L’eau dans l’écosystème

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1 L’eau dans l’écosystème

2 INTRODUCTION L'eau est à l'origine de la vie. Les premiers être vivants sont nés dans l'eau, il y a plus de deux milliards d'années. Les plantes et les animaux sont essentiellement constitués d'eau. Une laitue par exemple, contient 95 % d'eau, une pomme de terre 78 %, un œuf 75 %, un bifteck 60 %. L'homme lui-même est le produit d'une lente évolution au cours de laquelle l'eau a joué un rôle essentiel. L'eau est le principal constituant de notre corps : l'enfant, à sa naissance a 75 % d'eau dans son organisme. Celui de l'adulte en contient encore 65 %. Aucun être vivant ne peut vivre sans eau. L'être humain adulte doit boire en moyenne 2 litres d'eau par jour pour être en bonne santé.

3 Les grandes réserves d’eau
Près des trois quarts de la surface de notre planète sont recouverts par les mers et les océans. L’ensemble de l’eau de la Terre est estimée à millions de km3, soit milliards de milliards de litres d’eau ! Les eaux salées des mers et des océans représentent millions de km3, soit 97,4 % pour seulement 36 millions de km3 d’eau douce qui est répartie entre les glaciers, les glaces polaires, les eaux souterraines, les lacs, les rivières et l’atmosphère.

4 Une quantité d’eau stable
Depuis la formation de la Terre, il y a 4,5 milliards d’années, la quantité d’eau n’a pratiquement pas varié. Toute l’eau qui s’évapore vers l’atmosphère retombera un peu plus tard vers le sol sous forme liquide ou solide et inversement et ainsi le cycle se poursuit donc indéfiniment. La durée du cycle peut être très variable d’une région à l’autre : quelques heures dans les régions chaudes des tropiques à plusieurs milliers d’années pour les régions froides proches des pôles.

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9 2/-Cycle de l’eau Il est conditionné par l’alternance d’évaporation et de condensation. La vapeur se condense sous l’effet du froid dans les parties élevées de l’atmosphère. Elle est précipitée ensuite par les pluies et les neiges,puis si elle tombe sur une terre,ruisselle et percole en direction des lacs et de la mer. Elle peut s’évaporer à nouveau à partir des surfaces d’eau libre,du sol,et même des organismes vivants.

10 Le cycle de l’eau est évidemment complexe par la multiplicité des trajets dans le sol,à la surface du sol et dans les organismes , ainsi que par les mouvements à toutes échelles des masses d’eau et d’air. En moyenne dans nos régions , la moitié de l’eau de pluie est évacuée par ruissellement en surface et percolation jusqu’aux nappes phréatiques: l’autre moitié est évapotranspirée par les plantes. Dans certaines végétations la part transpirée peut atteindre %de l’eau reçue. Une proportion de 1%à 1‰ de l’eau absorbée sert à l’édification de la biomasse ; le reste sert au transit des éléments dissous.

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12 1/-Propriétés physiques de l’eau importantes pour les organismes vivants.
De nombreuses propriétés physiques très particulières de l’eau interviennent dans son interaction avec les organismes vivants. Dans l’intervalle des températures compatibles avec la vie,l’eau se rencontre sous les 03 phases: Solide(glace,neige,grêle,…). Liquide(eau libre,eau d’imbibition des milieux poreux,goutelettes en suspension dans les nuages et brouillards,pluie,..). Gazeuse(vapeur au sens physique du terme).

13 L’eau pure montre un maximum de densité à +4°C
L’eau pure montre un maximum de densité à +4°C. La glace de mer ou banquise contient moins de sel que l’eau qui la formée. L’eau qui n’a pas gelé au contact de la glace à -2°C est plus salée qu’avant gel. Etant froide et plus salée,elle a tendance à plonger . A l’inverse la glace de mer d’origine d’eau douce est moins dense que l’eau liquide,elle flotte,elle dérivera donc avec les courants de surface.

14 L’eau absorbe la presque totalité du rayonnement ultraviolet sur une épaisseur de quelques micromètres,et de l’infrarouge sur quelques millimètres. Elle n’est transparente qu’aux radiations visibles,et de façon variable en fonction de la longueur d’ondes.

15 L’eau solubilise de nombreux corps minéraux et organiques,ionise les électrolytes et disperse les colloïdes éléctro-chargés. En s’évaporant elle abandonne la totalité(et en gelant,une partie) de ces substances,qui se concentrent alors dans la phase liquide,ou bien sont déposées si cette dernière disparaît. En conséquence de ces nombreuses propriétés,l’eau véhicule et fait circuler la matière(en solution ou en suspension),l’énergie thermique et mécanique.

16 En outre elle contrôle et répartit,la chaleur ambiante,autorisant ou interdisant la vie,et sélectionnant les espèces en fonction de leurs exigences. Elle protége la matière vivante contre la faible proportion d’UV ayant réussi à traverser la couche d’ozone. A l’opposé, sa transparence vis-à-vis des longueurs d’ondes »visibles » autorise la photosynthèse jusqu’à une profondeur qui varie avec la charge en particules qui l’opacifient,mais peut atteindre plus de 100 mètres dans une eau pure.

17 Caractéristiques de l’eau de mer
La teneur en sels de l'eau de mer est de 34,5 g/l mais elle atteint 41 g/l pour la mer Rouge. Cette salinité est due à 55% au chlore, à 30,6 % au sodium, à 7.6 % aux sulfates, à 3,6 % au magnésium ...etc. La température de l'eau de mer est en moyenne de 17,4°C. La pression hydrostatique -c'est-à-dire la force qu'exerce l'eau par unité de surface- dans la mer augmente de 1 décibar par mètre de profondeur Par contre la densité de l'eau varie peu avec la profondeur.

18 Propriétés physiques de l’eau, importantes pour la biomasse :
L’eau véhicule et fait circuler la matière (en solution ou en suspension) et l’énergie auxiliaire. Elle contrôle et répartit dans une large mesure, la chaleur ambiante autorisant ou interdisant la vie et sélectionnant les espèces en fonction de leurs exigences. Sa transparence autorise la photosynthèse, jusqu'à une profondeur qui varie avec la charge en particules qui l’opacifient, mais peut atteindre plus de 100 mètres dans une eau très pure.

19 1/Les substances dissoutes(nutrilites)
Présence de nombreuses substances dissoutes : •Electrolytes principaux (NaCl - 35‰ en moyenne) •Sels nutritifs (nitrites, nitrates, phosphates, ammonium, …) A côté des électrolytes principaux déjà cités, les sels principaux sont les anions nitrates (NO3-), nitrites (NO2-), phosphates (PO4H2-, PO4H--, PO4---)et le cation ammonium (NH4+). Les végétaux (autotrophes) ne sont capables d’assimiler les éléments N, P,Si, etc. que sous la forme ionique et libre (importance du pouvoir de dissociation de l’eau). Leur concentration dans l’eau est variable : ex - Pollution et enrichissement en nitrates

20 1/Les substances dissoutes

21 Etant non conservatifs leurs concentrations variables dans l’eau sont le reflet des phénomènes biologiques et de l’histoire des masses d’eau. La répartition verticale hétérogène des sels nutritifs dissous c’est une tendance à l’enfoncement lent, car leur densité de l’ordre de 1.1 légèrement supérieur à celle de l’eau de mer qui est de

22 Écologie générale 2TCSM
Distribution des 3 principaux nutriments (PO4, NO3 et SiO2 dans les océans  Régénération des nutriments par la boucle microbienne et transferts en surface dans les zones d'upwelling 

23 Les particules de matière organique morte sont au cours de leur descente attaquées par des bactéries. Leur diamètre diminue donc, leur vitesse de chute diminue (l’eau va devenir de plus en plus froide, ce qui va rendre la densité et la viscosité de l’eau de mer beaucoup plus importantes) il y a souvent aussi accumulation de matériel organique en suspension au sommet des thermoclines, là où la densité et la viscosité de l’eau augmentent le plus rapidement, du même coup une intense activité bactérienne y règne. Cette dernière aboutit à une minéralisation de la matière organique, qui relibére dans le milieu les sels nutritifs.

24 Ecologie générale 2TCSM
Zone d'upwelling Zone stratifiée

25 Quand cette minéralisation a lieu dans la couche euphotique, où le phytoplancton a tendance à épuiser ces sels, les nutrilites régénérés sont immédiatement repris : c’est l’énergie d’une production de régénération palliant dans les régions marines ou lacustres oligotrophes la rareté des apports extérieurs de nutrilites.

26 Néanmoins,une grande partie de la matière organique traverse toutes les pycnoclines en se minéralisant progressivement,une partie ne se minéralisera que sur le fond,ou y sera consommée par des organismes benthiques. Dans tous les cas il se constituera,dans les couches profondes des lacs et des océans,une réserve énorme de sels nutritifs,particulièrement de nitrates et de phosphates.

27 C’est la contrepartie d’une fuite des éléments biogènes de la couche superficielle,la seule à être éclairée par le rayonnement solaire. Ainsi s’établit « la séparation spatiale »le processus interrompt la production biologique,jusqu’à ce qu’une énergie fasse remonter les éléments en surface(upwelling et downwelling)

28 Ecologie générale 2TCSM

29 Écologie générale 2TCSM
Nitrates Production primaire

30 Une thermocline accentuée a 02 actions:
D’une part elle s’oppose aux échanges par turbulence,donc aux réapprovisionnement en nutrilites de la couche euphotique:d’autre part elle provoque un ralentissement de la chute des particules,donc favorise une reminéralisation rapide,qui régénère sur place des sels nutritifs. Elle isole donc la couche d’eau superficielle ou « couche de mélange »des eaux sous-jacentes et y favorise en même temps le recyclage des éléments biogènes.

31 Classification des milieux naturels en fonction des sels nutritifs
Ultraoligotrophe,très pauvre en sels nutritifs(mer des Caraïbes et mer des Sargasses) oligotrophe, Apport très faible en sels nutritifs(mer Méditérannée) Mésotrophe,normale Eutrophe,riche en sels nutritifs(mer du nord) Dystrophes (=hypereutrophes) action anthropique,Pollution et enrichissement en nitrates

32 Caractéristiques oligotrophe eutrophe Nutriments Oxygène (variations) Productivité Transparence Forme du lac profond superficiel

33 2/-La salinité: Dans l’eau de mer la salinité totale tourne autour de 35‰(c’est-à-dire 35 grammes de sel par kilo d’eau de mer).La densité est alors de 1.06 pour une température de 15°C. Cette salinité est variable selon les mers:La teneur en sels de l'eau de mer est de 34,5 g/l mais elle atteint 41 g/l pour la mer Rouge. Cette salinité est due à 55% au chlore, à 30,6 % au sodium, à 7.6 % aux sulfates, à 3,6 % au magnésium ...etc.

34 En raison d’une forte évaporation;10‰ en certains points de la Baltique en raison d’apports fluviaux dans cette mer très fermée,et même moins de cette valeur dans les estuaires du monde entier,où le passage de l’eau douce à l’eau de mer est progressif. Ces variations de salinité agissent(conjointement avec la température)sur les variations de la densité de l’eau de mer,ayant pour conséquence sa stratification.

35 Écologie générale 2TCSM

36 C’est à la surface de l’eau que la salinité varie le plus (pluie par exemple). A cette interphase, les variations sont nombreuses pouvant avoir des incidences sur quelques centimètres de profondeur. L’évaporation conduit à une augmentation de la salinité mais le brassage de l’eau vient réguler ce phénomène.

37 Autre facteur important : la proximité du continent
Autre facteur important : la proximité du continent. En effet, quantité d’eau douce est déversée par les fleuves avec de grandes variations suivant les saisons. Il y a également une influence des marées avec une importance marquée car le fond est beaucoup moins loin (20 à  30 mètres) qu’en plein océan (300 à 600 mètres de fonds).

38 L’eau des estuaires montre une forte stratification,due cette fois à la salinité:l’eau douce plus légère,a tendance à rester en surface,l’eau salée au fond. Une coupe verticale montre une pycnocline,qui est ici due aux variations de salinité et qui est donc une halocline. Il s’établit alors une circulation estuaire à 02 couches,l’eau douce s’écoule vers le large et suscite un cisaillement au contact avec l’eau salée sous-jacente,dont les couches supérieures sont partiellement arrachées et entraînée vers le large en même temps qu’elles se diluent.

39 L’accélération turbulente accélére évidement l’homogeinisation,cependant dans cette dynamique,les 02 masses d’eau superposées sont constamment renouvelées de sorte que la stratification est permanente(du moins pour autant que le débit du fleuve le soit).

40 Circulation estuaire à deux couches

41 Comportement en fonction de la salinité
- euryhaline - sténohaline élevée - sténohaline moyenne - sténohaline basse - euryhalines les espèces supportant des variations de grande amplitude autour de salinités moyennes allant de quelques grammes à plus de 100 p. 1000; D’une manière générale, les organismes vivants dans les estuaires sont euryhalins. En effet, ils passent plusieurs fois par jour d’une salinité proche de celle de l’eau de mer (35 ‰) à une salinité proche de l’eau douce (2 – 4 ‰). -

42 sténohalines les formes ne tolérant que des variations de faible amplitude avec trois subdivisions : 
basses salinités ne pouvant survivre dans des eaux dont la salinité moyenne dépasse 30 p salinités normales peuplant les eaux dont la salinité moyenne est comprise entre 30 et 40 p fortes salinités ne pouvant tolérer des salinités moyennes inférieures à 40 p  

43 Tableau Proportion des différents sels dans l'eau de mer après évaporation
Sel Proportions NaCl % MgCl % MgSO % CaSO % KCl 1.7% CaCO %

44 1/Les substances dissoutes

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46 3/-Les gaz dissous Les gaz dissous les plus importants dans les cycles écologiques sont l’oxygène, présent dans les eaux à raison de 4 à 8 ml/ litre en général, également du dioxyde de carbone CO2 dont le taux est très variable.

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48 a/-L’oxygène Comme l’oxygène est peu soluble dans l’eau ce gaz peut souvent jouer le rôle de facteur limitant en milieu aquatique. La solubilité décroît avec la température,et elle est plus faible dans l’eau de mer que dans l’eau douce.

49 Solubilité de l’oxygène dans l’eau douce et dans l’eau de mer à différentes températures
(cm³/l) Eau douce. 10 15 20 30 8.0 6.4 5.8 5.3 4.5 10.3 7.2 6.5 5.6

50 A toute température la valeur de saturation pour l’eau de mer est de l’ordre de 80% de celle de l’eau douce. Pour caractériser une eau on indiquera son % de saturation;c’est-à-dire le rapport entre son taux réel en oxygène,et celui qu’elle posséderait à saturation à la même T°. On décèlera ainsi des variations du taux d’oxygène dues à d’autres facteurs que la T°.

51 Par exemple il y a sous saturation quand les processus de respiration et d’oxydation bactérienne de la matière organique prennent le pas sur la photosynthèse. Il y a en revanche,rarement sursaturation:on ne l’observe qu’en des points où la photosynthèse est extrêmement active et toujours de façon fugitive puisque l’équilibre avec les eaux avoisinantes et avec l’atmosphère est rapide.

52 Retenons que la saturation,ou sursaturation,en oxygène dissous d’une masse d’eau est corrélative d’une synthèse active de matière organique. Cette synthèse est en effet une réduction. Au contraire, la sous saturation est corrélative d’une dégradation(respiration ou dégradation bactérienne) de la matière organique,qui est une oxydation. La consommation d’oxygène peut être actuelle ou passée et dans ce dernier cas la sous saturation constitue un témoin de l’histoire passée de la masse d’eau.

53 La résistance des animaux aquatiques aux faibles teneurs en oxygène est très variable. Chez les poissons on a distingué 04 groupes: 1/Les espèces à besoins élevés exigent de 7à11 cm³/l, ce sont des espèces d’eaux froides et rapides (s’il s’agit des eaux douces) comme la truite,le vairon,..

54 2/-Les espèces qui se contentent de 5à7cm³/l.
3/-Les espèces comme la carpe ou la tanche peuvent survivre avec seulement 0.5cm³/l. Des pigments respiratoires se rencontrent souvent chez les vertébrés aquatiques qui vivent dans des milieux pauvres en oxygène.Les annélides ont des érythrocruorines,pigments voisins mais différents de l’hémoglobine des vertébrés.

55 Le polychète Arenicola marina qui se trouve dans la vase littorale peu oxygénée à une érythrocruorine qui lui sert de réserve d’oxygène. Elle ne cède son oxygène que lorsque la tension de ce gaz dans le milieu devient très faible. Chez tous les annélides benthiques on trouve un pigment respiratoire qui est soit de l‘érythrocruorine(Arenicola ,Nereis,Tubifex),soit une chlorocruorine(Sabella).

56 L’anguille qui peut vivre dans des eaux très pauvres en oxygéné possède une hémoglobine qui est saturée pour des pressions partielles beaucoup plus basses que chez une espèce comme le maquereau,poisson bon nageur vivant dans les eaux riches en oxygène. Des modifications semblables des propriétés de l’hémoglobine ont été signalées chez les Mammifères de haute montagne.

57 Les organismes vivants se subdivisent ainsi en 02 catégories
Euryoxybionte : Organisme aquatique possédant un grand intervalle de tolérance relatif à la concentration en oxygène dissous. Sténooxybionte : Organisme aquatique possédant un faible intervalle de tolérance relatif à la concentration en oxygène dissous.

58 b/-Le gaz carbonique Ce gaz se trouve dans l’eau sous la forme dissoute o.5 cm³/litre à 0°C et 0.2 cm³/litre à 24°C dans l’eau pure,soit sous la forme de carbonates et bicarbonates de métaux alcalins et alcalino-terreux.L’eau de mer constitue le reservoir essentiel de gaz carbonique puisqu’elle renferme de 40à50 cm³/litre sous la forme libre ou combinée soit 15 fois la concentration de l’atmosphére.

59 Le gaz carbonique joue un rôle considérable en permettant la photosynthèse des végétaux chlorophylliens,en agissant sur le pH de l’eau et sur sa réserve alcaline,il intervient aussi dans l’édification des formations calcaires(coquilles,squelettes,carapaces) de nombreux invertébrés.

60 La teneur en CO2 dans l’eau douce et dans l’eau de mer à différentes températures(Tableau des taux de saturation) Températures. (°C) Eau de mer. (cm³/l) Eau douce. 10 15 20 30 0,44 0,31 0,275 0,205 0,21 0,52 0,36 - 0,27 0,20

61 Dans l’eau douce la teneur en Co2 dépend de la T°,dans l’eau de mer,elle dépend au contraire essentiellement du pH,quand le pH est bien tamponné,on trouve des concentrations de co2 stabilisées à des valeurs très différentes de celles de saturation

62 4/- Le pH Rappel de la définition : C’est une mesure du degré de caractère acide (Prédominance des ions H+ sur les ions OH-) ou basique (prédominance inverse) d’une solution aqueuse. Le pH intervient dans le fonctionnement des enzymes ; exemple l’ATPase fonctionne entre un pH de 6,5 et 7,5 avec un optimum au voisinage de 7 . Le milieu intérieur des organismes et le milieu ambiant ont tendance à faire varier leur pH. En particulier la photosynthèse a tendance à élever le pH du milieu ambiant, les respirations et fermentations font l’inverse.

63 Le pH est un facteur important dans la répartition des organismes aquatiques. Certains végétaux comme l’Elodea occupe des eaux dont le pH est compris entre 7.7 et 8.8 pour un pH entre 8.4 et 9 on rencontre le genre Typha. Certains mollusques sont rares ou absents dans des eaux à pH peu élevé en raison de l’absence de calcaire. Les poissons dans leur ensemble supportent des pH compris entre 5 et 9. La productivité piscicole est maximale pour des pH de 6.5à 8.5 .

64 pH des eaux marines  Au contraire des eaux douces, l’eau de mer est bien tamponnée . Elle conserve un pH compris entre 8,0 et 8,3 montant exceptionnellement et temporairement jusqu'à 9,0 en cas d’activité photosynthétique intense. Ce pH diminue très légèrement quand la pression augmente ( -0,02 à –0,03 unités de pH pour une augmentation de 100 mètres d’eau ) et quand la température augmente ( -0,01 unités de pH pour une augmentation de 10°c ). Les 02 effets se compensent quand une masse d’eau s’enfonce, puisque la température tend alors à diminuer pendant que la pression croit.

65 On distingue 02 catégories d’organismes
Euryionique : se dit d’une espèce capable de tolérer une large plage de pH. Stenoionique:sensible à une variation du pH.