Sans matière et sans matériaux, nous ne pourrions pas croître et nous reproduire. La matière biologique est une source de croissance pour la reproduction cellulaire, bien que nous puissions techniquement, à un moment donné, atteindre un stade où nous pouvons créer des protéines, des enzymes et tout ce dont nous avons besoin uniquement à partir d'éléments abiotiques et de la bonne source d'énergie ! Continue à lire pour en savoir plus sur le cycle de la matière, sa définition, et plus encore.
Définition du cycle des matières
Lesmatériaux sont ce dont sont faits les objets et les substances et sont constitués d'atomes (éléments) qui se combinent. Ce sont les minuscules éléments constitutifs de tout ce qui nous entoure. Lesprocessus naturels s'enchaînent souvent dans des séquences qui créent des cycles, les déchets d'un processus étant les matières premières d'autres processus .
Le cycle des matériaux est le processus par lequel les matériaux sont recyclés dans l'environnement.
Lescycles de matières font référence à la façon dont les matières se déplacent dans les écosystèmes.
Par exemple, l'eau (H2O) suit un cycle dans l'environnement, s'évaporant des océans et des rivières, se condensant en nuages, puis retombant sur la Terre sous forme de précipitations.
De même, le carbone (C) et l'azote (N) suivent un cycle à travers l'atmosphère, les plantes et les animaux.
Alors, tu l'as deviné... l'eau est une matière ! Il en va de même pour tout ce qui porte un nom, comme l'air.
Circuit fermé ou circuit ouvert
À l'heure actuelle, nos systèmes à grande échelle sont linéaires, en particulier le système économique. Il existe une certaine cyclicité dans plusieurs villages et communautés du monde entier, mais pour l'essentiel, la mondialisation et l'industrialisation fonctionnent selon des paramètres hautement insoutenables.
Lesmodèles économiques humains linéaires conduisent à l'épuisement des ressources et à la production de déchets .Nous visons actuellement à faire évoluer notre économie vers une économiecirculaire qui intègre mieux les concepts de réutilisation et de recyclage.
Une économie circulaire se concentre sur les systèmes en boucle fermée. Ces systèmes peuvent traiter les déchets, la chaleur et d'autres formes d'énergie, sans les laisser s ' échapper ou se dissiper dans l'atmosphère.
La dépendance à l'égard des ressources énergétiques non renouvelables , telles que les combustibles fossiles, ne peut être durable. Cependant, l'utilisation généralement inefficace des ressources, y compris des ressources renouvelables, peut accélérer les taux d'épuisement des matières premières ou essentielles.
L'utilisation humaine des ressources minérales implique souvent une dispersion après utilisation ou la production de mélanges à partir desquels la séparation est difficile.
Monomères et polymères
Comment appeler un tas d'atomes qui se rassemblent pour former des matériaux ? Pour cela, il y a les monomères et les polymères!
Lesmonomères sont le nom donné aux petites molécules individuelles qui peuvent être assemblées pour former des "structures monomères plus grandes", appelées polymères.
Lepolystyrène est un polymère synthétique (artificiel) fabriqué à partir de monomères destyrène (qui existent à l'état naturel).
Lors de la polymérisation, les monomères sont reliés entre eux par des liaisons chimiques pour créer de longues chaînes. Le type de monomère et le nombre de monomères dans une chaîne déterminent les propriétés du polymère obtenu. Les polymères peuvent être naturels (comme l'ADN, où les deux brins qui forment une double hélice sont des polymères) ou synthétiques, jouant un rôle essentiel dans tous les domaines, des emballages alimentaires aux matériaux de construction.
Lespolymères ne peuvent généralement être réintégrés dans l'environnement en toute sécurité que sous forme de monomères. Ils peuvent êtrerecyclés en monomères pour des applications industrielles par dépolymérisation. La dépolymérisation peut être réalisée par différents moyens, notamment les enzymes, les acides (produits chimiques) ou la chaleur, mais certains processus sont moins durables que d'autres.
Exemple de cycle des matériaux
Dans le cadre dela cyclicité naturelle, les humains ont tendance à prélever des matériaux dans les systèmes biologiques, à les utiliser , à séparer leurs constituants chimiques et à les restituer sous une forme différente à l'environnement. L'environnement peut également bloquer certains éléments, tels que les hydrocarbures (composés organiques), dans la lithosphère, rendant ainsi ces éléments largement inaccessibles aux formes de vie vivant à la surface.
Des millions de feuilles mortes tombent chaque saison dans les écosystèmes forestiers, et les arbres ont besoin de beaucoup de ressources pour faire repousser les feuilles lorsque la température et les précipitations le permettent. Ils ont besoin d'atomes et de molécules qui leur sont essentiels. Les arbres ré-extraient ces molécules vitales, comme le phosphore (P), de leurs feuilles avant qu'elles ne tombent chaque automne !
Chaque organisme a besoin d'atomes et de molécules spécifiques pour survivre. La décomposition, permise par la présence d'oxygène, de micro-organismes, de vers de terre, etc. assure le caractère cyclique des processus chimiques dans l'environnement.
Les combustibles fossiles et les ressources minérales sont de bons exemples de cyclicité matérielle complétée ou accélérée par l'homme.
Utilisation des combustibles fossiles
Les combustiblesfossiles sont formés par le lent processus de compression des matières animales et végétales mortes sur des millions d'années. Ces combustibles fossiles sont extraits par extraction minière et par forage parce qu'ils représentent une source à haute densité énergétique.
Les sources à forte densité énergétique comprennent des molécules simples, telles que l'hydrogène (H), et des composés tels que les hydrocarbures, comme le pétrole.
Les combustibles fossiles ont été essentiels au développement de la société humaine, mais ils ont également causé des dommages à l'environnement.
La combustion des combustibles fossiles libère dans l'atmosphère des émissions nocives, telles que des oxydes d'azote (N2O) et du dioxyde de carbone (CO2 ), lors de la combustion et pendant le traitement (par exemple, l'élimination des cendres du charbon), qui contribuent au changement climatique . En outre, l'exploitation et l'extraction des combustibles fossiles ont un impact négatif sur les cours d'eau et les sols lorsque desmétaux lourds tels que leplomb (Pb), le mercure (Hg) et le cadmium (Cd) sont libérés lors de la combustion du charbon.
En ce qui concerne l'élimination des déchets en toute sécurité, les cendres de charbon sont facilement transportées par voie aérienne et représentent le plus grand danger pour la santé humaine et l'environnement. Les déchets ou l'huile usagée (huile fossile dénaturée ou contaminée par d'autres substances) peuvent être difficiles à éliminer.
Les combustibles fossiles ne peuvent pas retourner à la terre après leur extraction.
Une centrale électrique (au charbon) qui fonctionne pendant 40 ans aux États-Unis laisse derrière elle 9,6 millions de tonnes de déchets toxiques.1
Utilisation des ressources minérales
Lesressources minérales désignent les composants tels que les sables et autres agrégats, les métaux (argent) et les minéraux (olivine) de la croûte terrestre. Les minéraux diffèrent les uns des autres d'un point de vue chimique car ils peuvent être d'origines différentes :
organique (biogénique): comme les constituants du calcaire utilisés dans l'industrie du ciment,
inorganique: comme la bauxite utilisée pour fabriquer l'acier et l'aluminium.
Lapyrite et les minéraux sulfurés sont des habitats pour les chimiolithotrophes acidophiles (un type de bactérie qui aime les environnements acides).
Certains micro-organismes sont utilisés pour extraire des minéraux, comme le fer (Fe). C'est ce qu'on appelle le biomining . Ils peuvent également être utilisés pour recycler les déchets: l'utilisation d'acides est généralement toxique pour l'environnement, le métabolisme des micro-organismes peut donc être utilisé à la place.
Comprendre la relation entre les micro-organismes et les minéraux permettra de développer des techniques et des technologies debioremédiationefficaces .
Labiorestauration utilise des organismes vivants pour assainir des environnements morts ou pollués.
Nous avons besoin d'environnements vivants parce qu'un environnement abiotique cycle les matériaux plus lentement qu'un environnement vivant. Cela est dû aux organismes vivants qui facilitent les cycles biogéochimiques sur Terre.
Les ressources minérales derebut peuvent provenir de :
Des consommateurs qui n'ont plus besoin de biens usagés, comme les vieilles voitures.
Les industries qui fabriquent ou mènent d'autres activités qui n'ont pas besoin des sous-produits, comme le cuivre (Cu).
Lesraisons pour lesquelles le recyclage peut être difficile comprennent les délais d'attente pour récupérer le produit afin d'en récupérer les matériaux (allant de quelques jours pour une canette en aluminium à plusieurs années pour les voitures ou les ordinateurs), ainsi que ladissipation, la contamination ou la perte de qualité (par exemple, les sels dissipés sur le sol fondent ou se mélangent à d'autres éléments), et les restrictions de prix (le recyclage peut être plus coûteux que l'extraction des matériaux de l'environnement naturel).
Cycles des matières dans l'écosystème
Toutes les matières premières dont nous disposons proviennent d'écosystèmes naturels. Autantl'homme a besoin de ces ressources pour sa technosphère, autant le monde naturel a besoin d'en recycler une partie.
La technosphère est un système composé de tout ce qui est technologique et de tout ce qui interagit avec lui - y compris les humains, nos satellites, l'Internet et les aéroports ou les carrières !2.
Lesmatières sont soumises à un cycle continu sur Terre dans un processus appelé cycle biogéochimique ou le cycle des nutriments.
Tous deux font référence à la circulation de la totalité des éléments entre la matière vivante et les composants abiotiques de leur environnement.
Lesmicro-organismes fournissent ou facilitent généralement le cycle de nombreux éléments, tels que l'oxygène (O2), le carbone (C), le phosphore (P) et l'azote (N).
Les méthodes par lesquelles les micro-organismes facilitent les cycles biogéochimiques sur Terre comprennent la nitrification, par laquelle les plantes convertissent l'ammoniac (NH3) en nitrates (NO3-), ou la respiration, qui est la libération d'énergie à partir du glucose ( ).
Lesdéchets et le cycle des matières dans les écosystèmes onttendance à ne pas être toxiques. Les dommages causés aux tissus par les métaux lourds toxiques tels que l'uranium (U) et l'arsenic (As) sont plus importants que les avantages qu'ils procurent, et les organismes vivants n'ont pas évolué pour les traiter directement. Lorsqu'il existe des matériaux potentiellement toxiques, ils ont tendance à être liés à d'autres minéraux, ce qui les rend plus stables, inertes et/ou peu susceptibles de fuir.
Comme nous faisons partie des mêmes processus qui ont façonné la vie pendant des millions d'années sur Terre, ce qui est toxique pour notre environnement l'est généralement aussi pour nous.
Notre capacité à imiter les systèmes naturels et à les intégrer dans notre technosphère est parfois appelée biomimétisme et d'autres fois innovation, enparticulier surtout lorsque nous créons quelque chose d'inédit dans la nature. Notre technologie nous permet de mieux éliminer les déchets et d'éviter l'accumulation de toxicité.
Les filtres UV, l'utilisation de palourdes pour nettoyer les fonds marins, les systèmes de filtration de l'eau minérale et la minéralisation accélérée des roches (transformation duCO2 en roche) sont autant d'exemples de technologies de "nettoyage" inspirées de la nature.
Certains organismes et écosystèmes dépendent entièrement des ressources "déchets" provenant d'ailleurs. Ce que nous considérons comme des déchets est pour eux un matériau précieux ou un sous-produit.
La nourriture qui atteint le fond des mers (appelée benthos) est parfois appelée "neige marine". La neige marine est principalement constituée de particules ou de poudres, de fins débris de "matières mortes et de déchets excrétés" (détritus).Les organismes vivant au fond des mers dépendent davantage des cycles biogéochimiques car ils ont tendance à se nourrir de sources secondaires ou tertiaires.
Cycles des matières Avantages pour l'écosystème
Le cycle industriel/consommation concerne principalement les activités humaines et peut être comparé au cycle naturel des matières de notre écosystème.
Le cycle industriel/consommateur fait référence à la façon dont les matériaux sont extraits de l'environnement (extraction minière, exploitation forestière, etc.), utilisés par l'industrie (fabrication, etc.), puis restitués à l'environnement (élimination des déchets).
Cependant, contrairement aux cycles actuels des matériaux industriels/consommateurs, les cycles des matériaux des écosystèmes naturels ont toujours tendance à présenter les avantages suivants :
Biodégradabilité: les constituants moléculaires des matériaux recyclés peuvent être utilisés par les organismes pour soutenir les processus de vie et être recyclés.
Non-toxicité: les monomères et les molécules individuelles sont capables de rester "non toxiques" dans notre atmosphère actuelle. Parfois, ils peuvent être expulsés sous des formes concentrées (venin, cheminées hydrothermales, etc.).
Symbiose: les bactéries, telles que les bactéries fixatrices d'azote, contribuent à faire entrer des matériaux inorganiques dans le monde organique en échange de la réception de sucres provenant des plantes.
Évolution: les matériaux existants peuvent naturellement évoluer ou se ramifier en de nouveaux matériaux et développer des caractéristiques uniques.
Lesscientifiques peuvent toujours utiliser des molécules et des matériaux existants dans la nature pour en développer de nouveaux: le kevlar est un matériau très résistant construit synthétiquement à partir de monomères de telle sorte qu'il peut bloquer les impacts balistiques, par exemple, des balles.
L'étude des cycles des matériaux nous aide à comprendre comment les matériaux se déplacent dans l'environnement et comment ils peuvent être réutilisés ou recyclés. Toutes les molécules peuvent se transformer en quelque chose d'autre. Le recyclage est une façon d'aider à fermer le cycle des matériaux en les réutilisant au lieu de les jeter. Cela permet de ne pas gaspiller des ressources précieuses et de contribuer à la protection de l'environnement.
Cycles des matériaux - Principaux enseignements
Les matériaux sont constitués d'atomes - les minuscules éléments qui entourent et composent tout ce qui nous entoure. Ils ont connu des cycles continus sur Terre grâce à des processus biotiques et abiotiques.
L'eau qui se condense des nuages sur le sol, les feuilles des arbres qui tombent et les vers de terre qui mangent les matières organiques mortes sont autant d'exemples de matériaux qui sont soumis à des cycles et recyclés.
Les modèles économiques linéaires, par opposition aux modèles circulaires, ne permettent pas la recirculation non polluante de la matière car ils n'investissent pas suffisamment de ressources dans la recherche et les installations de recyclage.
Il existe des matériaux synthétiques et naturels, mais l'homme peut principalement produire des polymères à partir des monomères naturels existants qu'il extrait des plantes, des sables bitumineux, etc.
La biodégradabilité, la symbiose et la non-toxicité devraient être intégrées à la technosphère.
Références
- gem.wiki, Métaux lourds et charbon, 2021.
- UNESCO, Le fardeau insupportable de la technosphère, 2019.
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