Perturbation d'un écosystème : eutrophisation et effets en chaîne

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Un écosystème peut être perturbé

Un écosystème associe un milieu de vie, le biotope (eau, lumière, température, sels minéraux), et l'ensemble des êtres vivants qui l'habitent, la biocénose. Ces êtres vivants sont reliés par des relations alimentaires qui forment un réseau trophique. Les producteurs primaires (plantes, algues, phytoplancton) fabriquent de la matière organique par photosynthèse, à partir de matière minérale (eau, dioxyde de carbone, sels minéraux). La lumière leur apporte l'énergie nécessaire, mais elle n'est pas de la matière. Les consommateurs fabriquent leur propre matière à partir de la matière organique d'autres êtres vivants. Les décomposeurs (bactéries, champignons) transforment la matière organique morte en matière minérale et, pour la plupart, consomment du dioxygène.

Qu'est-ce que l'eutrophisation ?

Les nutriments sont des sels minéraux, surtout des nitrates et des phosphates, dont les producteurs ont besoin pour se développer. Dans un plan d'eau peu perturbé, ils sont rares et limitent la croissance du phytoplancton. L'eutrophisation est l'enrichissement excessif d'un milieu aquatique en nutriments, qui provoque une prolifération de végétaux et dégrade l'ensemble de l'écosystème. Ce phénomène existe naturellement, mais très lentement. Il est fortement accéléré par les activités humaines : engrais agricoles entraînés par ruissellement, eaux usées mal traitées, lessives contenant des phosphates, effluents d'élevage.

Les effets en chaîne

1. Un apport excessif de nitrates et de phosphates enrichit l'eau.
2. Les algues microscopiques se multiplient en surface : l'eau devient verte et trouble (la transparence diminue).
3. La lumière ne parvient plus en profondeur : les plantes immergées ne font plus assez de photosynthèse et meurent.
4. Les algues vivent peu de temps. Leurs cadavres, très nombreux, coulent au fond.
5. Les décomposeurs se multiplient et consomment beaucoup de dioxygène pour dégrader cette matière organique : c'est l'hypoxie, un manque de dioxygène dissous.
6. Les animaux sensibles (certains poissons, crustacés, larves d'insectes) fuient ou meurent. La biodiversité diminue et le réseau trophique se simplifie.

Exemple analysé

Données pédagogiques simplifiées. Un lac de loisirs est suivi pendant dix ans. Au début, la transparence est de 4,0 m, la chlorophylle (pigment des algues, indicateur indirect de leur quantité) de 3 µg/L et le dioxygène près du fond de 9 mg/L. Dix ans plus tard, on mesure 0,8 m, 45 µg/L et 2 mg/L. La transparence a été divisée par 5 (4,0 ÷ 0,8) et la chlorophylle multipliée par 15 (45 ÷ 3). Ces deux changements vont dans le sens d'une prolifération d'algues. La chute du dioxygène au fond, de 9 à 2 mg/L, soit une baisse de 7 mg/L, s'explique par la décomposition de la matière organique morte. On peut donc proposer une chaîne cohérente. En revanche, ces mesures sur un seul lac ne prouvent pas que la même évolution se produirait dans tous les plans d'eau, et elles ne désignent pas à elles seules l'origine précise des nutriments.

Un piège à éviter

Beaucoup pensent qu'une eau verte, pleine d'algues, est forcément riche en dioxygène, puisque les algues en produisent. C'est vrai en surface et en plein jour, quand la photosynthèse est intense. Mais la nuit, sans lumière, les algues respirent et consomment du dioxygène comme les autres êtres vivants. Surtout, à la mort des algues, la décomposition en consomme de grandes quantités au fond. Un plan d'eau très vert peut donc manquer gravement de dioxygène, en particulier tôt le matin et en profondeur. De même, les algues ne « tuent » pas directement les poissons : c'est le manque de dioxygène qui résulte de la chaîne d'événements qui est en cause.

À retenir

• Un excès de nutriments perturbe tout un écosystème par des effets en chaîne.
• Le manque de dioxygène vient surtout de la décomposition de la matière organique morte.
• Pour limiter l'eutrophisation, on agit sur les apports : fertilisation raisonnée, bandes enherbées le long des cours d'eau, meilleur traitement des eaux usées.
• Une corrélation observée entre deux mesures ne prouve pas à elle seule une relation de cause à effet.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème : mortalité de poissons à l'étang de Valmont

Au début du mois d'août, l'association de pêche de l'étang de Valmont, un plan d'eau de 4 hectares entouré de champs de maïs, découvre un matin des poissons morts sur la rive. Certains adhérents craignent un empoisonnement volontaire. Le gestionnaire du site soupçonne plutôt un phénomène d'eutrophisation. Vous disposez des mesures relevées par le gestionnaire et du compte rendu d'observation de l'association. Votre mission : déterminer si ces données permettent d'expliquer la mortalité par une chaîne d'événements liée aux nutriments, et préciser ce que l'on ne peut pas conclure.

Document 1 : suivi de l'étang de Valmont

Données pédagogiques simplifiées. Mesures réalisées au centre de l'étang. La transparence est la profondeur à laquelle un disque blanc reste visible. Le dioxygène est mesuré à 3 m de profondeur. Un seuil de 4 mg/L est retenu ici comme limite en dessous de laquelle de nombreux poissons souffrent.

Document 2 : compte rendu d'observation de l'association (8 août)

À 7 h, l'eau est vert foncé, avec de l'écume verdâtre près de la rive et une odeur de vase. Une douzaine de gardons, petits poissons de la rive, flottent ventre en l'air. Des carpes restent à la surface et semblent gober l'air. Les herbiers de plantes immergées, visibles jusqu'à 2 m de profondeur en mars, ont disparu. Un fossé draine les eaux des champs de maïs voisins vers l'étang. Le gestionnaire a mesuré le dioxygène à la surface : 5 mg/L à 6 h le matin du 8 août, et 14 mg/L à 15 h la veille. Aucun produit toxique n'a été repéré, mais aucune analyse chimique complète n'a été faite.

Exercice 1 : Observer et exploiter le tableau

1. Décris l'évolution du phosphore total et de la chlorophylle entre mars et août.
2. Calcule combien de fois le phosphore total d'août est plus grand que celui de mars. Fais de même pour la chlorophylle (arrondis à l'unité).
3. Calcule la baisse de transparence entre mars et août, en mètres puis en pourcentage de la valeur de mars (arrondis à l'unité).
4. Explique le lien entre la quantité d'algues et la transparence de l'eau.

Exercice 2 : Calculer et proposer un protocole

1. Calcule la baisse du dioxygène à 3 m entre mars et août, en mg/L puis en pourcentage de la valeur de mars (arrondis à l'unité).
2. Indique à quelles dates le dioxygène à 3 m passe sous le seuil de 4 mg/L.
3. Calcule l'écart de dioxygène en surface entre 15 h et 6 h. Propose deux explications à cette baisse nocturne.
4. Le gestionnaire pense que le fossé apporte des nutriments. Propose un protocole de mesure simple et sans danger pour tester cette hypothèse, en précisant ce qu'on compare, à quelles dates et pourquoi il faut répéter les mesures.

Exercice 3 : Argumenter en confrontant les documents

1. Classe dans l'ordre les étapes suivantes pour reconstituer la chaîne d'événements : mort des algues ; hypoxie au fond ; apport de phosphore ; mort de poissons ; prolifération d'algues ; multiplication des décomposeurs.
2. Pour chaque étape, indique si elle est directement documentée par une mesure ou une observation des documents, ou si elle est seulement inférée à partir du cours. Cite l'indice quand il existe et justifie l'inférence sinon.
3. Un adhérent affirme : « L'eau est verte, donc elle est riche en dioxygène et l'étang est en bonne santé. » Réfute cette affirmation en utilisant les deux documents.
4. Les données prouvent-elles que l'eutrophisation est la seule cause de la mortalité ? Justifie, puis propose deux actions pour limiter le problème à long terme.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Le phosphore total augmente régulièrement de mars (20 µg/L) à août (110 µg/L). La chlorophylle augmente aussi, de 4 à 85 µg/L : les algues deviennent beaucoup plus abondantes. Les deux valeurs sont maximales en août.
2. Phosphore : 110 ÷ 20 = 5,5, donc environ 6 fois plus (arrondi à l'unité). Chlorophylle : 85 ÷ 4 = 21,25, donc environ 21 fois plus. La chlorophylle augmente bien plus que le phosphore.
3. Baisse : 3,0 − 0,4 = 2,6 m. En pourcentage : 2,6 ÷ 3,0 ≈ 0,87, soit environ 87 %.
4. Les algues microscopiques en suspension absorbent et diffusent la lumière. Plus elles sont nombreuses, plus l'eau est trouble et moins le disque est visible : transparence et chlorophylle varient en sens inverse dans le tableau.

Critères de réussite : valeurs et unités correctes, calculs posés, lien explicite entre algues et lumière.

Exercice 2 : correction

1. Baisse : 10,5 − 1,2 = 9,3 mg/L. En pourcentage : 9,3 ÷ 10,5 ≈ 0,886, soit environ 89 %.
2. Le dioxygène est sous 4 mg/L en juillet (3,0 mg/L) et en août (1,2 mg/L). Il remonte à 6,5 mg/L en octobre.
3. Écart : 14 − 5 = 9 mg/L. Explications possibles : la nuit, sans lumière, il n'y a plus de photosynthèse alors que les algues, les poissons et les décomposeurs continuent de respirer ; et la décomposition des algues mortes consomme du dioxygène en permanence.
4. Protocole possible : mesurer le phosphore (avec un kit de mesure pour l'eau, sans danger) dans le fossé en amont des champs, dans le fossé à son arrivée dans l'étang, et dans l'étang loin du fossé. Faire les prélèvements aux mêmes heures, avant et après une pluie, et sur plusieurs semaines. Répéter permet d'éviter de conclure à partir d'une mesure isolée ou d'un hasard. Si le phosphore est nettement plus élevé en aval des champs qu'en amont, l'hypothèse est soutenue, sans être définitivement prouvée.

Critères de réussite : pourcentages arrondis correctement, deux explications distinctes pour la baisse nocturne, protocole comparatif avec lieux, dates et répétitions.

Exercice 3 : correction

1. Ordre : apport de phosphore ; prolifération d'algues ; mort des algues ; multiplication des décomposeurs ; hypoxie au fond ; mort de poissons.
2. Étapes directement documentées : (a) hausse du phosphore dans l'étang, de 20 à 110 µg/L (Document 1), avec un fossé qui draine les champs de maïs (Document 2). Le fossé est une source plausible, mais les apports qu'il amène n'ont pas été mesurés. (b) Prolifération d'algues : la chlorophylle passe de 4 à 85 µg/L, la transparence de 3,0 à 0,4 m, et l'eau est vert foncé avec de l'écume verdâtre. (c) Manque de dioxygène : 1,2 mg/L à 3 m en août, très sous le seuil de 4 mg/L (la mesure est faite à 3 m, la profondeur du fond n'est pas donnée). En surface, 5 mg/L à 6 h est bien plus bas que 14 mg/L l'après-midi, mais reste au-dessus du seuil. (d) Mort de poissons : des gardons flottent ventre en l'air et des carpes gobent l'air. Étapes inférées à partir du cours, non mesurées : (e) la mort des algues. L'écume, l'odeur de vase et la baisse de la chlorophylle en octobre (15 µg/L) sont compatibles avec elle, mais ne la prouvent pas. La disparition des herbiers concerne des plantes immergées, pas des algues : elle est cohérente avec le manque de lumière décrit dans le cours, sans mesure de leur mort. (f) La multiplication des décomposeurs n'est ni comptée ni observée. On l'infère du cours : une grande quantité de matière organique morte est décomposée en consommant du dioxygène, ce qui est cohérent avec la baisse du dioxygène à 3 m. Les documents ne permettent donc pas de prouver chaque maillon de la chaîne, seulement de montrer qu'elle est cohérente.
3. L'eau verte contient beaucoup d'algues, mais le dioxygène à 3 m n'est que de 1,2 mg/L en août, très sous le seuil de 4 mg/L. En surface, il vaut 14 mg/L l'après-midi mais seulement 5 mg/L à 6 h. Les carpes qui gobent l'air montrent que l'eau manque de dioxygène. L'étang n'est donc pas en bonne santé.
4. Non. Les données sont cohérentes avec l'eutrophisation, mais elles reposent sur un seul étang, quelques dates et un constat unique de mortalité : c'est une corrélation, pas une preuve de cause unique. Une pollution toxique n'est pas totalement exclue puisqu'aucune analyse chimique complète n'a été faite. Actions possibles : installer des bandes enherbées entre les champs et le fossé, réduire et ajuster les apports d'engrais, améliorer le traitement des eaux usées.

Critères de réussite : chaîne ordonnée, avec distinction entre étapes documentées par les documents et étapes inférées à partir du cours, réfutation appuyée sur des valeurs, conclusion nuancée distinguant cohérence et preuve, deux actions portant sur les apports de nutriments.