Le recyclage de la biomasse nécessaire à la fertilité des sols - Maxicours

Le recyclage de la biomasse nécessaire à la fertilité des sols

Objectifs
  • Décrire le cycle des éléments au sein des écosystèmes.
  • Comprendre l’importance des organismes décomposeurs pour la fertilité des sols et le bon fonctionnement des écosystèmes.
Points clés
  • La matière et l’énergie circulent au sein des écosystèmes sous forme de matière organique.
  • Les producteurs primaires produisent, grâce à la photosynthèse, l’intégralité de la biomasse à partir de matière inorganique : CO2, H2O, sels minéraux (azote, potassium et phosphore principalement).
  • La biomasse est utilisée et dégradée par l’ensemble des organismes de l’écosystème pour alimenter leurs métabolismes.
  • Lors de la dégradation de la matière organique, les éléments qu’elle contient sont libérés dans l’environnement sous leur forme inorganique : le CO2 et le H2O sont libérés dans l’atmosphère et les sels minéraux sont libérés dans le sol.
  • Le bilan des sels minéraux dans les sols des écosystèmes est à l’équilibre. Le prélèvement de sels minéraux par les plantes est compensé par la libération de sels minéraux lors de la dégradation de la matière organique.
  • Le rôle des organismes vivant dans le sol est primordial. Ils assument la plus grande partie de la dégradation de la matière organique morte, et en particulier les éléments les plus difficiles à dégrader : feuilles mortes, bois, etc.
  • Sans ces organismes, nommés les décomposeurs, la matière organique morte s’accumulerait et les sels minéraux contenus dedans ne seraient plus libérés dans les sols. La fertilité de ces derniers diminuerait rapidement et l’écosystème ne pourrait plus fonctionner.
Pour bien comprendre
  • Écosystèmes versus agrosystèmes
1. Production et recyclage de la matière organique dans les écosystèmes naturels
a. Production primaire dans les écosystèmes

Dans les écosystèmes, les organismes photosynthétiques ont une fonction primordiale. Ils produisent la matière organique utilisée par l’ensemble de la biocénose, les organismes vivants dans l’écosystème. Ils sont également dénommés producteurs primaires.

Pour produire cette matière organique, les producteurs primaires absorbent de la matière inorganique dans l’environnement et utilisent l’énergie de la lumière du soleil. C’est le processus de photosynthèse. On appelle autotrophie cette capacité qu’a un organisme à produire de la matière organique à partir de matière inorganique ; au contraire, l’hétérotrophie consiste à produire de la matière organique à partir de celles d’autres organismes ingérés. La totalité de la biomasse, c’est-à-dire la matière organique, produite par les producteurs primaires dans un écosystème est nommée production primaire.

La réaction de photosynthèse produit des glucides à partir de deux molécules inorganiques : le CO2 et l’eau (H2O). L’équation bilan ci-dessous montre les substrats et les produits de la photosynthèse.



On observe que le gaz carbonique et l’eau apportent aux plantes les trois principaux éléments chimiques qui constituent la matière organique : carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). On peut également souligner que la réaction produit du dioxygène.

Pour synthétiser des molécules plus complexes (acides aminés, nucléotides, etc.), les organismes photosynthétiques doivent absorber des éléments chimiques supplémentaires : azote (N), potassium (K), phosphore (P), calcium (Ca) et magnésium (Mg) principalement. Dans les écosystèmes terrestres, les producteurs primaires trouvent ces éléments principalement dans le sol sous la forme d’ions solubles (nitrates, phosphates, et autres sels minéraux). Les plantes absorbent ces ions par leurs racines, parfois avec l’aide de champignons symbiotiques. On appelle mycorhize la symbiose entre ces champignons et les racines des plantes.

b. Transfert et recyclage de la matière organique dans les écosystèmes naturels

La production primaire circule au travers de l’écosystème par la consommation (ou prédation) entre les différents organismes. Ainsi, les animaux phytophages absorbent la matière organique des végétaux. Une partie n’est pas digérée et est expulsée en matière fécale, une seconde partie est utilisée pour produire de l’énergie et une faible part est utilisée pour la croissance de l’organisme, c’est-à-dire la production de la matière organique de l’animal lui-même. Ce processus se reproduit lorsque les animaux phytophages sont eux-mêmes consommés par les animaux zoophages.

La majorité de la matière organique absorbée par les organismes vivants est utilisée dans le métabolisme énergétique, et particulièrement par la respiration cellulaire. Il s’agit d’une forme de catabolisme, c’est-à-dire un processus biologique de dégradation de molécules organiques pour produire de l’énergie. Le glucose y est dégradé en présence de dioxygène pour produire du gaz carbonique et de l’eau, et libérer de l’énergie, comme nous pouvons le voir sur l’équation bilan ci-dessous :



Il est remarquable que l’équation chimique de la respiration cellulaire soit symétrique à celle de la photosynthèse. Le CO2 et le H2O prélevés dans l’environnement par la réaction de photosynthèse sont libérés par la respiration cellulaire. Dans les écosystèmes naturels, la respiration cellulaire recycle donc la majorité du carbone (C), de l’oxygène (O) et de l’hydrogène (H) contenus dans la matière organique. Cependant, ce processus ne suffit pas à recycler les autres éléments chimiques : azote, phosphate et sels minéraux.

Une très grande partie de la matière organique n’est pas ingérée par les grands animaux de l’écosystème. Les feuilles mortes (ou litière végétale), l’humus, le bois mort, les fèces, ou encore les cadavres d’animaux, sont dégradés grâce à de petits organismes nommés décomposeurs, vivants sur et dans le sol. Les décomposeurs sont constitués de petits insectes, de lombrics, de collemboles, d’acariens, mais aussi de champignons et de bactéries.

Ces organismes sont les seuls capables de dégrader certaines molécules organiques qui, sans leur présence, s’accumuleraient dans les écosystèmes. Cela concernerait en particulier les composants chimiques des feuilles et du bois mort (notamment la lignine).

Au bout d’un certain temps, l’intégralité de la production primaire des organismes photosynthétiques est dégradée et ses éléments chimiques libérés dans l’environnement sous leurs formes initiales : CO2, H2O, nitrates, sels minéraux, etc. Les ions solubles prélevés par les plantes sont retournés au sol. Il y a un recyclage complet de la matière organique dans les écosystèmes.

Il est essentiel de bien comprendre l’importance des décomposeurs dans le fonctionnement des écosystèmes. Ils fournissent aux plantes les sels minéraux indispensables à leur croissance sous une forme absorbable. Sans l’activité des décomposeurs, les sols seraient vite vidés de leurs nutriments par les plantes et, sans apports extérieurs, leur fertilité s’effondrerait au bout de quelques années. La production primaire serait stoppée et l’écosystème déclinerait rapidement. Les détritivores, ou décomposeurs, sont donc indispensables à la fertilité des sols et à la bonne santé des écosystèmes.



Exemple : le recyclage de la litière naturelle des forêts
À l’automne, la biomasse des feuilles mortes qui tombent sur le sol des forêts est très importante. Cette couche de feuilles et de débris végétaux forme la litière végétale. Les arbres peuvent produire jusqu’à 10 tonnes de litière par hectare et par an. Cependant, celle-ci est dégradée en quelques mois et il n’en reste presque plus aucune trace au printemps suivant. La litière est très importante pour la forêt. Elle agit comme une éponge qui absorbe l’eau de pluie et qui retient l’humidité. De plus, elle protège le sol de l’érosion. Mais c’est surtout le milieu de vie d’une riche et abondante biodiversité de détritivores qui réalisent sa décomposition. La litière représente pour le sol la principale source d’éléments nutritifs, comme l’azote, le phosphore et le calcium, indispensables à la croissance des plantes. La litière végétale et son recyclage par les décomposeurs sont donc essentiels au fonctionnement des forêts.

Le recyclage de la litière végétale par les décomposeurs est indispensable au bon fonctionnement de l’écosystème forestier.
2. Les décomposeurs et le recyclage de la matière organique
a. La diversité des décomposeurs

Les décomposeurs regroupent des êtres vivants d’une très grande diversité. Ils ont en commun le fait de se nourrir de matière organique morte : feuilles, bois, matière fécale, cadavres, etc. On y retrouve des organismes de tous les taxons (ou groupes) phylogénétiques : des annélides (dont font partie les lombrics), des arthropodes (comme les mille-pattes, les collemboles ou les acariens), des cloportes, des escargots, des nématodes (ou vers ronds), des animaux microscopiques (rotifères, tardigrades), des champignons, des protistes et des bactéries.

La biomasse totale des détritivores présents dans les sols est très élevée : on compte par exemple une à trois tonnes de biomasse par hectare dans les prairies tempérées d’Europe pour les seuls lombrics.

Exemple : les décomposeurs de la litière végétale

b. L’action de décomposition de la matière organique par les décomposeurs

La matière organique est progressivement fragmentée par les décomposeurs. Les détritus, qui peuvent être initialement de grande taille, sont réduits en morceaux de plus en plus petits par l'action d’organismes successifs. Ils ingèrent et assimilent partiellement des fragments de matière organique qu'ils découpent avec leurs pièces buccales. Les particules les plus fines sont finalement dégradées par les champignons et les bactéries. Certaines molécules, telles que la lignine (présente dans le bois) ou la cellulose (paroi des cellules végétales), ne se décomposeraient pas sans le concours de microorganismes spécialisés. D’autres organismes, en digérant les toxines ou les composés polluants, contribuent à la détoxication du milieu.

Enfin, certains animaux du sol sont des prédateurs qui se nourrissent des autres détritivores, ce sont donc des consommateurs secondaires.

La microfaune du sol est donc constituée d’une large biodiversité que la fonction de recyclage de la matière organique rend indispensable aux écosystèmes.



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