Les perturbations anthropiques des cycles biogéochimiques Partie 2: Carbone – Mercure – Eau Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Plan du cours Rappel sur les cycles biogéochimiques Le cycle du carbone Changements climatiques: énergie et alimentation Matériaux et dépotoir de plastique du Pacifique Le cycle du mercure Les effets du déboisement et des inondations Le problème de la bioamplification Le cycle de l’eau Les impacts de sa gestion: cas de la mer d’Aral La crise de l’eau Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Rappel général Les éléments sont contenus dans divers réservoirs (ex.: biomasse, roche, atmosphère). Les éléments peuvent changer de réservoirs sous l’influence de différents processus (ex.: consommation, érosion, respiration, sédimentation). Les éléments peuvent prendre différentes formes au travers de leur cycle (diverses molécules organiques ou inorganiques). [1] Collège Lionel-Groulx

Comprendre le cycle du carbone Fossilisation adapté de [1] Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le cycle en chiffres [3] Collège Lionel-Groulx

L’impact du débalancement [4] Les concentrations de CO2 passées on aussi été évaluées en mesurant la densité des stomates sur des feuilles fossilisées [2]. Beaucoup de stomates = faible [CO2] . Collège Lionel-Groulx

L’impact du débalancement L’utilisation de combustibles fossiles est une source importante de CO2 pour l’atmosphère. Une autre source majeure (environ 15%) est le déboisement [2]. Un autre gaz carboné est aussi en augmentation: le méthane (CH4). Une partie provient de l’élevage Une autre partie provient du réchauffement des sols arctiques Vidéo: Découverte 15 août 2010 [5] Collège Lionel-Groulx

Les origines du méthane Alimentation 250 à 500 L de méthane sont relâchés, à chaque jour par chaque tête de bétail [6]. Au fur et à mesure que les pâturages gagnent du terrain, la production de méthane par les bovins devient de plus en plus importante. Dépotoirs Les Québécois génèrent en moyenne 810 kg de déchet par habitant annuellement [7]. 5% des gaz à effet de serre québécois proviennent de l’enfouissement. Fonte du pergélisol Le pergélisol contient d’énormes quantité de méthane. La fonte de celui-ci relâche du méthane dans l’atmosphère. Au large de la Sibérie seulement, on estime à 17 millions de tonnes la quantité de méthane qui est libérée annuellement par la fonte du pergélisol sur le sol de l’océan Arctique [8]. Le méthane est un gaz à effet de serre 21 fois plus puissant que le CO2 [7]. Collège Lionel-Groulx

La bombe du carbone Le méthane émis par la fonte du pergélisol fait partie d’une boucle de rétroaction positive. Plus on laissera aller les choses, pire sera la situation. Hausse de la température moyenne Fonte du pergélisol terrestre et marin Dégagement de méthane Hausse de la concentration de méthane atmosphérique Hausse de l’effet de serre Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx L’effet de serre Lorsque la lumière solaire frappe un objet, une partie de la lumière est réfléchie et une autre partie est convertie en chaleur. L’atmosphère agit comme un écran qui est perméable à la lumière mais semi-perméable aux rayons infrarouge. Les molécules de l’atmosphère qui permettent de garder la chaleur sont l’H20, le CO2, le CH4 ainsi que d’autres gaz. L’effet de serre est un processus naturel. La température moyenne de la planète serait de -18⁰C sans elle [2] On prévoit une augmentation de la température moyenne de l’ordre de 3⁰C d’ici 2100 à provoquer par la hausse anthropique des gaz à effets de serre [2]. Collège Lionel-Groulx

Changements climatiques [9] Collège Lionel-Groulx

Conséquences d’une hausse de la température moyenne Changements dans les courants marins, suivis de changements majeurs sur le climat Changements de précipitations (sécheresses et inondations) Hausse des phénomènes météo extrêmes (tempêtes, ouragans, grêle) Hausse du niveau de la mer (inondations) Diminution de l’albedo terrestre Disparitions d’espèces Espèces envahissantes Impacts socio-économiques Animation sur l’évolution des glace en Arctique depuis 1987 Collège Lionel-Groulx

Impact: ralentissement de la circulation thermohaline Refroidissement majeur en Europe? Épisode d’extinction marine massive comme celle du Permien? [10] Collège Lionel-Groulx

Changements de températures et de précipitations prévus En utilisant des modèles mathématiques, on fait des prédictions sur les changements de températures et de précipitations. Ce sont les régions au nord du 45ème parallèle qui devraient être les plus durement touchées [11] Collège Lionel-Groulx

Autres boucles de rétroaction positive Vapeur d’eau Diminution de l’albedo* Hausse de la température moyenne Hausse de l’évaporation Hausse de la concentration atmosphérique de vapeur d’eau Hausse de l’effet de serre Hausse de la température moyenne Hausse de la fonte des glaces Diminution de l’albedo terrestre Hausse de l’absorption de la lumière solaire Lumière solaire convertie en rayonnement infrarouge *Albedo: rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente Collège Lionel-Groulx

Impacts socio-économiques des inondations Collège Lionel-Groulx

Le carbone sous une autre forme Lorsque l’on parle du cycle du carbone, le CO2 et le CH4 occupent beaucoup de place. Pourtant, le carbone prend une autre forme importante dans notre quotidien: les matières plastiques. La production annuelle de matières plastiques (à partir de combustibles fossiles) était 288 mégatonnes en 2012. Matières plastiques: macromolécule dont le degré de polymérisation (on nombre de répétitions de monomères) dépasse 3000. Collège Lionel-Groulx

Le carbone sous une autre forme Les plastiques sont formés par polymérisation: union de monomères par réaction de condensation. Les plastiques ne se décomposent pas. La photodégradation (UV) réduit progressivement la taille des morceaux en brisant des liaisons covalentes dans le polymère. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Où va tout le plastique? Vidéo: Découverte 6 décembre 2009 Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Solutions Les problèmes associés au cycle du carbone sont vastes, mais des solutions existent: Moins consommer en général (énergie, autant qu’objets de toute sorte). Diminuer ses déplacements et utiliser des moyens de transport moins énergivores (transport en commun, vélo, marche…). Changer la provenance de l’énergie: remplacer les énergies non-renouvelables par des énergies renouvelables. Manger moins de viande (économie en CO2 et CH4). Achat local, achat biologique (transport et production d’engrais = énergivore). Récupérer les biogaz des dépotoirs pour faire de l’électricité (ex.: complexe environnemental de St-Michel). Composter les matières organiques. Diminuer l’utilisation des matières plastiques et mieux gérer les déchets plastiques (éviter leur dispersion dans l’environnement). Collège Lionel-Groulx

Un cas de bioamplification Le cycle du mercure Un cas de bioamplification Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le cycle du mercure Le mercure (Hg) est présent naturellement dans les sols. Il existe sous trois formes: réduite (Hg0), oxydée (Hg2+) et méthylée (CH3Hg). La décomposition de matière organique par des bactéries en milieu anoxique , en présence de Hg2+, permet la formation de méthylmercure (CH3Hg) [12]. Collège Lionel-Groulx

Les type de mercure et la bioamplification Le Hg0 est plutôt inerte et volatil et peut être transporté via l’atmosphère. Le Hg2+ est plus réactif et est hydrophile. Le CH3Hg entre aisément dans la chaîne alimentaire. Une fois entré, il se bioamplifie car il n’est pas éliminé ni utilisé. [1] Collège Lionel-Groulx

Quelles activités humaines augmentent l’accès au mercure? Déforestation Hydro-électricité et inondations La déforestation cause l’érosion des sols. Lorsque le sol est lessivé vers les cours d’eau, il transporte avec lui le Hg2+. Une fois dans les sédiments anoxiques, des bactéries le transformeront en méthylmercure. L’inondation de vastes étendues pour créer des réservoirs met en contact du mercure et les bactéries pouvant le méthyler. De plus, la grande quantité de matière organique à décomposer augmente les chances d’avoir des sédiments anoxiques, propices pour la méthylation. Collège Lionel-Groulx

Le mercure au Québec 2 lacs, mêmes espèces, 2 taux de contamination [13] [13] Certaines populations autochtones du Québec sont de grandes consommatrices de poissons et sont exposées à des quantités importantes de méthylmercure. Elles pêchent dans des bassins hydrographiques où les barrages hydro-électriques abondent. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Les solutions Diminuer la consommation d’électricité: évite la construction de nouveaux barrages. Isolation des maisons Utilisation de l’eau chaude Éclairage Moins consommer en général Réduire la déforestation. Manger moins de viande Recycler bois et papiers Préserver les bandes riveraines. Diminuer les apports industriels de mercure. Collège Lionel-Groulx

Le cas de la mer d’Aral et la crise de l’eau Le cycle de l’eau Le cas de la mer d’Aral et la crise de l’eau Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le cycle de l’eau [1] Collège Lionel-Groulx

Perturbations anthropiques La plupart du temps, les humains modifient le cycle de l’eau en changeant le potentiel d’évaporation: Agriculture irriguée Terrain de golf Piscine Aussi, les humains modifient le cycle de l’eau en la transportant d’un endroit vers un autre (ex.: eau embouteillée, guerres de l’eau de la Californie). Bien que ces modifications puissent sembler mineures, il existe des exemples où les conséquences ont été désastreuses… Collège Lionel-Groulx

Impact de l’humain sur le cycle de l’eau: le cas de la mer d’Aral Collège Lionel-Groulx

Ce qui s’est passé… Dans les années 60: quatrième plus vaste étendue d’eau intérieure de la planète. On a utilisé l’eau des deux fleuves qui alimentent la mer (Syr Darya et Amu Darya) pour irriguer des champs de coton et des rizières [14]. L’apport d’eau dans la mer a diminué. L’évaporation dans la mer n’a pas changé Résultat = déséquilibre!!!

Impact de l’humain sur le cycle de l’eau: le cas de la mer d’Aral Collège Lionel-Groulx

Impact de l’humain sur le cycle de l’eau: le cas de la mer d’Aral [15] Collège Lionel-Groulx

Impact de l’humain sur le cycle de l’eau: le cas de la mer d’Aral 1973 2010 Collège Lionel-Groulx

Cas de l’Aral: impacts écologiques La salinité de l’eau a été multipliée par 7, à plus de 100 g/L [14]. En comparaison, les océans contiennent environ 35 g/L. 26 espèces de poissons sur 32 sont disparues. Les espèces survivantes habitent surtout les deltas et les fleuves [14]. Le niveau des nappes phréatiques a chuté [14]. 54,000 km de fonds marins saturés en sels ont été exposés [14]. Des tempêtes de poussières transportent le sel sur des centaines de kilomètres (voir prochaine diapo). Salinisation des sols environnants. Changement dans la végétation au profits d’espèces tolérantes [14]. Perte de 50% des espèces d’oiseaux et de mammifères [14]. Collège Lionel-Groulx

Tempête de poussière près de la mer d’Aral [16] Collège Lionel-Groulx

Cas de l’Aral: impacts socio-économiques Pertes de 60,000 emplois (pêcherie). On y pêchait annuellement 40,000 tonnes de poissons par an en 1960 [14]. Sols impropres à la culture (sel + pesticides) [14]. Tempêtes de poussières toxiques - pesticides (DDT, toxophène) et autres polluants organiques (BPC, dioxines) [17]. Maladies Maladies respiratoires, cancers de la gorge et de l’œsophage, pathologies digestives due à l’ingestion de sels, troubles hépatiques et rénaux [14], cancer du foie [17]. Taux de mortalité infantile dépassant les 100 par 1,000 naissances [17]. Malnutrition due à la chute de la diversité alimentaire [14]. Une ancienne île militaire est maintenant rattachée au continent: danger car diverses armes biologiques y ont été testées [14,17]. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Solutions locales [14] Diminuer l’irrigation des terres agricoles. Option rejetée par 4 des 5 pays du bassin versant, il faut nourrir la population croissante. Opter pour des cultures moins consommatrices d’eau (ex.: blé plutôt que coton). Option rejetée par 2 pays pour lesquels le coton représente une grande entrée d’argent dans le pays. Améliorer les canaux d’irrigation pour diminuer les pertes d’eau en chemin. Les coûts d’environ $15 milliards sont impensables pour les pays du bassin versant. Le Kazakhstan fait cavalier seul en construisant, en 2005, un barrage séparant la petite mer du nord du reste de la mer d’Aral Le niveau de la petite mer a augmenté d’une quarantaine de mètres en 18 mois, le salinité a baissé à 10 g/L, les stocks de poissons ont augmenté. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx L’effort kazakh de 2005 Collège Lionel-Groulx

Solutions internationales Aide de la Banque Mondiale pour financer l’amélioration des canaux d’irrigation. Acheter du coton biologique équitable. On s’assure ainsi qu’on empoisonne personne par notre consommation. On s’assure que ceux qui ont travaillé pour nous offrir le coton ont des conditions de travail humaines et accès à la scolarité et aux soins de santé. La diminution de la demande pour le coton de la mer d’Aral forcera les administrateurs locaux à changer leurs pratiques et/ou leurs cultures. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx La mer d’Aral est un exemple, mais de plus en plus d’êtres humains sont au prise avec des problèmes d’accès à l’eau et de qualité de l’eau. La crise de l’eau Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx La qualité de l’eau La qualité des eaux de surface et des nappes phréatiques est en constante dégradation: Phosphate et nitrate provenant de l’agriculture intensive Coliformes fécaux provenant de l’élevage et des égouts Contamination par des polluants d’origine industrielle Contamination par des pesticides (exemple des ananas au Costa Rica) L’accès à de l’eau de qualité, saine et sécuritaire, diminue à chaque année. Collège Lionel-Groulx

La demande croissante pour l’agriculture L’irrigation représente 70% de la consommation mondiale d’eau douce [18]. En milieu aride, 90% de la ressource est utilisée pour l’irrigation [18]. La production d’un kilo de blé demande entre 400 à 2 000 L d’eau. La production d’un kg de viande demande entre 1 000 et 20 000 L d’eau. [15] Collège Lionel-Groulx

Agriculture en milieu aride: un autre cas de gestion défaillante [15] Collège Lionel-Groulx

Le prélèvement d’eau par habitant dans le monde On prélève en moyenne environ 500 m3 d’eau par année par personne sur la planète. Cette statistique inclut l’eau pour usage domestique autant que l’eau pour usage agricole ou industriel. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le gaspillage Transport de l’eau potable Jusqu’à 50% de l’eau potable est perdue par des fuites dans les pays en développement [18]. À Montréal, c’est environ 40%. L’irrigation intensive Les pertes peuvent monter à 40% [14, 18]. La surconsommation Dans une région aride d’Afrique: 10 à 40 L par jour pour boire, faire la cuisine et se laver [18]. En Europe et Amérique du Nord: 300 à 600 L par jour pour les mêmes besoins de base [18]. Collège Lionel-Groulx

L’endettement hydrique [15] Endroits où la consommation d’eau s’approche ou excède la capacité de régénération. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le résultat Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Le résultat [15] Plus de 2,8 milliards d’êtres humains dans 48 pays feront face à un stress hydrique d’ici 2025 [15]. En 2050, on estime que 40% des humains seront dans cette situation [15]. Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx La guerre de l’eau? Est-il éthiquement acceptable de vendre de l’eau? L’eau, comme l’air, n’est pas un bien que l’on peut posséder ni vendre. « L’or bleu » est donc une formulation à éviter. Est-ce que la rareté de l’eau potable pourrait accroître l’instabilité politique? Le Québec et le Canada, riches en réserves d’eau douce, pourraient- ils devenir des cibles advenant des pénuries? Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Médiagraphie [1] Campbell, N. A., et J. B. Reece. (2004). Biologie. 2ième éd., Éditions du Renouveau pédagogique (ERPI), 1364 pages. [2] Reece, J.B. et coll. (2012). Campbell Biologie. 4ième éd., Éditions du Renouveau pédagogique (ERPI), 1348 pages. [3] Wikimedia commons. Page consultée le 10 février 2014. Cycle du carbone 2. [En ligne], URL: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cycle_du_carbone2.svg [4] Scripps Institution of Oceanography. Page consultée le 10 février 2014. Atmospheric Oxygen Research Group. [En ligne], URL: http://bluemoon.ucsd.edu/co2_400/ co2_800k_zoom.png [5] NOAA. Page consultée le 10 février 2014. NOAA’s annual greenhouse gas index. [En ligne], URL: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/ [6] Johnson, K. A., et D. E. Johnson (1995). Methane emissions from cattle. Journal of Animal Sciences, vol. 73, pages 2483-2492. [7] Amarante, J. A. L. (2010). Biométhanisation des déchets putrescibles municipaux – technologies disponibles et enjeux pour le Québec. Essai, Centre Universitaire de Formation en Environnement, Université de Sherbrooke. 89 p. [8] Shakhova, N. et coll. (2014). Ebullition and storm-induced methane release from the East Siberian Arctic Shelf. Nature Geoscience vol. 7, p. 64-70. [9] NOAA. Page consultée le 10 février 2014. Temperature change and carbon dioxide change. [En ligne], URL: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/globalwarming/temperature-change.html Collège Lionel-Groulx

Collège Lionel-Groulx Médiagraphie [10] NASA Earth Observatory. Page consultée le 11 février 2014. Explaining rapid climate change: tales from the ice. [En ligne], URL: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_Evidence/ paleoclimatology_evidence_2.php [11] IPCC. (2013). Climate change 2013: the physical science basis. Contributions of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. [Stocker, T. F., et coll.] Cambridge University Press, 1535 p. [12] Environnement Canada. Page consultée le 10 février 2014. Biogeochemistry. [En ligne], URL: http://www.ec.gc.ca/mercure-mercury/default.asp?lang=En&n=67E16201-1 [13] MDDEP. Page consultée le 11 février 2014. Guide de consommation du poisson de pêche sportive en eau douce. [En ligne]. URL: http://www.mddep.gouv.qc.ca/eau/guide/ [14] Micklin, P. et N. Aladin. (2008). Le sauvetage de la mer d’Aral. Pour la science, vol. 374, p. 78-84. [15] UNEP. (2008). Vital water graphics – An overview of the state of the world’s fresh and marine waters. 2ième éd. Page consultée le 17 février 2014. [En ligne]. URL: http://www.unep.org/dewa/vitalwater/index.html [16] NASA Earth Observatory. Page consultée le 11 février 2014. Dust storm over the Aral sea. [En ligne], URL: http://www.earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/view.php?id=19853 [17] Whish-Wilson, P. (2002). The Aral sea environmental crisis. Journal of rural and remote environmental health, vol. 1 (2), p. 29-34. [18] UNESCO. Page consultée le 17 février 2014. Le spectre de la soif: la crise de l’eau potable. [En ligne]. URL: http://www.unesco.org/bpi/science/vf/content/press/franco/10.htm [19] Laserre, F. (2009). Sous la menace des guerres de l’eau. Alternatives Économiques, vol. 285. Collège Lionel-Groulx