Des cycles biogéochimiques de la planète Terre au métabolisme des êtres humains

La possibilité de la vie sur Terre est liée à d’innombrables contingences qui ont permis son apparition il y a plus de trois milliards d’années et sa continuation jusqu’à aujourd’hui. A fortiori, la vie humaine est le fruit de contingences supplémentaires qui invitent à l’émerveillement. Si celle-ci est appréhendée de façon très diverse par les différentes communautés humaines, comme peut en témoigner la variété des religions, des croyances et des cultures, la biogéochimie permet de l’analyser sur la base des mécanismes biologiques, géologiques, physiques et chimiques qui la sous-tendent et permet de préciser certaines conditions qui font que la vie est aujourd’hui possible.

Les interactions de l’humanité avec les cycles biogéochimiques planétaires

Cycles biogéochimiques planétaires 

La vie sur Terre est soumise à de nombreuses contraintes physiques et biogéochimiques. Nous proposons d’en retenir deux principales :
– le besoin d’échanger de l’énergie avec son environnement. Une des plus importantes sources d’énergie disponible sur la planète Terre est celle du rayonnement solaire : à notre ère, les organismes photosynthétiques sont ainsi à la base de la mise à disposition de l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique disponible pour tous les êtres vivants ;
– le besoin d’échanger de la matière avec son environnement. La vie sur Terre s’est organisée autour de la combinaison de certains éléments chimiques qui participent à la structure des êtres vivants et conditionnent ainsi fondamentalement la possibilité même de la vie telle que nous la connaissons. À partir du moment où ces éléments chimiques sont impliqués dans un mécanisme physiologique, on peut considérer qu’ils sont tous d’égale importance car leur disponibilité pour la vie conditionne sa possibilité. Ces différents éléments, que nous nommerons par le terme général de nutriments, sont toutefois d’abondance variable sur la planète et la variabilité de leur disponibilité limitera donc plus ou moins fortement la possibilité de la vie. C’est ce point que nous choisissons de détailler plus finement dans la suite de ce chapitre .

On constate une première différence fondamentale entre les éléments chimiques majoritaires qui structurent les êtres vivants et ceux qui structurent la planète Terre. Les quatre éléments qui constituent près de 95 % de la masse du manteau terrestre sont, par ordre massique, l’oxygène, le magnésium, le silicium et le fer (Valero Delgado, 2008). Dans la croûte terrestre et océanique, les sept premiers éléments, représentant plus de 97 % de la masse totale, sont dans l’ordre l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium, le magnésium et le sodium (ibid.). Seul l’oxygène est commun avec les constituants principaux des êtres vivants dont les quatre premiers constituants, à la base de la majorité des molécules organiques, sont l’oxygène, le carbone, l’hydrogène et l’azote (Fraústo da Silva & Williams, 2009). La structuration de la vie nécessite donc de mobiliser spécifiquement certains éléments chimiques, moins abondamment présents dans la lithosphère que dans la biosphère.

L’hydrosphère fournit bien sûr l’hydrogène et l’oxygène en abondance dans les molécules d’eau. Mais les quatre éléments suivants les plus abondants dans l’eau de mer sont le chlore, le sodium, le magnésium et le soufre (teneurs supérieures à 2 % en masse sur la matière sèche et représentant plus de 90 % de la masse totale – Valero Delgado, 2008). Finalement, seule l’atmosphère présente une teneur élevée en azote (78 %), mais celui-ci y est sous la forme très stable du diazote (N2), au degré d’oxydation zéro, alors que l’azote qui constitue les êtres vivants est majoritairement réduit sous la forme du groupe amine R–NH2. Sa disponibilité pour la vie dépend donc de la possibilité de réduire le diazote. De façon plus générale, on distingue usuellement le diazote atmosphérique (au degré d’oxydation zéro) et toutes les autres formes de l’azote, qualifiées de réactives, dans lequel l’azote est soit réduit (jusqu’au degré d’oxydation -3 par exemple dans le groupe amine R–NH2), soit oxydé (jusqu’au degré d’oxydation +5 par exemple dans l’ion nitrate NO3 – ). Le deuxième constituant de l’atmosphère est l’oxygène sous forme de dioxygène (21%), le troisième l’argon (1 %) et enfin le carbone, principalement sous la forme du dioxyde de carbone (CO2) à une concentration très faible inférieure à 0,05 % (ibid.).

Ainsi, pour leurs besoins énergétiques, les êtres vivants de la planète Terre disposent d’une source abondante sous la forme du rayonnement solaire incident. Leur composition chimique est en revanche assez différente des substrats sur lesquels ils vivent, en particulier pour les organismes terrestres.

Or la composition même des milieux dans lesquels évolue la vie sur Terre est dépendante de cette vie. Il est par exemple établi que l’atmosphère terrestre était très réductrice lors de l’apparition de la vie et que ce sont les organismes photosynthétiques oxygéniques qui ont progressivement fait monter la teneur en oxygène de l’atmosphère (Fennel et al., 2005). Finalement, on constate que l’ensemble des êtres vivants évolue dans un milieu très particulier, à l’interface entre l’hydrosphère, l’atmosphère et la lithosphère. Les couches superficielles du sol en forêt par exemple, riches en matières organiques, témoignent d’une composition très différente de la composition minérale de la croûte terrestre sur laquelle s’est constituée la vie. La vie sur Terre est aujourd’hui indissociable du milieu dans lequel elle se déroule et les êtres vivants ne peuplent pas tant une planète minérale qui serait le support inerte de leur vie qu’un milieu très spécifique qui a co-évolué avec la vie sur Terre. Lovelock (1979) développe encore davantage ce constat en définissant la conjonction de ces milieux de vie comme formant euxmêmes un grand organisme vivant qu’il nomme Gaïa et dont les modalités de fonctionnement et de régulation conditionnent fondamentalement les modalités de la vie humaine sur Terre. La communauté scientifique appelle aujourd’hui communément « Zone Critique » ce système de support de la vie

L’approche biogéochimique que nous proposons de mettre en œuvre dans cette thèse est ainsi ellemême fondamentalement liée à ce fait que les cycles mis en jeu dans la présence de la vie sur Terre ne sont pas des cycles répondant purement à des lois de physique de milieux inertes mais répondent à une combinaison de facteurs biologiques, géologiques et chimiques qui président à la façon dont ceux-ci se déroulent.

Si l’on reprend les constituants les plus abondants de tout être vivant, ils correspondent ainsi à trois cycles biogéochimiques de la planète Terre qui se déroulent dans cette enveloppe superficielle de la planète qui abrite la biosphère :

– le cycle de l’eau. Ce cycle conditionne la possibilité de la vie sur la croûte terrestre, et donc la vie humaine, puisqu’il permet de mettre à disposition de l’eau en dehors des océans ;
– le cycle du carbone. Pour une majorité d’êtres vivants, ce cycle consiste en une réaction d’oxydo-réduction entre le carbone réduit de la matière organique (degré d’oxydation voisin de 0) et le carbone oxydé de l’atmosphère ou de l’hydrosphère, sous la forme du dioxyde de carbone ou des carbonates (degré d’oxydation +4). Le dioxygène atmosphérique est un réservoir important et largement disponible qui permet dans la majorité des cas de mettre en œuvre cette réaction d’oxydo réduction: réduction du carbone par les organismes autotrophes tels que la majorité des plantes terrestres, oxydation du carbone par les organismes hétérotrophes tels que les animaux (cf. détails et définitions sous-section 1.2.1.1) ;
– le cycle de l’azote. Comme nous l’avons indiqué ci-dessus, l’abondance de l’azote sous forme de diazote atmosphérique n’est finalement pas le gage d’une possibilité de large utilisation par la vie car peu d’organismes sont capables de réaliser la fixation de l’azote atmosphérique sous forme réduite et cette fixation nécessite de fournir une grande quantité d’énergie. Seuls certains microorganismes sont capables de la réaliser, parfois en symbiose avec des plantes terrestres telles que les légumineuses (Fabacées ). Paradoxalement, cet élément est assez limitant pour le développement de la vie sur Terre et la majorité du cycle de l’azote des écosystèmes consiste en un recyclage de l’azote réduit entre les différents organismes qui les composent.

La sensibilité de la vie à ces trois grands cycles est donc variable. Pour l’eau, la disponibilité en eau d’un écosystème sera très dépendante des conditions locales et de la période considérée ; pour le carbone, le réservoir atmosphérique de carbone permet aux organismes photosynthétiques de faire entrer le carbone dans les différents écosystèmes sous forme réduite pour constituer de la matière organique ; enfin, pour l’azote, la possibilité de fixation de l’azote atmosphérique existe mais elle est finalement restreinte et ce cycle apparaît donc comme le plus limitant pour la vie dans les climats non arides comme l’est le climat tempéré en Europe.

Ainsi, le phosphore et le soufre sont usuellement mis en exergue car ils sont constitutifs d’éléments structurels des cellules : le phosphore est un élément constitutif de l’ADN, des phospholipides membranaires ou encore du vecteur énergétique cellulaire qu’est l’ATP ; le soufre est présent dans deux acides aminés protéinogènes, la cystéine et la méthionine. Dans les conditions standard, le phosphore n’a pas de phase gazeuse et il est présent dans la matière organique uniquement sous forme oxydée ce qui fait que son cycle biogéochimique est moins complexe que celui de l’eau, du carbone et de l’azote. Il consiste principalement en des conversions entre orthophosphates et esters phosphoriques. Le cycle biogéochimique du soufre montre une certaine similitude avec celui de l’azote puisque le soufre présente aussi des phases gazeuses (H2S ou SO2), un degré d’oxydation réduit dans la matière organique (degré -2 dans le groupe sulfhydryle R SH) mais possiblement oxydé jusqu’au degré +6 sous la forme minérale de l’ion sulfate (SO4 2- ).

Le phosphore semble particulièrement critique pour la vie du fait de sa plus faible concentration que le soufre dans la lithosphère et dans l’hydrosphère. Par exemple, d’après les données de concentrations moyennes compilées par Valero Delgado (2008), le ratio molaire S/P est proche de 200 dans l’eau douce et proche de 15 000 dans l’eau de mer . Les deux facteurs limitants de la croissance algale dans les milieux aquatiques sont ainsi l’azote et le phosphore (cf. ratio de Redfield ).

En dehors des milieux aquatiques, le potassium peut également apparaître comme un élément limitant. En agronomie, les trois principaux nutriments essentiels à la croissance végétale sont ainsi l’azote, le phosphore et le potassium ; le soufre n’apparaît que comme un macronutriment secondaire avec le calcium et le magnésium (IFA et al., 2016). Nous avons vu que le calcium et le magnésium sont des éléments relativement abondants de la croûte terrestre et océanique ce qui devrait induire a priori une criticité moins forte en tant que facteur limitant de la vie par rapport à l’azote ou au phosphore. En milieu terrestre, ces raisonnements globaux sont toutefois limités dans leur pertinence par deux facteurs au moins :

– la variabilité de la nature des roches selon les lieux considérés ;
– l’interaction entre les êtres vivants et leur milieu de vie, en l’occurrence le sol, qui fait que la composition même des sols est fonction de cette interaction, à court terme par les processus de minéralisation et d’organisation, ou à long terme par exemple par les processus de sédimentation ou de fossilisation.

Enfin, comme nous l’indiquions précédemment, tous les autres nutriments peuvent présenter une certaine criticité en fonction de leur disponibilité locale et leur importance sera variable en fonction de l’être vivant considéré. Outre les éléments déjà cités (éléments fondamentaux : hydrogène, oxygène, carbone et azote ; macronutriments : phosphore, potassium, soufre, calcium et magnésium), on notera l’importance du chlore et du sodium pour les êtres humains (Fraústo da Silva & Williams, 2009) . Nous les nommerons également macronutriments. Les autres nutriments seront nommés micronutriments : ce sont principalement le fer, le manganèse, le cobalt, le zinc, le molybdène, le sélénium, le bore, le cuivre et le nickel (Fraústo da Silva & Williams, 2009 ; IFA et al., 2016) .

Tous les autres éléments ne sont donc pas considérés comme nécessaires à la vie mais la plupart peuvent interagir avec les êtres vivants et présenter en particulier une certaine toxicité en concentration élevée (mercure, plomb, uranium, etc.).

En conclusion, nous retiendrons que l’organisation des cycles biogéochimiques planétaires est intimement liée à la co-évolution des organismes vivants sur la planète Terre et à la composition des compartiments environnementaux dans lesquels ils évoluent (atmosphère, hydrosphère, lithosphère/sol). Les principaux éléments nécessaires à la vie ne correspondent pas aux minéraux les plus abondants dans la croûte terrestre : la biosphère fonctionne donc « en boucle » et le recyclage des éléments de la vie entre les différents compartiments environnementaux est un mécanisme fondamental de régulation de la vie sur Terre.

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Table des matières

Introduction
1. Des cycles biogéochimiques de la planète Terre au métabolisme des êtres humains
1.1. Les interactions de l’humanité avec les cycles biogéochimiques planétaires
1.1.1. Cycles biogéochimiques planétaires
1.1.2. Anthropocène
1.1.3. Soutenabilité des modes de vie
1.2. Le métabolisme des êtres humains
1.2.1. Flux fondamentaux d’énergie et de matière
1.2.2. Alimentation
1.2.3. Excrétion
1.3. Les territoires, lieux de rencontre entre les êtres humains et la planète Terre
1.3.1. Méthodologie d’analyse socio-écologique
1.3.2. Le métabolisme urbain et son empreinte
1.3.3. Le système alimentation/excrétion d’une ville
Conclusion de la première partie
2. Caractérisation des systèmes alimentation/excrétion de territoires urbains
2.1. Flux mis en œuvre dans les systèmes alimentation/excrétion urbains
2.1.1. Analyse massique et volumique
2.1.2. Flux d’hydrogène et d’oxygène
2.1.3. Flux de carbone et d’énergie
2.1.4. Flux d’azote
2.1.5. Flux des éléments secondaires
2.2. Proposition de caractérisation socio-écologique
2.2.1. Caractérisation par l’analyse des flux d’azote
2.2.2. Salubrité des systèmes alimentation/excrétion
2.2.3. Les micropolluants des systèmes alimentation/excrétion
Conclusion de la seconde partie
3. Régimes et trajectoires socio-écologiques des principaux systèmes alimentation/excrétion urbains
3.1. Diversité historique des systèmes alimentation/excrétion de l’humanité
3.1.1. Usages non agricoles des urines et matières fécales
3.1.2. Variété des systèmes alimentation/excrétion mondiaux traditionnels
3.1.3. Émergence de régimes circulaires à la révolution industrielle
3.1.4. Trajectoire du système alimentation/excrétion de Paris 1850-2010
3.2. Le système alimentation/excrétion de l’agglomération parisienne au début du XXIe siècle
3.2.1. Méthodologie de caractérisation
3.2.2. Flux d’azote et de phosphore
3.2.3. Linéarité et pollution du système alimentation/excrétion parisien
3.3. Linéarité généralisée du monde occidental
3.3.1. Linéarité et pollution des rejets directs
3.3.2. Linéarité et pollution du traitement primaire et secondaire
3.3.3. Linéarité et pollution variable du traitement tertiaire
Conclusion de la troisième partie
4. Émergence de régimes circulaires dans le monde occidental
4.1. La prise de conscience relative à l’urine
4.1.1. Un intérêt faible avant les années quatre-vingt-dix
4.1.2. L’engouement suédois
4.1.3. Mobilisation de la communauté scientifique suédoise
4.1.4. L’assainissement écologique dans les pays du Sud
4.1.5. Foyers internationaux et rayonnement
4.2. Possibilités techniques de séparation à la source et de valorisation de l’urine
4.2.1. Interface usager
4.2.2. Collecte
4.2.3. Stockage
4.2.4. Transport
4.2.5. Traitement
4.2.6. Usage final
4.2.7. Caractérisation des régimes socio-écologiques envisageables
4.3. Potentialités de régimes circulaires sans séparation à la source de l’urine
4.3.1. Gestion conjointe des urines et matières fécales sur interface usager sèche
4.3.2. Collecte sous-vide des urines et matières fécales non mélangées aux eaux ménagères
4.3.3. La station d’épuration circulaire : une utopie ?
Conclusion de la quatrième partie
5. Possibilités de transition future des systèmes alimentation/excrétion
5.1. Évaluation de filières passées ou existantes de séparation à la source de l’urine
5.1.1. Bilan des réalisations suédoises : engagement citoyen et volonté politique
5.1.2. Bilan des réalisations allemandes et néerlandaises : micropolluants et modèle économique
5.2. Le verrouillage socio-technique du XXe siècle autour du tout-à-l’égout : le cas parisien
5.2.1. La disparition de l’urine avec les matières fécales dans l’assainissement
5.2.2. L’uniformisation des chaînes de gestion et la réduction des champs du débat
5.2.3. Le couplage actuel de la gestion des urines avec le régime socio-technique verrouillé du tout-à-l’égout
5.3. Le contexte favorable parisien aujourd’hui
5.3.1. La diffusion récente de la prise de conscience relative à l’urine en France
5.3.2. Un contexte de régulations publiques et de réglementations plutôt favorable
5.3.3. Possibilités de modifications systémiques induites par la circularité
5.4. Scénarios de transition socio-écologique
5.4.1. Récits de séparation à la source de l’urine
5.4.2. Prospective de transition socio-écologique de l’agglomération parisienne
Conclusion de la cinquième partie
Conclusion

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