Cycle du phosphore - Définition
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Introduction
Le cycle du phosphore est un cycle biogéochimique mettant en jeu le phosphore.
Généralités
Le cycle du phosphore est unique parmi les cycles biogéochimiques majeurs car il ne possède pas de composante gazeuse. Par conséquent, il n’affecte pratiquement pas l’atmosphère. En milieu terrestre, le phosphore est, le plus souvent, sous forme de phosphate c’est-à-dire un atome de phosphore entouré de quatre atomes d’oxygène (PO4). Sous cette forme, nous le retrouvons comme un des composants du squelette des êtres vivants mais aussi des dents des vertébrés. Pour ainsi dire, toutes les formes de vie ont besoin du phosphore car il est important pour la vie. En effet, il est essentiel à la fabrication de nombreuses molécules, comme les protéines et les acides nucléiques : ARN et ADN.
De plus en milieu terrestre, le phosphore est dérivé de l’altération des phosphates de calcium des roches de la surface de la lithosphère, de type volcanique comme l’apatite. Le phosphore est donc un élément limitant dans plusieurs écosystèmes terrestres, à cause de l’absence de réservoir atmosphérique et sa disponibilité est directement liée à l’altération superficielle des roches. Il se distingue aussi des autres cycles par le fait que le transfert du phosphore d’un réservoir à un autre n’est pas contrôlé par des réactions microbiennes, comme c’est le cas dans d’autres cycles biogéochimiques, car les bactéries « phosphorisantes » sont trop rares. Le phosphore va circuler dans les différents compartiments lithosphériques, en milieu aquatique et terrestre. De plus, l’effet limitant du phosphore va être perturbé par des apports anthropiques, ce qui va causer des problèmes environnementaux d’eutrophisation.
Cycle marin
Le phosphore est un élément peu abondant dans la lithosphère et n’a pas de réservoir atmosphérique. Aux pH des eaux superficielles, le phosphore minéral est sous forme d’ions H2PO4- et HPO42-, on dose en général la somme de 2 formes exprimée en orthophosphatases : PO43-. La dissociation s'effectue à partir de l'acide phosphorique selon la formule suivante :
H3PO4 ⇔ H2PO4- + H+ ⇔ HPO42- + 2H+ ⇔ PO43- + 3H+
Le phosphore se trouve originellement dans les roches qui composent le globe terrestre. Il arrive dans le milieu marin de plusieurs façons :
- Phosphore issus des sols naturels, qui est le résultat de l’érosion des roches contenant de la fluoropatite.
- Phosphore provenant du lessivage de sols cultivés,
- Phosphore qui est contenu dans les effluents domestiques (en majorité détergents et selles).
Les sédiments qui se déposent en milieu marin fonctionnent comme un piège à phosphore. Ils reçoivent le phosphore particulaire et peuvent adsorber celui qui est dissout. Le passage du phosphore organique à inorganique est assuré par les bactéries (eubacillus et bacillus) ou des champignons (saccharomyces et penicillium). Le phosphore dans le sédiment se fossilise pour devenir de l’apatite : diagenèse. La concentration du phosphate dans le sédiment est de l’ordre de 0,02 à 0,1 mg/cm3.
La couche superficielle des sédiments est bien oxydée (bioturbation) et va constituer une barrière efficace s’opposant au transfert du phosphore des sédiments vers l’eau. Le Fer contenu dans la zone oxydée se trouve à l’état d’hydroxyde ferrique, qui fixe très fortement le phosphore par adsorption ou complexation, et l’empêche de traverser cette couche. On a petit à petit enfouissement du Phosphore. Par contre, si le dioxygène vient à manquer à l’interface eau-sédiment, les hydroxydes ferriques sont réduits et la barrière se dissipe, le phosphore est diffusé librement dans l’eau. Les hydroxydes de manganèse étant réduits avant les hydroxydes ferriques, l’apparition de manganèse dans l’hypolimnion est un signe précurseur de l’apparition du fer et du Phosphore. Au mélange total, l’apport d’O2 reconstitue la couche oxydée et capturé à nouveau par les hydroxydes ferriques, le Phosphore de l’hypolimnion est précipité et immobilisé.
L'enfouissement du phosphore dans les sédiments représente une perte pour les écosystèmes. On parle de cycle ouvert, puisque ce phosphore est perdu pour les cycles biologiques. D'un point de vue purement géologique, ce phosphore pourra redevenir disponible pour les organismes vivants au bout d'un certain temps. C'est donc un cycle fermé du point de vue d'un temps géologique, mais c'est un cycle ouvert du point de vue d'un temps biologique.
Dans le cycle biologique, le phosphore commence son rôle dans la chaîne alimentaire avec le plancton. Par des phénomènes de remontées d'eau (« upwellings »), une partie du phosphore remonte depuis les profondeurs et est assimilée par le phytoplancton. Ce phytoplancton est ensuite assimilé par le zooplancton, les poissons ou des mollusques. Ces mêmes poissons peuvent être mangés par des oiseaux marins qui permettent au phosphore de revenir en partie sur la terre ferme à travers les selles. De même la pêche permet de ramener ce phosphore à la terre, toujours dans des quantités relativement faibles.
