écosystèmes que dans d’autres nutriments essentiels, et la quantité totale dans la biosphère n’augmente pas avec le temps. Dans les océans et sur terre, l’azote est, comme l’a écrit l’écologiste australien Thomas White, «le produit chimique le plus limitatif».
«En tant que nutriment, l’azote est nécessaire en quantités supérieures à celles du carbone. C’est un constituant clé de toutes les cellules vivantes. Sans azote, les protéines ne peuvent pas être construites. Les protéines sont les structures physico-chimiques de base de tous les êtres vivants et sont constituées d’acides aminés. L’azote est le composant clé de ces acides aminés que tous les organismes doivent posséder. Aucun organisme – végétal, animal ou protiste [unicellulaire] – ne peut survivre, et encore moins croître, sans un apport adéquat d’azote pour la synthèse des protéines. La productivité de toute la vie sur Terre, dans les milieux terrestres et aquatiques, est limitée par l’azote biologiquement disponible.» [10]
Globalement et dans la plupart des écosystèmes, la disponibilité de l’azote réactif a limité la quantité de biomasse sur Terre, et la sélection naturelle a favorisé les organismes qui l’utilisent efficacement. Mais au cours du siècle dernier, trois processus majeurs ont perturbé l’équilibre entre la fixation et la dénitrification, en ajoutant des quantités sans précédent d’azote réactif à la biosphère:
- Production industrielle d’ammoniac pour engrais et explosifs selon le procédé Haber-Bosch;
- La culture à grande échelle du riz, du soja et d’autres cultures qui favorisent la production d’azote réactif;
- La combustion de combustibles fossiles, qui, en plus du CO2, produit le dioxyde d’azote et l’oxyde nitrique (NO2 et NO).
Ces processus produisent maintenant plus d’azote réactif que tous les systèmes terrestres naturels combinés – et il n’y a pas eu d’augmentation correspondante de la dénitrification.
En conséquence, le biogéochimiste James Galloway écrit: «Nous accumulons de l’azote réactif dans l’environnement à des taux alarmants, et cela peut s’avérer aussi grave que de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.» [11]
Dans un deuxième article sera examiné l’impact environnemental de l’excès d’azote réactif. (Article publié par Ian Angus – avec l’aide de Fred Magdoff – dans une série disponible sur son site Climate & Capitalism; traduction rédaction A l’Encontre)
Notes
[1] C. C. Delwiche, “The Nitrogen Cycle,” Scientific American, September 1970, 137.
L’essentiel de l’azote fixé industriellement – ce qui nécessite des combustibles fossiles pour atteindre les températures et les pressions requises – est destiné, sous forme d’engrais, à des usages agricoles. (Réd.)
[2] Mark A. Sutton et al., Our Nutrient World: The Challenge to Produce More Food and Energy with Less Pollution. (Edinburgh: Centre for Ecology and Hydrology, 2013), 1.
[3] Stockholm Resilience Centre, “Planetary Boundaries Research,” https://www.stockholmresilience.org/research/planetary-boundaries/planetary-boundaries/about-the-research/the-nine-planetary-boundaries.html.
[4] Elser, J. J. “A World Awash with Nitrogen.” Science, vol. 334, no. 6062, 2011, 1505
[5] Mark A. Sutton and Hans Van Grinsven, “European Nitrogen Assessment: Summary for Policy Makers,” 2011, http://www.nine-esf.org/files/ena_doc/ENA_pdfs/ENA_policy summary.pdf.
[6] Ian Angus, Earth’s Circular Economy: Recycling as a Law of Life, Climate & Capitalism, May 9, 2018
[7] Vaclav Smil, Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production (Cambridge, Mass: MIT, 2001), xiii-xiv
[8] Pour un résumé de l’état actuel des connaissances (et de l’ignorance) sur les rôles joués par «une étonnante diversité de micro-organismes» dans le cycle de l’azote, voir: Marcel M. M. Kuypers, Hannah K. Marchant, and Boran Kartal, “The Microbial Nitrogen-cycling Network,” Nature Reviews Microbiology 16, no. 5 (2018): , doi:10.1038/nrmicro.2018.9.
[9] Will Steffen et al., Global Change and the Earth System: A Planet under Pressure (Berlin: Springer, 2005), 29
[10] T. C. R. White, The Inadequate Environment: Nitrogen and the abundance of animals (Berlin: Springer-Verlag, 2012), 12.
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