Le cycle de l azote et de la MO - Les services de l`État en Moselle

Le cycle de l’azote et de la matière
organique
Réalisé par
Alain BADOC
Vendredi 4 mars 2016
CONTENU
I)
Le cycle de l’azote .............................................................................. 3
I-1 La fixation de l’azote ....................................................................... 4
I-2 La nitrification ................................................................................. 4
I-3 La dénitrification .............................................................................. 5
II Le cycle de la matière organique ............................................................. 7
III Les engrais de ferme ........................................................................... 9
III-1 Remarque préliminaire ................................................................... 9
III-2 Les différents engrais de ferme ........................................................ 9
III-2-1 Le lisier .................................................................................. 9
III-2-2 Le fumier ................................................................................ 9
III-3 Teneur en éléments fertilisants .......................................................10
IV La valorisation de l’azote via la méthanisation .........................................12
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I)
LE CYCLE DE L’AZOTE
L’azote est le premier gaz en importance dans l’atmosphère terrestre (78%).
Il s’y trouve sous sa forme moléculaire normale diatomique N2, un gaz
relativement inerte (peu réactif). Les organismes ont besoin d’azote pour
fabriquer des protéines et des acides nucléiques, mais la plupart ne peuvent
utiliser la molécule N2. Ils ont besoin de ce qu’on nomme l’azote fixé dans
lequel les atomes d’azote sont liés à d’autres types d’atomes comme par
exemple à l’hydrogène dans l’ammoniac NH 3 ou à l’oxygène dans les ions
nitrates NO3. Le cycle de l’azote est très complexe; le schéma suivant en
présente une simplification.
Figure 1 Le cycle de l'azote
Source : http://www2.ggl.ulaval.ca/
3
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Trois



processus de base sont impliqués dans le recyclage de l’azote
La fixation de l’azote N2
La nitrification
La dénitrification
I-1 La fixation de l’azote
La fixation de l’azote correspond à la conversion de l’azote atmosphérique en
azote utilisable par les plantes et les animaux. Elle se fait par certaines bactéries
qui vivent dans les sols ou dans l’eau et qui réussissent à assimiler l’azote
diatomique N2. Il s’agit en particulier des cyanobactéries et de certaines bactéries
vivant en symbiose avec des plantes (entre autres, des légumineuses). La
réaction chimique type est:
I-2 La nitrification
La nitrification transforme les produits de la fixation (NH 4+, NH3) en NOx (soient
NO2- et NO3-), des nitrites et nitrates. C’est une réaction d’oxydation qui se fait
par catalyse enzymatique reliée à des bactéries dans les sols et dans l’eau.
La réaction en chaîne est de type:
Soit:
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Nota : L’ammonium et les nitrates sont solubles dans l’eau. Un excès génère une
fuite vers le milieu naturel (pollution des captages, des nappes et eaux
superficielles). Dans les écosystèmes qui perdent des nitrates vers les nappes
phréatiques, la nitrification est une source d'acidité pour le sol
I-3 La dénitrification
La dénitrification retourne l’azote à l’atmosphère sous sa forme moléculaire N2,
avec comme produit secondaire du CO2 et de l’oxyde d’azote N2O, un gaz à effet
de serre qui contribue à détruire la couche d’ozone dans la stratosphère. Il s’agit
d’une réaction de réduction de NO3- par l’intermédiaire de bactéries transformant
la matière organique. La réaction est de type :
L’activité humaine contribue à l’augmentation de la dénitrification, entre autres,
par l’utilisation des engrais qui ajoutent aux sols des composés ammoniaqués
(NH4+, NH3) et des nitrates (NO3-). L’utilisation des combustibles fossiles dans les
moteurs ou les centrales thermiques transforme l’azote en oxyde d’azote NO2-.
Avec N2 et CO2, la dénitrification émet dans l’atmosphère une faible quantité
d’oxyde d’azote N2O. La concentration de ce gaz est faible, 300 ppb (parties par
milliard). Cependant, il faut savoir qu’une molécule de N 2O est 200 fois plus
efficace qu’une molécule de CO2 pour créer un effet de serre. On évalue
aujourd’hui que la concentration en N2O atmosphérique augmente annuellement
de 0.3% et que cette augmentation est pratiquement reliée entièrement aux
émissions dues à la dénitrification des sols.
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Figure 2 Le cycle de l'azote au niveau du sol
Référence : https://www.intellego.fr
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II LE CYCLE DE LA MATIERE ORGANIQUE
Quand ils grandissent, quand ils se régénèrent, quand ils se reproduisent, les
êtres vivants produisent de la matière organique.
Pour fabriquer leur matière, les végétaux n’ont pas besoin de matière organique.
Ce sont des producteurs primaires. Ils se contentent de minéraux (dont l’azote
minéral NO3-) présent dans leur milieu et de l’énergie solaire.
Les animaux, les champignons et de nombreux autres êtres vivants, ne peuvent
survivre sans prélever de la matière organique dans leur milieu. Ce sont des
producteurs secondaires.
La matière organique se distingue du reste de la matière minérale, à plusieurs
titres :
 une faible proportion dans l'univers ;
 le rôle central joué par le carbone ;
 une évolution rapide au sein de cycles notamment dans les écosystèmes
où elle passe par des étapes de décomposition. Elle est à l'origine de la
couleur thé (acides humiques) des eaux s'écoulant dans les forêts ou
tourbières, et de la couleur noir des sols riches en humus ou de certains
sédiments riches en matière organique.
Elle joue un rôle important dans la cohérence et la stabilité des sols (Complexe
Argilo humique).
Dans les sciences de l'environnement, la matière organique est essentiellement
associée à l'état de décomposition, état qui suit la mort de l'organisme et le fait
d’entrer dans de nouveaux cycles.
Le travail de décomposition est réalisé par des bactéries, champignons,
nématodes et autres organismes nécrophages, coprophages8 ou décomposeurs.
On distingue généralement 3 types de facteurs susceptibles d’influer sur la
vitesse et qualité de la décomposition :

Les facteurs environnementaux





Aération
Température
Humidité
Le pH du sol ou substrat
Présence éventuelle d’inhibiteurs freinant le métabolisme des
décomposeurs (métaux lourds, biocides…)
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
Qualité de la matière organique introduite dans le système
 Taille et forme des résidus organiques
Rapport C / N des résidus organiques ou du sol complet
Taux de décomposition de la matière organique ; il varie selon la proportion
des composés suivants, présentés dans un ordre correspondant à la
décomposition de la plus rapide à la plus lente :
 sucres, amidons et protéines simples



hémicellulose
Cellulose

graisses, cires, huiles, résines

lignine, composés phénoliques, chitine…

Figure 3 Le cycle de la matière organique
Source http://svt.ac-dijon.fr/
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La minéralisation d’une partie de l’humus est totalement indépendante du
besoin de la plante. Dans le cycle naturel, une partie de l’azote minéral
produit par la matière organique est lessivé vers le milieu naturel. Ce qui
explique la présence de nitrate dans toutes les eaux, à des taux variables
selon la saison, l’importance et le type de végétation la profondeur de la
nappe.
III LES ENGRAIS DE FERME
III-1 Remarque préliminaire
Il ne faut pas confondre les engrais de ferme avec les effluents d’élevage. Qui
comprennent en sus :
 Des eaux usées issues de la salle de traite (eaux de nettoyage des
installations, dites eaux blanches, et l’eau de nettoyage des quais de
traite et de l’aire d’attente.
 Des jus de silos
 De l’eau de pluie tombant sur les ouvrages de stockage des fumiers
et lisiers, dite lixivia
 De l’eau de pluie tombant sur les aires extérieures souillées par les
raclages des couloirs d’alimentations ou des aires d’exercices non
couvertes, pour les animaux.
III-2 Les différents engrais de ferme
III-2-1 Le lisier
Les lisiers sont des déjections animales constituées par l’urine et les fèces. Ils
contiennent des débris alimentaires et très peu de paille. Ils sont stockés en
fosse.
III-2-2 Le fumier
Ils sont le résultat du mélange de l’urine, des fèces et de la paille. Il est stocké
sur des plateformes.
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III-3 Teneur en éléments fertilisants
L’azote des excréments se présente sous deux formes principales.
1) Sous forme de sels dissous, comme l’ammonium (NH4 + ), qui forment la
fraction inorganique ou minérale. On retrouve très peu de nitrate et encore
moins de nitrite (NO3 – et NO2 – respectivement) dans les fumiers car ces sels
sont toxiques et ne sont pas produits par les animaux. L’ammonium est un sel
qui se dissout alors que l’ammoniac, est une forme légèrement transformée de
l’ammonium et gazeuse.
2) Sous forme de protéines qui constituent la fraction organique de l’azote. La
forme organique ou protéique regroupe de nombreuses familles de composés. Il
n’est pas nécessaire de définir ici toutes ces familles.
Figure 4 Les valeurs fertilisantes des fumiers
Source CRAL Lorraine
Figure 5 Les valeurs fertilisantes des lisiers et assimilés
Source CRAL Lorraine
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La composition varie en fonction du type d’animaux, du mode de logement, du
type d’alimentation et de la quantité de minéraux ingérés
Les fumiers sont des produits avec de forts arrières effets car ils contiennent
beaucoup d’azote organique, minéralisable les années suivant l’épandage, tandis
que les lisiers de porcs et de volailles sont des produits à forts effets directs car
ils contiennent beaucoup d’azote minéral et d’azote organique rapidement
minéralisable. Les lisiers de bovins sont intermédiaires entre les deux.
Figure 6 répartition de l'azote dans un fumier
Source CRAL Lorraine
Sur ce graphique apparait que 10% de l’azote sera utilisable rapidement par la
plante. Les risques de fuite sont limités si l’apport est en période poussante. 20%
de l’azote organique sera minéralisé au cours de l’année, y compris en période
faiblement poussante.
70% de l’azote organique sera minéralisé au cours des années suivantes, aux
grés des conditions pédoclimatiques. Dans les deux derniers cas, l’homme n’a
pas de prise sur la gestion de cet azote. D’où des fuites vers le milieu naturel.
Cela se traduit au mieux par un arrêt ou une progression du taux de nitrate dans
les captages malgré les efforts du monde agricole dans la gestion de l’azote
minérale.
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IV LA VALORISATION DE L’AZOTE VIA LA
METHANISATION
Alors que dans un fumier, la part minérale de l’azote oscille entre 15% et 20%,
ce taux passe à 50, voire 60% dans un digestat.
Figure 7 Analyse de digestat
Source CRAL
D’où vient cette transformation ?
La production d’azote sous forme d’NH3 provient des protéines de l’effluent. Elle
peut se résumer dans la formule générale de méthanisation suivante.
CcHhOoNnSs +yH2O = xCH4+nNH3+sH2S +(c-x)CO2
Pour les sucres : C6H12O6 +yH2O = 3CH4 +3CO2
Pour les lipides : C12H24O6 +3H2O = 7.5CH4 +4.5 CO2
Pour les protéines : C13H25O7N3Ss +yH2O = 6.5CH4+3NH3+H2S +6.5CO2
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Comme nous l’avons vu précédemment, cette forme d’azote est utilisable par la
plante.
Nous pouvons résumer cette évolution dans le schéma suivant.
Figure 8 Transformation de l’azote organique en azote minérale dans le digesteur
Source CRAL
V) LA GESTION DE CET AZOTE
Les digestats peuvent être utilisé comme substituant aux engrais chimiques.
Gains sur le GAEC OUDET : 2 100 m3 de digestat dont les 2/3 épandus sur
prairies – Économie d'azote minéral réalisée (1500 unités N/an équivalent à 3
850 l d'azote liquide ou 4,5 t d'ammo-nitrates soit 1.200€/an))
L’azote disponible est apporté en périodes propices à l’absorption par les plantes
de l’ammonium, limitant ainsi les fuites vers le milieu naturel.
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Tableau des figures
Figure 1 Le cycle de l'azote ....................................................................... 3
Figure 2 Le cycle de l'azote au niveau du sol ................................................ 6
Figure 3 Le cycle de la matière organique .................................................... 8
Figure 4 Les valeurs fertilisantes des fumiers .............................................10
Figure 5 Les valeurs fertilisantes des lisiers et assimilés ................................10
Figure 6 répartition de l'azote dans un fumier..............................................11
Figure 7 Analyse de digestat.....................................................................12
Figure 8 Transformation de l’azote organique en azote minérale dans le digesteur
...........................................................................................................13
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