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Le réservoir principal d’azote sur Terre est l’atmosphère (Figure 3.1.1.1) où le di-azote (N2) constitue 80 % de l’air.

La forme N2 est particulièrement stable et les trois liaisons qui lient les deux atomes d’azote forment un lin puissant qui impose une très grande quantité d’énergie pour être brisé. Aussi, très peu d’organismes sont capables d’utiliser directement l’azote atmosphérique. Certains micro-organismes (associés aux légumineuses) ont cette faculté et ils sont la source de l’azote dans le monde vivant. L’azote est un élément capital pour le monde vivant puisqu’il entre dans la composition des acides aminés, base de nombreuses protéines. Il est utilisé par les organismes principalement sous la forme d’ammoniac (NH4+) (Figure 3.1.1.2 ).

Lorsqu’il est restitué au milieu, les conditions oxydantes de l’atmosphère et du sol conduisent rapidement à la transformation de l’ammoniac en nitrites puis en nitrates (NO3-) [il s’agit du processus de nitrification]. Sous cette forme, l’azote est très soluble et il peut être transporté dans les rivières et les eaux souterraines. Dans certains milieux (zones humides, marais, fond d’étangs mal oxygénés, microsites dans les sols…), en l’absence d’oxygène, les nitrates peuvent être respirés par les bactéries qui vont l’utiliser pour dégrader les molécules organiques et en retirer l’énergie dont elles ont besoin. Les nitrates sont alors convertis en azote moléculaire qui s’échappe vers l’atmosphère [il s’agit du processus de dénitrification].
En découvrant les procédés de création d’engrais à partir de l’azote atmosphérique, l’activité humaine a perturbé le cycle de l’azote. Elle a introduit un mécanisme supplémentaire qui introduit un transfert d’azote de l’atmosphère vers des produits minéraux. Ces produits sont utilisés par les plantes pour leur croissance et, souvent, ils sont ensuite assimilés par le bétail dans les modèles d’agriculture productiviste des pays développés. Une part de l’azote apporté sur les terres (soit sous forme d’engrais, soit sous forme des déjections des animaux d’élevage) n’est pas utilisée par les plantes pour lesquelles il est disposé et reste présent sous forme organique dans les sols. L’azote, sous sa forme nitrate pénètre alors dans le cycle de l‘eau et va être emporté par les rivières ou l’eau qui s’infiltre vers les réservoirs souterrains. Dans les régions de production agricole, les apports ont conduit à une pollution chronique du milieu (Figure 3.1.1.3). En France, la région Bretagne, modèle d’agriculture productiviste est aujourd’hui sous le coup de plusieurs condamnations par les instances européennes pour le non respect des directives nitrates.

Le carbone est présent sur Terre sous plusieurs formes. Le réservoir majeur terrestre est la forme minérale dans les formations géologiques (calcaires : CaCO3). Du fait de la lenteur des processus lithosphériques, ce carbone est globalement immobile à l’échelle humaine, même si cela n’a pas toujours été le cas à l’échelle de l’histoire de la Terre. Dans l’océan, le carbone est dissous sous la forme de molécules hydratées dont les proportions sont fonction du pH du milieu (H2CO3, la forme dissoute du di-oxyde de carbone caractéristique des pH acides, HCO3- la forme principale aux pH proches de la neutralité, et CO32-, la forme des pH très élevés. Le réservoir suivant est constitué par la matière organique présente soit dans les océans, soit à la surface du globe (les organismes vivants et la matière organique des sols). Le plus petit réservoir est le carbone atmosphérique sous la forme CO2, le carbone à l’origine d’une part de l’effet de serre atmosphérique.
Au sein du cycle, on représente les échanges entre les différents réservoirs, à l’échelle d’une année par exemple. Dans ce cas, on considère que le cycle est globalement équilibré (Figure 3.1.1.4), ce qui peut ne pas être nécessairement vrai lors de phases de déséquilibre (variation climatique ou biologique de grand échelle). Une grande part de ces échanges est liée à l’activité biologique qui capte une grande part du carbone atmosphérique via la photosynthèse et le relâche via la dégradation de la matière organique. Les échanges liés à la sédimentation au fond des océans ou à l’altération des continents ne constituent que des flux très faibles.

Comme pour l’azote, l’homme introduit une perturbation importante du cycle du carbone via la combustion des formes de carbone fossile (pétrole, charbons) et via la déforestation (Figure 3.1.1.4). Cette activité introduit de nouveaux termes d’échanges. Une partie du carbone propagé dans l’atmosphère est capté par l’océan dans le cadre de la grande circulation océanique profonde, un vaste et lent courant qui s’initie aux pôles où l’eau froide est chargée de CO2 dissous, puis circule au fond des océans. Une autre partie semble être fixée par l’augmentation de la biosphère, elle-même liée aux activités humaines par l’accroissement des terres cultivées et de leur rentabilité.

Les différents cycles ne sont pas indépendants les uns des autres (Figure 3.1.1.6). Certains éléments jouant un rôle limitant dans la croissance des organismes, ils vont contrôler certaines parties d’un autre cycle. Par exemple, le phosphore peut limiter la croissance d’organismes, et donc l’utilisation des autres nutriments par ces mêmes organismes. D’autres réactions sont directement liées comme celles du carbone et de l’oxygène ou des nitrates dans les couplages de réactions avec la matière organique. Le monde vivant fonctionne ainsi dans un ensemble complexe de réactions qui interagissent les unes avec les autres. Cet ensemble complexe procure au monde vivant une grande plasticité et une forte capacité à réagir aux variations de son environnement. Par analogie avec les systèmes organiques, on parle d’homéostasie des écosystèmes. A l’échelle globale, ce concept à conduit James Lovelock à proposer la théorie Gaïa qui généralise le principe à l’écosystème planétaire, l’homme y étant inclus.