1. Introduction : des cycles essentiels au fonctionnement du vivant

Le carbone et l’azote sont deux éléments indispensables à la vie. Ils entrent dans la composition des molécules biologiques : glucides, lipides, protéines, acides nucléiques.
Dans les écosystèmes, ces éléments circulent grâce à des cycles biogéochimiques, contrôlés à la fois par des processus physiques, chimiques et surtout biologiques.
Les micro-organismes jouent un rôle majeur dans ces transformations, ce qui en fait un thème central pour les élèves de la spécialité BBB / Biotechnologies en Terminale STL.

2. Le cycle du carbone : un équilibre entre photosynthèse, respiration et décomposition

2.1. Le carbone dans l’atmosphère

Le CO₂ atmosphérique est la principale forme de carbone accessible aux organismes. Il est absorbé par les végétaux, micro-algues et bactéries photosynthétiques, qui le transforment en matière organique grâce à la photosynthèse.

2.2. La respiration cellulaire

Tous les organismes, micro-organismes compris, libèrent du CO₂ lorsqu’ils dégradent la matière organique.
La respiration participe donc à la remise en circulation du carbone.

2.3. Décomposition et rôle des micro-organismes

Les bactéries et champignons décomposent :

• feuilles mortes,

• déchets animaux,

• matière organique du sol ou des sédiments.

Ils transforment cette matière en CO₂ ou en carbone minéral, rendant le carbone à l’environnement.

2.4. Stockage du carbone

Le carbone peut être stocké :

• dans les sols,

• dans les océans,

• dans la biomasse végétale,

• dans les combustibles fossiles (pétrole, charbon).

3. Le cycle de l’azote : un cycle contrôlé par les micro-organismes

Contrairement au carbone, l’azote atmosphérique (N₂) est très abondant mais peu utilisable par les organismes.
Seuls certains micro-organismes peuvent le transformer en azote assimilable.

3.1. Fixation de l’azote

Les bactéries fixatrices d’azote (Rhizobium, Azotobacter…) convertissent N₂ en ammonium NH₄⁺.
Certaines vivent en symbiose avec des plantes (légumineuses), formant des nodules racinaires.

3.2. Nitrification

Dans le sol, des bactéries nitrifiantes transforment :

• NH₄⁺ → NO₂⁻ (nitrites)

• NO₂⁻ → NO₃⁻ (nitrates)

Ces formes sont assimilables par les plantes.

3.3. Assimilation

Les plantes incorporent les nitrates dans leurs molécules organiques.
Les animaux obtiennent l’azote en consommant des végétaux ou d’autres animaux.

3.4. Dénitrification

Des bactéries dénitrifiantes transforment :
NO₃⁻ → N₂
rendant l’azote à l’atmosphère.

4. Micro-organismes et environnement : interactions et enjeux

4.1. Fertilité des sols

Les micro-organismes assurent :

• la décomposition de la matière organique,

• la libération de nutriments,

• l’entretien de la structure du sol.

Ils sont indispensables à l’agriculture durable.

4.2. Qualité de l’eau

Dans les milieux aquatiques, les micro-organismes :

• dégradent la pollution organique,

• participent à l’épuration naturelle,

• jouent un rôle clé dans les stations d’épuration.

4.3. Impact humain

Les activités humaines perturbent les cycles :

• excès d’engrais azotés → eutrophisation,

• émissions de CO₂ → réchauffement climatique,

• déforestation → réduction de la photosynthèse.

4.4. Biotechnologies environnementales

Les biotechnologies exploitent les micro-organismes pour :

• dépolluer les sols (bioremédiation),

• traiter les eaux usées,

• capter le CO₂ (bio-capture),

• produire des bioénergies (méthanisation).

5. Approches expérimentales en Terminale STL

Les élèves apprennent à :

• mesurer la teneur en nitrates, nitrites, ammonium,

• observer des micro-organismes du sol,

• analyser l’activité de dénitrification,

• étudier la respiration microbienne,

• interpréter des mesures d’oxygène dissous ou de CO₂.