Flux d'Énergie, Biomasse et Pollution de l'Eau dans les Écosystèmes

Classé dans Chimie

Écrit le 12 Novembre 2025 en français avec une taille de 19,43 KB

L'Énergie dans les Écosystèmes : Définition et Lois

L'énergie est définie comme la capacité à effectuer un travail. Son unité de mesure dans le Système international d'unités est le Joule.

L'énergie prend de nombreuses formes dans la nature : la chaleur, le mouvement, les liaisons chimiques, entre autres. Il y a une loi très importante en thermodynamique, la science de l'énergie et de ses transformations, qui se présente comme suit : « L'énergie n'est ni créée ni détruite, elle est seulement transformée ou transférée. »

Pour mieux illustrer ce concept, voyons un exemple : une personne tire de l'énergie de la nourriture (énergie chimique), l'utilise pour produire de la chaleur (énergie thermique) et pour former les tissus du corps (énergie chimique). Voici comment ces concepts, apparemment purement physiques, sont appliqués aux écosystèmes.

Origine de l'énergie terrestre

Le Soleil est la source d'énergie qui alimente la planète Terre, générant le mouvement des vents et des courants océaniques. Cependant, tous les organismes ne peuvent pas l'utiliser directement. Seuls les producteurs primaires sont capables de réaliser la photosynthèse.

Mesure de l'énergie et de la biomasse

La biomasse est le terme utilisé pour indiquer la quantité de matière organique présente dans un organisme particulier, un niveau trophique ou un écosystème donné.

La biomasse est mesurée en grammes ou en kilogrammes de matière organique sèche par unité de surface ou de volume. Une autre façon de mesurer la biomasse est en kilojoules par unité de surface ou de volume. La production est l'augmentation de la biomasse par unité de temps. Il existe plusieurs façons de mesurer la production, qui peut se référer à un niveau trophique spécifique ou à l'écosystème dans son ensemble.

Types de Production de Biomasse

La Production Primaire Nette (PPN) se réfère à l'augmentation de la biomasse des producteurs. Elle est égale à la Production Primaire Brute (PPB) moins l'énergie consommée par les plantes via la respiration.

La Production Nette Secondaire (PNS) fait référence à l'augmentation de la biomasse aux différents niveaux des consommateurs.

La Production Nette d'un Écosystème (PNE) est l'augmentation de la biomasse qui s'accumule dans l'écosystème sur une période donnée.

La formule de la PNE est : PNE = Photosynthèse - Respiration

Flux de Matière et d'Énergie dans les Écosystèmes

Tous les êtres vivants ont besoin de matière et d'énergie pour s'acquitter de leurs fonctions vitales. Toute l'énergie utilisée par les êtres vivants provient du Soleil. Cette énergie est consommée et ne peut plus être réutilisée par les êtres vivants. On dit que le flux d'énergie traversant un écosystème est unidirectionnel, c'est-à-dire qu'il circule dans un seul sens.

La matière organique (issue des cadavres et des restes des êtres vivants) est transformée par certains micro-organismes en matière inorganique. Cette matière est ensuite consommée par les organismes autotrophes et hétérotrophes. À leur tour, lorsqu'ils meurent, leurs restes sont à nouveau transformés en matière inorganique. C'est pourquoi la matière suit un cycle fermé dans l'écosystème.

Le Cycle Énergétique et les Lois de la Thermodynamique

L'énergie est la force motrice de notre société, essentielle pour l'éclairage, le chauffage, la climatisation, le transport, l'agriculture et le fonctionnement des usines, entre autres.

L'énergie est la capacité à effectuer un travail. Son comportement est décrit par les lois de la thermodynamique, qui sont au nombre de deux :

1. Première Loi de la Thermodynamique (Conservation de l'Énergie)

Cette loi stipule que l'énergie peut être transformée d'une forme à une autre, mais qu'elle ne peut être ni créée ni détruite. Il n'y a aucun gain ou perte d'énergie dans la nature, seulement des transformations. Par exemple :

L'énergie lumineuse est convertie en matière organique (bois).
Le bois est converti en chaleur et en lumière (feu).
La chaleur peut être transformée en énergie de mouvement (moteurs à vapeur) ou en électricité (générateur).

L'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique pour effectuer un travail. Un système très actif a un taux de respiration plus élevé. Tout processus nécessite un apport d'énergie externe pour produire un travail et entraîne un dégagement d'énergie sous forme de chaleur.

La chaîne alimentaire est un exemple concret de la Première Loi de la Thermodynamique, car elle montre le flux d'énergie à travers les différents niveaux trophiques.

Altérations de la Qualité de l'Eau

Modifications Physiques de l'Eau

Altérations Physiques	Caractéristiques et Indication de la Pollution
Couleur	L'eau propre est habituellement brun rougeâtre, jaunâtre ou verdâtre, principalement due à des composés humiques, des pigments ferreux et contenant des algues vertes. L'eau polluée peut avoir des couleurs très différentes, mais en général, il n'est pas possible d'établir des relations claires entre la couleur et le type de contamination.
Odeur et Goût	Les composés chimiques présents dans l'eau tels que les phénols, divers hydrocarbures, le chlore, la décomposition des matières organiques ou différentes essences libérées par les algues ou les champignons peuvent donner une forte odeur et un goût à l'eau, même à de très petites concentrations. Les sels minéraux donnent un goût salé ou métallique, parfois sans aucune odeur.
Température	L'augmentation de la température diminue la solubilité des gaz (oxygène) et augmente, en général, celle des sels. Elle accélère les réactions métaboliques, accélérant la putréfaction. La température optimale pour l'eau potable se situe entre 10 et 14 °C. Les industries nucléaires et autres industries thermiques contribuent à la pollution thermique de l'eau, parfois de manière significative.
Matières en suspension	Les particules comme l'argile, le limon et d'autres, bien qu'elles ne se dissolvent pas, sont emportées de deux façons : en suspension stable (solutions colloïdales) ou en suspension qui ne dure qu'aussi longtemps que le mouvement de l'eau. La suspension colloïdale ne précipite qu'après avoir subi la coagulation ou la floculation (réunion de plusieurs particules).
Radioactivité	Les eaux naturelles ont des valeurs de radioactivité, principalement dues aux isotopes de K. Certaines activités humaines peuvent polluer l'eau avec des isotopes radioactifs.
Mousses	Les détergents provoquent le moussage et ajoutent du phosphate dans l'eau (eutrophisation). Ils diminuent grandement la capacité d'auto-épuration des rivières en entravant l'activité bactérienne. Ils interviennent également dans les processus de floculation et de sédimentation dans les usines de traitement de l'eau.
Conductivité	L'eau pure a une très faible conductivité électrique. L'eau naturelle contient des ions en solution et sa conductivité est plus élevée et proportionnelle à la quantité et aux caractéristiques de ces électrolytes. Par conséquent, la conductivité est utilisée comme un indice des valeurs de concentration approximative des solutés. Comme la conductivité varie avec la température, les mesures doivent être effectuées à 20 °C.

Modifications Chimiques de l'Eau

Altérations Chimiques	Indication de la Contamination
pH	Les eaux naturelles peuvent être acides en raison du CO₂ dissous dans l'atmosphère ou des acides sulfuriques provenant de certains minéraux, ou des acides humiques dissous de la litière du sol. La principale substance basique dans l'eau naturelle est le carbonate de calcium qui peut réagir avec le CO₂ en formant un tampon carbonate/bicarbonate. L'eau contaminée par les mines et les rejets industriels peut avoir des pH très acides. Le pH a une grande influence sur les processus chimiques qui se déroulent dans l'eau, le rendement des floculants, les traitements de purification, etc.
Oxygène Dissous (OD)	Les eaux de surface propres sont généralement saturées en oxygène, ce qui est essentiel pour la vie. Si le niveau d'oxygène dissous est faible, cela indique une contamination par des matières organiques, une septicisation, une mauvaise qualité de l'eau et l'incapacité de maintenir certaines formes de vie.
Matière organique biodégradable : Demande Biochimique en Oxygène (DBO₅)	La DBO₅ est la quantité d'oxygène dissous nécessaire aux micro-organismes aérobies pour oxyder les matières organiques biodégradables présentes dans l'eau. Elle est mesurée sur cinq jours. Sa valeur est une mesure de la qualité de l'eau du point de vue de la matière organique et permet de prédire la quantité d'oxygène nécessaire à la purification de ces eaux. Elle sert également à prouver l'efficacité d'une station d'épuration.
Matières oxydables : Demande Chimique en Oxygène (DCO)	La quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder les matières contenues dans l'eau avec un oxydant chimique (généralement du bichromate de potassium en milieu acide). Elle est déterminée en trois heures et, dans la plupart des cas, garde une bonne relation avec la DBO, ce qui est utile pour ne pas avoir besoin des cinq jours de la DBO. Toutefois, la DCO ne fait pas de distinction entre les matériaux biodégradables et le reste et ne fournit pas d'informations sur le taux de dégradation dans des conditions naturelles.
Azote total	Plusieurs composés d'azote sont des nutriments essentiels. Leur présence excessive dans l'eau provoque l'eutrophisation. L'azote est présent sous de nombreuses formes chimiques différentes dans les eaux naturelles et contaminées. Dans l'analyse habituelle, on détermine généralement l'Azote Total Kjeldahl (ATK), qui comprend l'azote organique et l'ammoniaque. La teneur en nitrates et nitrites est donnée séparément.
Phosphore total	Le phosphore, comme l'azote, est un nutriment essentiel pour la vie. Son excès dans l'eau provoque l'eutrophisation. Le phosphore total comprend plusieurs composés différents, tels que l'orthophosphate, les polyphosphates et le phosphore organique. La détermination se fait en convertissant tous les composés en orthophosphates, qui sont ceux qui sont déterminés par analyse chimique.
Anions : Chlorures Nitrates Nitrites Phosphates Sulfures Cyanures Fluorure	Indiquent la salinité Indiquent la pollution agricole Indiquent l'activité bactériologique Indiquent les détergents et les engrais Indiquent l'action des bactéries anaérobies (eaux usées, etc.) Indiquent la pollution industrielle Dans certains cas, sont ajoutés à l'eau pour prévenir la carie dentaire, mais c'est une pratique très controversée.
Cations : Sodium Calcium et Magnésium Ammonium Métaux lourds	Indique la salinité Sont liés à la dureté de l'eau Contamination par les engrais et les matières fécales Ont des effets très néfastes, ils s'accumulent dans la chaîne alimentaire (discutés en détail dans d'autres chapitres)
Composés organiques	Les huiles et graisses provenant de déchets alimentaires ou de procédés industriels (automobiles, lubrifiants, etc.) sont difficiles à métaboliser par les bactéries et flottent dans l'eau pour former des films qui nuisent aux êtres vivants. Les phénols peuvent être présents dans l'eau à la suite de la pollution industrielle. Lorsqu'ils réagissent avec le chlore ajouté comme désinfectant, ils forment des chlorophénols, ce qui est un problème sérieux car ils donnent à l'eau une mauvaise odeur et un mauvais goût. La contamination par les pesticides, le pétrole et autres hydrocarbures est étudiée en détail dans d'autres chapitres.

Modifications Biologiques de l'Eau

Modifications Biologiques de l'Eau	Indication de la Contamination
Bactéries coliformes	Matières fécales
Virus	Déchets organiques et débris fécaux
Animaux, plantes, micro-organismes divers	Eutrophisation

Maladies liées à la Contamination Pathogène de l'Eau

Type de micro-organisme	Maladie	Symptômes
Bactéries	Choléra	Diarrhée et vomissements. Déshydratation. Souvent mortelle si elle n'est pas traitée correctement.
Bactéries	Fièvre typhoïde	Fièvres. Diarrhée et vomissements. Inflammation de la rate et de l'intestin.
Bactéries	Dysenterie	Diarrhée. Est rarement mortelle chez les adultes, mais entraîne la mort de nombreux enfants dans les pays sous-développés.
Bactéries	Gastro-entérite	Nausées et vomissements. Douleur dans le tube digestif. Peu de risque de décès.
Virus	Hépatite	Inflammation du foie et jaunisse. Peut causer des dommages permanents au foie.
Virus	Poliomyélite	Douleurs musculaires sévères. Faiblesse. Tremblements. Paralysie. Peut être mortelle.
Protozoaires	Amibiase (Dysenterie amibienne)	Diarrhée sévère, frissons et fièvre. Peut être grave si elle n'est pas traitée.
Vers	Bilharziose (Schistosomiase)	Anémie et fatigue continue.

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