Danger! Variations dans le cycle du silicium

L’environnement est un domaine dont l’importance a grandi depuis le siècle dernier. Plusieurs nouveaux domaines scientifiques ont développé une spécialisation pour l’environnement comme la géochimie environnementale, la chimie environnementale, la météorologie, etc. De plus, la société encourage la population à devenir plus écologique en utilisant les bacs de recyclage, le compost, les énergies renouvelables, etc. Cette question environnementale touche aussi la compréhension des principaux cycles naturels sur Terre par exemple celui de l’eau. Le cycle de l’eau représente les différents transferts s’effectuant entre ces principaux réservoirs. Un réservoir c’est une zone de la planète qui constitue une importante concentration, c’est-à-dire une quantité de matière par unité de volume de la substance en question. Dans l’exemple du cycle de l’eau, ces quatre principaux réservoirs sont : 1) l’atmosphère dans laquelle l’eau se trouve sous forme gazeuse; 2) l’hydrosphère dans laquelle l’eau se retrouve sous forme liquide et comprend les cours d’eau, les lacs, les rivières et les océans; 3) la biosphère qui est le réservoir impliquant les organisme vivants comme l’homme; 4) les glaciers où l’eau se retrouve sous forme solide. Une analyse de ce cycle montre un système d’échange entre ces différents réservoirs comme l’eau qui s’évapore de l’hydrosphère ou la transpiration. Ce type d’analyse est important pour évaluer les impacts de l’activité humaine sur de tels cycles comme, pour le cycle de l’eau, l’augmentation de la température par le réchauffement climatique qui entraîne un plus grand transfert du réservoir glacier vers celui de l’hydrosphère. Cependant, qu’en est-il pour des cycles que l’intérêt de la population n’a pas encore considérés, comme le cycle du silicium qui représente un élément clé de l’environnement à plusieurs niveaux? Pour mieux comprendre son rôle clé dans l’environnement, il sera question en premier lieu d’une explication de ce qu’est le silicium suivi de la description de son importance pour l’environnement et finalement un aperçu des impacts de l’homme sur ce cycle et ses conséquences.

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Avant de commencer l’analyse du cycle du silicium, il faut au départ savoir que le silicium est un des éléments du tableau de Mendeleïev (périodique). Cet élément constitue le second élément le plus abondant sur Terre après l’oxygène. Son cycle se divise en quatre  réservoirs dont l’un représente quasiment la totalité du silicium. Ces quatre réservoirs sont en ordre décroissant : la lithosphère c’est-à-dire la croute terrestre principalement, l’hydrosphère, la biosphère et l’atmosphère. Le transfert du silicium dans ce cycle s’effectue principalement par le biais d’une molécule nommée la silice (SiO2) dont la partie la plus importante pour la question de l’impact de l’homme sur ce cycle est la forme dissoute. Son cycle, si l’on prend comme point de départ du réservoir la lithosphère, débute avec la libération de la silice des roches silicatées c’est-à-dire composées majoritairement de silice comme le quartz, l’olivine, etc. qui composent la majeure partie de la croûte terrestre. Cette libération se produit à cause d’une réaction chimique dans laquelle la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère forme des pluies acides. Lors de cette libération, la silice se retrouve sous forme dissoute et voyage entre les différents réservoirs jusqu’à l’océan où finalement elle est précipitée pour retourner dans la lithosphère et ainsi clore la boucle. Donc, le silicium qui dans le cas de cette partie du cycle se retrouve sous la forme de silice est un élément majeur sur la planète et principalement contenu dans le réservoir de la lithosphère. Le silicium doit subir des réactions chimiques résultant de la pluie pour se libérer de la roche et ainsi voyager dans les différents réservoirs.

Mais en quoi le cycle du silicium est-il important pour l’environnement ? Il est principalement important pour l’environnement à cause de ces liens avec un des cycles auquel la population est sensibilisée, à savoir celui du carbone avec les gaz carboniques et le méthane. L’un de ces liens résulte du procédé de libération de la silice puisque comme mentionné plus haut, elle dépend de la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère, c’est-à-dire que plus la concentration en gaz carbonique est élevée et plus il y aura de la silice libérée de la roche. Un autre lien entre ces deux cycles se situe dans le réservoir de la biosphère du cycle du silicium puisque certaines formes de vie microscopiques utilisent la silice comme matière première pour la fabrication de leurs coquilles. Ces formes de vie, dont la principale est la famille des diatomées, sont des organismes unicellulaires aquatiques effectuant de la photosynthèse. Le processus de la photosynthèse est une réaction chimique dans laquelle le gaz carbonique, l’eau et l’énergie solaire donnent un produit organique et du dioxygène (O2). Donc, ce processus résultant de l’absorption du gaz carbonique et de la libération de l’oxygène est appelé la pompe biologique du carbone. En plus, d’être l’un des groupes responsable de cette pompe, il représente aussi les éléments à la base de plusieurs chaînes alimentaires dont une grande partie de celles dont l’homme se trouve au sommet. Donc, le silicium, malgré le peu d’intérêt que l’ensemble de la population lui accorde, joue un rôle majeur dans l’environnement : il est influencé et influence le cycle du carbone et produit un impact sur la pompe biologique du carbone par le biais des diatomées. De plus, il joue un rôle direct sur plusieurs chaînes alimentaires dont l’homme se nourrit.

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Diatomées

Maintenant, en quoi l’homme peut-il perturber ce cycle et quelles en sont les conséquences ? L’homme  le perturbe de plusieurs manières qui interfèrent sur les échanges entre les réservoirs, sur leur quantité et leur vitesse. La première perturbation de l’homme est le réchauffement climatique puisque, comme le réchauffement climatique augmente la quantité de gaz carbonique dans l’atmosphère, il en résulte une augmentation du silicium libéré de la roche. C’est augmentation de silice dissoute entraîne en finale une plus grande quantité de silice disponible pour les diatomées favorisant leurs reproduction au détriment des autres familles composant le phytoplancton c’est-à-dire la partie du plancton qui utilise la photosynthèse. Une autre perturbation est la construction des barrages puisqu’elles créent un obstacle à la circulation des cours d’eau et des rivières vers l’océan. En conséquence, la vitesse du transport de la silice est diminuée, ralentissant l’ajout de silice dans l’océan. Ce ralentissement provoque en même temps une réduction dans la reproduction des diatomées en favorisant leurs concurrents. Or certaines familles de ces concurrents ont une efficacité moins grande pour le pompage du gaz carbonique diminuant la quantité de gaz carbonique retirée du réservoir de l’hydrosphère et du coup de l’atmosphère. Et, en plus d’être moins efficace dans le pompage du gaz carbonique, il forme des représentants de chaînes alimentaires non comestibles pour l’homme dont certaines sont même toxiques pour plusieurs autres espèces animales. Néanmoins, cette perturbation favorise elle aussi les diatomées dans les rivières et les lacs puisque la silice, à cause de la construction de ces barrages, possède un plus grand temps de résidence dans le milieu. Le temps de résidence représente le temps moyen qu’une petite quantité de l’élément en question prend avant de sortir de ce milieu. Un exemple de temps de résidence est celui d’une gouttelette d’eau dans l’atmosphère pour laquelle le temps moyen de résidence est de quelques jours. Par contre, un temps de résidence engendre lui aussi des perturbations sur le cycle puisque l’eau comme tout corps liquide possède un taux maximum de particules dissoutes qui est appelé saturation. Lorsqu’un liquide devient saturé à certaines particules, il ne peut plus transporter entre ces molécules d’autres particules. Les particules en excès vont par la suite précipitée vers le fond comme lorsque l’on met du sel dans l’eau au-delà du niveau de saturation. Cependant, comme l’eau avec le sel, la température peut affecter la quantité de particules dissoutes que peut contenir ce liquide. Une autre perturbation que l’homme crée sur le cycle du silicium est lié à l’agriculture puisque les plantes prennent et utilisent le silicium dans les cours d’eau. Ils utilisent ce silicium dans plusieurs parties de leurs structures pour des raisons biologiques allant du soulagement du stress dû à la présence de certains minéraux dans l’eau, au renforcement de leurs structures. Cependant, l’homme en récoltant retient temporairement le silicium piégé par les plantes du cycle diminuant la quantité de silicium parvenu jusqu’à l’océan et diminuant sa concentration dans les cours d’eau. Donc, l’action de l’homme occasionne des impacts sur le cycle du silicium en intervenant sur la concentration et la vitesse de transferts des différents milieux, provoquant des conséquences sur l’environnement, notamment sur la pompe biologique du gaz carbonique, la biodiversité ainsi que sur les chaînes alimentaires.

Silicium

Silicium brut

En conclusion, malgré le fait que les quantités en jeu entre les différents réservoirs est minime comparé à celui du cycle du carbone ou de l’eau, les impacts d’une variation dans le cycle du silicium sont à prendre au sérieux. Ce cycle a de fortes répercussions dans l’environnement puisqu’il peut changer l’efficacité de la pompe biologique du carbone, la population du phytoplancton et du coup affecter les chaînes trophiques. Les impacts anthropogéniques sur ce cycle sont nombreux comme les barrages et l’agriculture qui ont sur le cycle des effets négatifs sur le flux entre les différents réservoirs et le réchauffement climatique qui a lui un impact inverse sur ce flux. Et de fait, lorsque l’on regarde les archives géologiques comme le dernier maximum glaciaire, on remarque à quel point le cycle du silicium peut jouer un important rôle sur l’environnement. Lors du dernier maximum glaciaire, un important apport en silice a permis à la population de diatomées dans le phytoplancton de représenter 74% du phytoplancton alors qu’il n’est que de 54% aujourd’hui.

Éric Laflèche

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1 commentaire

Classé dans Culture et société, Science

Une réponse à “Danger! Variations dans le cycle du silicium

  1. jf létourneau

    «comme le réchauffement climatique augmente la quantité de gaz carbonique dans l’atmosphère»
    c’est plutôt l’inverse…

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