Giáo trình Môi trường sinh thái (Nghề: Bảo vệ thực vật - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng cộng đồng Đồng Tháp

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Môi trường sinh thái phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Chu trình sinh địa hóa trong sinh thái môi trường; Đa dạng sinh học và tuyệt chủng; Môi trường sinh thái toàn cầu, thách thức và hiểm họa. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình.

97

CHƯƠNG 4 CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA TRONG SINH THÁI MÔI

TRƯỜNG

MH 30-04 Giới thiệu:

Trong sinh quyển luôn xảy ra sự chuyển hóa vật chất và năng lượng, đó là

cơ sở cho sự tồn tại và phát triển Chu trình vận động của các chất vô cơ ở đây khác hẳn sự chuyển hóa năng lượng qua các bậc dinh dưỡng ở chỗ: Vật chất được tái

sử dụng trong hệ sinh thái, còn năng lượng thì không được tái sử dụng, mà nó bị mất

đi dưới dạng nhiệt Chu trình sinh địa hóa là một trong những cơ chế cơ bản để duy trì sự cân bằng trong sinh quyển và đảm bảo cho sự cân bằng này được thường xuyên

Mục tiêu:

- Kiến thức: Trình bày được định nghĩa và giúp sinh viên hiểu được chu trình vận động của các chất xảy ra giữa các sinh vật và môi trường bên trong phạm vi của một hệ sinh thái

- Kĩ năng: Vận dụng được kiến thức đã học để giải thích được vòng tuần hoàn của vật chất trong tự nhiên

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành được thói quen chăm sóc cây trồng, bảo

vệ môi trường và yêu thiên nhiên

1 Định nghĩa:

Chu trình sinh địa hóa (chu trình vật chất) trong hệ sinh thái là sự trao đổi liên tục của các nguyên tố hóa học giữa môi trường và quần xã sinh vật Nhờ hoạt động quang hợp, cây xanh hấp thu C02, muối khoáng và nước để tổng hợp cacbonhydrat và các chất dinh dưỡng khác Những hợp chất này được cây xanh sử dụng làm thức ăn, cuối cùng lại được sinh vật phân giải, trả lại cho môi trường những chất ban đầu

Chu trình sinh địa hóa là chu trình trao đổi các chất trong tự nhiên, theo đường

từ môi trường ngoài truyền vào cơ thể sinh vật, qua các bậc dinh dưỡng, rồi từ cơ thể sinh vật truyền trở lại môi trường Hay đó còn là chu trình vận động của các chất vô cơ trong hệ sinh thái theo đường từ ngoại cảnh chuyển vào cơ thể sinh vật, rồi từ cơ thể sinh vật chuyển trở lại ngoại cảnh Chu trình sinh địa hóa duy trì sự cân bằng vật chất trong sinh quyển

Trong số hơn 100 nguyên tố hóa học có trong tự nhiên, cơ thể sinh vật cần rất nhiều các nguyên tố Trong đó có những nguyên tố cần thiết cho cơ thể với số lượng lớn và gọi là nguyên tố ña lượng, như: C, H, O, N, S, P, …

Còn một số nguyên tố khác, cơ thể đòi hỏi một lượng nhỏ và gọi là các nguyên

tố vi lượng, như Bo, Mo, Cu, Zn,… Ngoài ra còn có các chất độc do con người tạo

ra, như thuốc trừ sâu, trừ cỏ, …gây độc và ô nhiễm môi trường hoặc còn nhiều

+ Chu trình các chất khí: các chất tham gia vào chu trình này có nguồn dự trữ trong khí quyển hay thủy quyển, sau khi đi qua quần xã sinh vật, ít bị thất thoát, phần lớn được hoàn lại cho chu trình Chu trình các chất khí là chu trình của những nguyên tố như cacbon, ni tơ, nước Ở dạng khí, chúng chiếm ưu thế trong chu trình, mặt khác, từ cơ thể sinh vật chúng trở lại môi trường tương đối nhanh

+ Chu trình các chất lắng đọng (trầm tích): các chất tham gia vào chu trình này

có nguồn dự trữ từ vỏ trái đất và sau khi ñi qua quần xã, phần lớn chúng tách khỏi chu trình, đi vào các chất lắng ñọng, gây thất thoát nhiều hơn

Chu trình các chất lắng đọng là chu trình của những nguyên tố photpho, lưu huỳnh Những chất này trong quá trình vận chuyển có đọng lại một phần nhỏ ở một khâu nào đó của hệ sinh thái Chúng có nguồn dự trữ nằm trong vỏ Trái đất, điển hình là chu trình lân (photpho) Tuy bị lắng đọng, nhưng chúng lại có thể vận chuyển được dưới tác động của những hiện tượng xảy ra trong tự nhiên (do sự xói mòn, rửa trôi) hay của con người (khai khoáng, đào mỏ, đãi hóa chất…)

Một số chu trình sinh địa hóa của những nguyên tố chính, gồm: Chu trình nước; Chu trình cacbon; Chu trình nitơ; Chu trình photpho

2 Một số chu trình sinh địa hóa:

2.1 Chu trình carbon:

Cacbon là một trong những nguyên tố quan trọng tham gia vào cấu trúc của cơ thể, chiếm đến 49% trọng lượng khô Cacbon tồn tại trong sinh quyển dưới các dạng chất vô cơ, hữu cơ và trong cơ thể sinh vật

Cacbon tham gia vào chu trình ở dạng khí cacbon dioxit (CO2) có trong khí quyển Trong khí quyển hàm lượng CO2 rất thấp, chỉ khoảng 0,03%, nhưng các dạng

dự trữ cacbon rất phong phú và đa dạng (đó là than đá, dầu mỏ, khí đốt, CaCO3) Có thể mô tả quá trình tham gia của cacbon dưới dạng CO2 vào và ra khỏi hệ sinh thái như sau: (đối với môi trường trên cạn)

Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và chuyển hoá thành những chất hữu cơ (đường, lipit, protein ) trong sinh vật sản xuất (thực vật), các hợp chất này là thức ăn cho sinh vật tiêu thụ các cấp (C1, C2, C3, ), cuối cùng xác bả thực vât, sản phẩm bài tiết của sinh vật tiêu thụ và xác của chúng được sinh vật phân huỷ (nấm,

vi khuẩn) qua quá trình phân huỷ và khoáng hoá, tạo thành các dạng C bán phân giải, các hợp chất trung gian và C trong chất hữu cơ không đạm và cuối cùng thành CO2 (và

H2O), CO2 lại đi vào khí quyển rồi lại được thực vật sử dụng Qua đây, chúng ta nhận thấy rằng ở trong môi trường, C là chất vô cơ nhưng khi được quần xã sinh vật sử

99

dụng thì đã được biến đổi thành C hữu cơ (tham gia cấu tạo nên các chất hữu cơ khác nhau của cơ thể sinh vật) Trong quá trình vận động, cacbon ở nhóm sinh vật sản xuất, các chất hữu cơ tổng hợp được, chỉ một phần được sử dụng làm thức ăn cho sinh vật

tiêu thụ còn phần lớn tích tụ ở dạng sinh khối thực vật (như rừng, thảm mục rừng )

Bảng 4.1: Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn) (Bolin et al, 1979)

Khí quyển

Nước đại dương

Trong trầm tích

692 35.000

> 10.000.000 3.432 (đang sống 592 và chết

Cơ thể sinh vật

Nhiên liệu hoá thạch

+ Tổng cacbon hữu cơ

+ Tổng cacbon vô cơ

2840) 5.000 8.432 10.035.692

Trong quá trình hoạt động sống, các thành phần của quần xã sinh vật sẽ trã lại cacbon dưới dạng CO2 cho khí quyển thông qua quá trình hô hấp, sự cháy rừng và thảm mục rừng cũng trả lại cacbon cho khí quyển

Ở môi trường nước, C ở dạng hoà tan như cacbonat (CO32-) và bicacbonat (HCO3-) là nguồn dinh dưỡng C cho các sinh vật thuỷ sinh C ở môi trường nước sẽ chu chuyển qua chuổi thức ăn trong thuỷ vực, bắt đầu từ thực vật thuỷ sinh đến động vật thuỷ sinh cở nhỏ (giáp xác) rồi đến động vật thuỷ sinh cở lớn (cá, tôm, cua ) Nhờ hoạt động nghề cá, 1 lượng lớn C sẽ được trã lại cho khí quyễn, bên cạnh đó trong chuỗi thức ăn tự nhiên, các loài chim (ăn cá, tôm ) cũng phần nào đóng góp vào việc giải phóng C vào khí quyển Trong chu trình C ở môi trường nước, C bị lắng đọng do xác động vật thuỷ sinh có Ca chết tạo nên CaCO3 (đá vôi) làm chu trình bị gián đoạn Các trầm tích này khi được con người khai thác thì C trở về chu trình

Trong khí quyển, cacbon luân chuyển nhanh hơn, khoảng 0,1 năm đối với Cacbon monooxyt (CO), 3,6 năm đối với Metan (CH4) và 4 năm đối với Cacbon dioxyt (CO2) Tuy vậy trong chu trình C, vẫn có những giai đoạn C bị giữ lại một thời gian rất dài (người ta gọi đó là các chu trình phụ không kín)

Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tự như các chu trình khí khác, được sinh vật sản xuất hấp thụ và đồng hoá rồi được chu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêu thụ, cuối cùng bị sinh vật phân huỷ trả lại nitơ phân tử cho môi trường Tuy nhiên quá trình này diễn ra phức tạp hơn nhiều, tuy vậy chu trình nitơ là chu trình xảy ra nhanh và liên tục Do tính chất phức tạp của chu trình bao gồm nhiều công đoạn theo từng bước: sự

cố định đạm, sự amôn hoá, nitit hoá, nitrat hoá và phản nitrat

+ Sự cố định đạm (Nitrogen fixation)

Cố định đạm trước hết đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử nitơ để tách nó thành 2 nguyên tử (2N), trong cố định nitơ sinh học thì đó là bước đòi hỏi năng lượng là 160 Cal/mol Khi kết hợp nitơ với hydro tạo thành amoniac (NH3) Tất cả các sinh vật cố định nitơ đều cần năng lượng từ bên ngoài, mà các hợp chất cacbon đóng vai trò đó để thực hiện những phản ứng nội nhiệt (Endothermic) Trong quá trình cố định đạm, vai trò điều hoà chính là 2 loại enzym: nitrogenase và hydrogenase; chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp

Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằng con đường hoá - lý và sinh học, trong

đó con đường sinh học có ý nghĩa nhất và cung cấp 1 khối lượng lớn đạm dễ tiêu cho

101

môi trường đất Sự cố định đạm bằng điện hoá và quang hoá trung bình hàng năm tạo

ra 7,6 triệu tấn (4-10kg/ha/năm), còn bằng con đường sinh học khoảng 54 triệu tấn

Những sinh vật có khả năng cố định đạm là vi khuẩn và tảo Chúng gồm 2 nhóm chính: Nhóm sống cộng sinh (phần lớn là vi khuẩn, một số ít tảo và nấm) và nhóm sống tự do (chủ yếu là vi khuẩn và tảo)

Ngoài những vi khuẩn cố định đạm cần năng lượng lấy từ nguồn cacbon bên ngoài, còn có loài vi khuẩn tía (Rhodopseudomonas capsulata) có thể sinh sống bằng nitơ phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng được sử dụng như một nguồn năng lượng (Madigan và nnk, 1979)

Những vi khuẩn có khả năng cố định nitơ gồm các loài của chi Rhizobium sống cộng sinh với các cây họ Đậu để tạo nên các nốt sần ở rễ, cố định được một lượng lớn nitơ Ví dụ, cỏ 3 lá (Trifolium sp.) và đậu chàm (Medicago sp.) cố định được 150 - 400kg/ha/năm Đến nay, người ta đã biết được xạ khuẩn sống cộng sinh trong rễ của

160 loài cây thuộc 8 chi của 8 họ thực vật khác nhau Ngoài các loài của chi Alnus, các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus, Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo (Torrey, 1978) và chúng sống tập trung ở vùng ôn đới

Trong môi trường nước, vi sinh vật cố định nitơ khá phong phú Ở đây thường gặp những loài vi khuẩn kỵ khí thuộc các chi Clostridium, Methano, Bacterium, Methanococcus, Desulfovibrio và một số vi sinh vật quang hợp khác Ở những nơi thoáng khí thường gặp các đại diện của Azotobacteriaceae (như Azotobacter) và các loài tảo lam (vi khuẩn lam Cyanobacteria) thuộc các chi Anabaena, Aphanozinemon, Nostoc,

Microcystis, Nodularia, Gloeocapsa Để hoạt hoá nitơ, những sinh vật tự dưỡng sử dụng năng lượng của quá trình quang hoá hoặc hoá tổng hợp, còn các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường

Quá trình amon hoá (Ammoniafication) hay khoáng hoá (Mineralization) Sau khi gắn kết hợp chất nitơ vô cơ (NO3-) thành dạng hữu cơ (thường là nhóm amin-

NH2) thông qua sự tổng hợp protein và acid nucleic thì phần lớn chúng lại quay trở về chu trình như các chất thải của quá trình trao đổi chất (urê, acid uric ) hoặc chất sống (protoplasma) trong cơ thể chết Rất nhiều vi khuẩn dị dưỡng, Actinomycetes và nấm trong đất, trong nước lại sử dụng các hợp chất hữu cơ giàu đạm, cuối cùng chúng thải

ra môi trường các dạng nitơ vô cơ (NO2-, NO3- và NH3) Quá trình đó được gọi là amôn hoá hay khoáng hoá Quá trình này là các phản ứng giải phóng năng lượng hay phản ứng ngoại nhiệt

Quá trình nitrat hoá (Nitrification)

Quá trình biến đổi của NH3, NH4+ thành NO2-, NO3- được gọi là quá trình nitrit hoá và nitrat hoá hay gọi chung là quá trình nitrat hoá Quá trình này phụ thuộc vào

102

pH của môi trường và xảy ra chậm chạp, Trong điều kiện pH thấp, tuy không phải tất

cả, quá trình nitrat trải qua hai bước:

Bước đầu: Biến đổi amôn hay amoniac thành nitrit

2NH4+ + 3O2 Oxi hoá 2NO2 + 4H+ + Năng lượng

Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat

2NO2 +O2 Oxi hoá 2NO3 + Năng lượng

Bảng 4.2: Nitơ trong sinh quyển (triệu tấn) (Delwich, 1970)

+ Khí quyển:

Chất hữu cơ Trong cơ thể Không sống Nitơ vô cơ của đất Trong vỏ trái đất + Hoà tan trong đại dương:

Dạng hữu cơ:

Trong cơ thể Không sống Nitơ vô cơ (trong nước) Trong trầm tích

901

1

900

100 Tổng nitơ hữu cơ:

Tổng nitơ vô cơ:

4.000.000 21.820.240

Hình 4.2 Chu trình Ni-tơ (I Deshmukh, 1986 )

103

Những đại diện của chủng vi sinh vật Nitrosomonas có thể biến đổi amoniac thành nitrit, một chất độc thậm chí với hàm lượng rất nhỏ Những vi sinh vật khác như Nitrobacter lại dinh dưỡng bằng nitrit, tiếp tục biến đổi nó thành nitrat Những vi sinh vật nitrit hoá đều là những sinh vật tự dưỡng hoá tổng hợp, lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá Chẳng hạn, Nitrosomonas khi chuyển hóa amoniac thành NO2- sinh ra năng lượng 65 Cal/mol, còn Nitrobacter tạo ra năng lượng 17 Cal/mol Chúng sử dụng một phần năng lượng này để kiếm nguồn cacbon từ việc khử CO2 hay HCO3- Như vậy, khi thực hiện điều này để tự tăng trưởng, chúng đã sản sinh ra một lượng đáng kể nitrit hoặc nitrat cho môi trường

Nitrat (cũng như nitrit) dễ dàng lọc khỏi đất, đặc biệt trong đất chua Nếu không được thực vật đồng hoá, chúng có thể thoát ra khỏi hệ sinh thái này để đến hệ sinh thái khác qua sự chu chuyển của nước ngầm

Quá trình phản nitrat hoá (Denitrification)

Do quá trình phản nitrat đến nitơ phân tử chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí hay

kỵ khí một phần, nên quá trình này thường gặp trong đất yếm khí và trong đáy sâu của các hồ, các biển không có oxy hoặc giàu các chất hữu cơ đang bị phân huỷ

Nhờ chu trình này mà nitơ phân bố dưới nhiều dạng và nhiều khu vực khác nhau trên

trái đất

2.3 Chu trình nước:

Nước trên hành tinh tồn tại dưới 3 dạng: rắn, lỏng và hơi với thể tích khoảng 1,39 tỷ km3 Chúng chuyển dạng cho nhau nhờ sự thay đổi của nhiệt độ trên bề mặt trái đất Trong điều kiện hiện tại, nước chủ yếu chứa trong các biển và đại dương (chiếm 97,6% tổng số) dưới dạng lỏng, khoảng 2,08% nước nằm ở thể rắn (băng), tập trung chính ở 2 cực Trái Đất Nước sông, hồ rất ít, chỉ khoảng 230 nghìn km3 (gồm cả

hồ nước mặn), một ít (khoảng 67000 km3) tạo nên độ ẩm của đất, khoảng 4 triệu km3 nước ngầm có khả năng trao đổi tích cực và 14000 km3 dưới dạng hơi nước có mặt trong khí quyển Chu trình nước có thể được mô tả như sau:

Nhờ năng lượng Mặt trời, nước ở bề mặt đất, đại dương bốc hơi Khi lên cao, nhiệt độ tầng đối lưu giảm, nước tạo thành mây và ngưng tụ thành mưa, thành tuyết rơi xuống bề mặt trái đất, rồi lại theo các dòng chảy về đại dương Do vậy, nước tuần hoàn trên toàn Trái Đất

Từ chu trình nay chúng ta thấy rằng chỉ có năng lượng bức xạ khổng lồ của Mặt Trời mới làm nên những kỳ tích như vậy Nước theo chu trình, song phân bố không đồng đều trên hành tinh (theo không gian và thời gian) Chu trình nước xãy ra trên phạm vi toàn cầu, tham gia vào việc điều hoà khí hậu trên toàn hành tinh Chu trình này do đó còn có tên gọi là chu trình nhiệt - ẩm

Phân bố ( đv:Mt )

Hình 4.4: Chu trình oxy

105

Quá trình tạo ra oxy:

Oxy được sinh ra từ nguồn quan trọng nhất là quá trình quang hợp của cây xanh,chúng sản xuất ra 4,67.1011 tấn/năm

Trong tự nhiên, oxy còn được tạo ra nhờ phản ứng: O3 + hv → O + O2

nCO2 + nH2O + hv → (CH2O)n + nO2

Tổng oxy tạo ra nhờ phản ứng quang hóa và các phản ứng khác chỉ là 2,28.106 tấn/năm

Quá trình tiêu hủy oxy

Oxy tạo ra 1364 khoáng vật, tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau

Oxy tham gia vào các phản ứng đốt, oxy hóa các chất hữu cơ , vô cơ, hô hấp của động vật và một số quá trình ăn mòn khác

2CO + O2 → 2CO2 (Oxy hóa các khí nguồn gốc núi lửa)

C + O2 → CO2 (đốt nhiên liệu)

CH4 + 2O2 → CO2 + H2O

[CH2O] + O2 → CO2 + H2O (hô hấp của động vật)

3O2 + 4 Fe → 2Fe2 O3 (xảy ra trong lòng đất)

4 FeO + O2 → 2Fe2O3 (phong hóa, oxy hóa các khoáng vật khử)

Ca2+ + CO32- → CaCO3(xảy ra trong trầm tích đại dương) Ngoài ra:

Trên tầng khí quyển cao oxy tồn tại ở các dạng phân tử, nguyên tử, ion, các nguyên tử và phân tử được hoạt hóa như O2, O, O+, O2+, O2-, O3

O2 + hv (240 – 260nm) → O + O

O3 + hv(308nm) → O2 + Oo

O + hv → O+ + e

O2 + hv → O+ + e

2.5 Chu trình lưu huỳnh (S):

Lưu huỳnh, một nguyên tố giàu thứ 14 trong vỏ Trái Đất, là thành phần rất quan trọng trong cấu trúc sinh học như các axit amin, cystein, metionin và chu trình của nó đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa các muối dinh dưỡng khác như oxy, phốt pho Trung tâm của chu trình lưu huỳnh có liên quan với sự thu hồi sunphat (SO2-) của sinh vật sản xuất qua rễ của chúng và sự giải phóng và biến đổi của lưu huỳnh ở nhiều công đoạn khác nhau, cũng như những biến đổi dạng của nó, bao gồm sunphua hydryl (-SH), sunphua hydro (H2S), thiosunphat (SO2-) và lưu huỳnh nguyên

tố Tương tự như chu trình nitơ, chu trình lưu huỳnh rất phức tạp, song lại khác với chu trình ni tơ ở chỗ nó không lắng đọng vào những bước "đóng gói" riêng biệt như sự

cố định đạm, amon hóa

106

+ Sự đồng hóa và giải phóng lưu huỳnh bởi thực vật

Lưu huỳnh đi vào xích dinh dưỡng của thực vật trên cạn qua sự hấp thụ của rễ dưới dạng sunphat (CaSO4, Na2SO4) hoặc sự đồng hóa trực tiếp các axit amin được giải phóng do sự phân hủy của xác chết hay các chất bài tiết

Trong điều kiện yếm khí, axit sunphuric (H2SO4) có thể trực tiếp bị khử cho sunphit, bao gồm hydrosunphit do các vi khuẩn Escherichia và Proteus

(SO42+ + 2H+ = H2S + 2O2)

Sunphat cũng bị khử trong điều kiện kỵ khí để cho lưu huỳnh nguyên tố hay sunphit, bao gồm hydrosunphit, do các vi khuẩn dị dưỡng như Desulfovibrio, Escherichia và Aerobacter Những vi khuẩn khử sunphat yếm khí là những loài dị dưỡng, sử dụng sunphat như chất nhận hydro trong oxy hóa trao đổi chất, tương tự như vi khuẩn phản nitrat sử dụng nitrit hay nitrat

Sự có mặt số lượng lớn của hydro sunphit ở tầng sâu kỵ khí trong phần lớn các

hệ sinh thái ở nước là thù địch của hầu hết sự sống Chẳng hạn, ở biển Đen do giàu sunphat, vi khuẩn Desulfovibrio trong quá trình phân hủy đã sinh ra một khối lượng lớn H2S tồn tại rất lâu ở đáy, cản trở không cho bất kỳ một loài động vật nào có thể sống ở đây, kể cả trong tầng nước dưới độ sâu 200m

Sự tồn tại của các loài vi khuẩn khử sunphat như Methanococcus thermolithotrophicus và Methanobacterium thermautotrophium ở nhiệt độ rất cao (70 -

1000C) Có thể giải thích được quá trình hình thành H2S trong các vùng đáy biển sâu (Hydrothermal), các giếng dầu (Stetter và nnk., 1987) Ở trạng thái cân bằng thì chất độc của loài này đe dọa loài khác, hoạt động của loài này chống lại hoạt động của loài kia, hoặc hỗ trợ cho nhau Những vi khuẩn lưu huỳnh là một bằng chứng Vi khuẩn lưu huỳnh không màu như các loài của Beggiatoa oxy hóa hydrosunphit đến lưu huỳnh nguyên tố, các đại diện của Thiobacillus, loài thì oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố đến sunphat, loài thì oxy hóa sunphit đến lưu huỳnh Ngay đối với một số loài trong một giống, quá trình oxy hóa chỉ có thể xuất hiện khi có mặt oxy, còn đối với loài khác khả năng kiếm oxy cho sự oxy hóa lại không thích hợp vì chúng là vi khuẩn tự dưỡng hóa tổng hợp, sử dụng năng lượng được giải phóng trong quá trình oxy hóa để khai thác cacbon bằng một phản ứng khử cacbon dioxit

6CO2 + 12 H2S → C6H12O6 + 6 H2O + 12S

Các vi khuẩn màu xanh rõ ràng có thể oxy hóa sunphit chỉ đến lưu huỳnh nguyên tố, trong khi đó, vi khuẩn màu đỏ có thể thực hiện oxy hóa đến giai đoạn sunphat:

6CO2 + 12H2O + 3H2S → C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42- + 6H+

Lưu huỳnh trong khí quyển

Lưu huỳnh trong khí quyển được cung cấp từ nhiều nguồn: sự phân hủy hay đốt cháy các chất hữu cơ, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sự khuếch tán từ bề mặt đại

107

dương hay hoạt động của núi lửa Những dạng thường gặp trong khí quyển là SO2

cùng với những dạng khác như lưu huỳnh nguyên tố, hydro sunphit Chúng bị oxy hóa

để cho lưu huỳnh trioxit (SO3) mà chất này kết hợp với nước tạo thành axit sunphuric (H2SO4)

Lưu huỳnh trong khí quyển phần lớn ở dạng H2SO4 và được hoà tan trong mưa Lưu huỳnh trong trầm tích

Về phương diện lắng đọng, chu trình lưu huỳnh có liên quan tới các “trận mưa" lưu huỳnh khi xuất hiện các cation sắt và canxi (calcium) cũng như sắt sunphua không hòa tan (FeS, Fe2S3, FeS2 hoặc dạng kém hòa tan (CaSO4), sắt sunphua (FeS) được tạo thành trong điều kiện kỵ khí có ý nghĩa sinh thái đáng kể Nó không tan trong nước có

pH trung tính hay nước có pH kiềm

Hình 4.5: Chu trình lưu huỳnh trong tự nhiên

Chu trình lưu huỳnh trong sinh quyển diễn ra cả ở 3 môi trường: đất, nước và không khí, trong cả điều kiện yếm khí và kỵ khí Chìa khóa của quá trình vận động là

sự tham gia của các vi khuẩn đặc trưng cho từng công đoạn:

Sự chuyển hóa của hydro sunphit (H2S) sang lưu huỳnh nguyên tố, rồi từ đó sang sunphat (SO42-) do hoạt động của vi khuẩn lưu huỳnh không màu hoặc màu xanh hay màu đỏ

Chu trình lưu huỳnh trên phạm vi toàn cầu được điều chỉnh bởi các mối tương tác giữa

nước - khí - trầm tích và của các quá trình địa chất - khí hậu - sinh học

2.6 Chu trình photpho (Phosphor - P):

Như một thành phần cấu trúc của axit nucleic, lipitphotpho và nhiều hợp chất

có liên quan với phốt pho, phốt pho là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng bậc nhất trong hệ thống sinh học Tỷ lệ phốt pho so với các chất khác trong cơ thể thường lớn hơn tỷ lệ như thế bên ngoài mà cơ thể có thể kiếm được và ở nguồn của chúng Do vậy, photpho trở thành yếu tố sinh thái vừa mang tính giới hạn, vừa mang tính điều chỉnh

Thực vật đòi hỏi photpho vô cơ cho dinh dưỡng Đó là orthophotphat (PO43-) Trong chu trình khoáng điển hình, photphat sẽ được chuyển cho sinh vật sử dụng và sau lại được giải phóng do quá trình phân huỷ Tuy nhiên, đối với photpho trên con đường vận chuyển của mình bị lắng đọng rất lớn D.R Lean (1973) nhận ra rằng, sự

“bài tiết” phốt pho hữu cơ của thực vật phù du cũng dẫn đến sự tạo thành các chất keo ngoài tế bào mà chúng xem như các phần tử vô định hình chứa phốt pho trong nước

hồ Ở biển, sự phân huỷ sinh học diễn ra rất chậm, khó để phốt pho sớm trở lại tuần hoàn Tham gia vào sự tái tạo này chủ yếu là nguyên sinh động vật (Protozoa) và động vật đa bào (Metazoa) có kích thước nhỏ

Sự mất phốt pho gây ra bởi 2 quá trình diễn ra khác nhau Sự hấp thụ vật lý của trầm tích và đất có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra hàm lượng photpho hoà tan trong đất và các hồ Ngược lại, sự lắng đọng, thường kết hợp photpho với nhiều cation khác như nhôm, canxi, sắt, mangan do đó, tạo nên kết tủa lắng xuống

Sự lắng chìm của phốt pho còn gắn với các hợp chất của lưu huỳnh như FeS, Fe2S3 trong chu trình lưu huỳnh và cả với quá trình phản nitrat

Xương, răng động vật chìm xuống đáy sâu đại dương cũng mang đi một lượng phốt pho đáng kể Song sự tạo thành guano (chất thải của chim biển) hàng nghìn năm dọc bờ tây của Nam Mỹ (Chi lê, Peru) lại là mỏ phân photphat cực lớn Trên đảo Hoàng Sa,

Trường Sa, phân chim trộn với đá vôi san hô trong điều kiện “dầm” mưa nhiệt đới cũng đã hình thành mỏ phân lân quan trọng như thế

109

Hình 4.6 Chu trình Phospho

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4

Câu 1 Chu trình sinh địa hóa là gì? Phân loại?

Câu 2 Phân tích chu trình các bon, chu trình nước, chu trình nitơ, chu trình oxi, chu trình phót pho, chu trình lưu huỳnh? Các con đường hoàn lại vật chất vào chu trình?

110

CHƯƠNG 5 ĐA DẠNG SINH HỌC VÀ TUYỆT CHỦNG

MH 30-05 Giứi thiệu:

Đa dạng sinh học nghiên cứu sự đa dạng và biến đổi của sự sống trên Trái Đất

Đa dạng sinh học thường là phép đo biến dị mức độ di truyền, cá thể loài và hệ sinh thái Đa dạng sinh học trên cạn thường diễn ra nhiều hơn ở gần đường xích đạo – đây

là hệ quả của khí hậu ấm và sản lượng sơ cấp cao Đa dạng sinh học không được phân

bố đều trên khắp Trái Đất và diễn ra với mật độ lớn hơn ở các vùng nhiệt đới Những

hệ sinh thái rừng nhiệt đới này chiếm ít hơn 10% bề mặt Trái Đất và là nơi 90% các loài sinh sống trên thế giới Sinh học biển thường có tần suất cao hơn dọc theo các bờ biển ở phía Tây Thái Bình Dương, nơi nhiệt độ mặt biển đạt mức cao nhất và nằm ở dải vĩ độ trung bình trên tất cả các đại dương Thường có những gradient vĩ độ trong

đa dạng loài Đa dạng sinh nói chung có xu hướng tập hợp tại những điểm nóng và có

dấu hiệu gia tăng theo thời gian, nhưng có khả năng sẽ diễn ra chậm trong tương lai

Mục tiêu:

- Kiến thức: Hiểu được đa dạng sinh học và tuyệt chủng từ đó cung cấp thêm hiện trạng đa dạng sinh học hiện nay, nguyên nhân làm suy giảm đa dạng sinh học và giải pháp bảo vệ

- Kĩ năng: Vận dụng được kiến thức đã học để giải thích được các hiện tượng trong tự nhiên

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành được thói quen chăm sóc cây trồng, bảo

vệ môi trường và yêu thiên nhiên

1 Khái niệm về đa dạng sinh học và tuyệt chủng:

Theo công ước đa dạng sinh học (1992), khái niệm: “Đa dạng sinh học” (biodiversity, biological diversity) là sự phong phú về mọi cơ thể sống có từ tất cả các nguồn trong hệ sinh thái trên cạn, ở biển, các HST nước khác và toàn bộ những tổ hợp sinh thái mà chúng tạo nên Đa dạng sinh học bao gồm sự đa dạng trong loài (đa dạng gen- đa dạng di truyền), đa dạng giữa các loài và đa dạng hệ sinh thái

Đa dạng gen hay đa dạng di truyền là toàn bộ thông tin di truyền chứa đựng trong sinh vật (động vật, thực vật, vi sinh vật) Sự đa dạng gen thể hiện ở mặt số lượng, hình thái và cấu trúc

Đa dạng loài là sự phong phú của loài và các phân loài trên trái đất, một vùng lãnh thổ, một quốc gia hay một sinh cảnh nhất định

Đa dạng hệ sinh thái là sự đa dạng các sinh cảnh, các quần xã và các quá trình sinh thái

Sự tuyệt chủng của một loài sinh vật là khi không còn một cá thể nào của loài

đó còn sống sót tại bất kì nơi nào trên trái đất.Ví dụ như loài khủng long bị tuyệt chủng cách đây 65 triệu năm

111

2 Sự đa dạng trong sinh quyển:

Hiện nay, tổng số các loài sinh vật trong sinh quyển vào khoảng 5 đến 30 triệu loài, nhưng con người chỉ mới ghi nhận khoảng gần 2 triệu loài, bao gồm virus, vi sinh vật, thực vật, động vật Nhiều nhóm phân loại lớn còn biết rất ít như vi sinh vật, côn trùng Ngay ở lớp thú, trong thế kỷ 20 cũng chỉ bổ sung thêm một số loài

3 Tầm quan trọng của đa dạng sinh học và bảo vệ đa dạng sinh học:

Ða dạng di truyền thể hiện về đa dạng kiểu gen (genotip) nằm trong mỗi loài

- Ða dạng về loài thể hiện bằng các loài khác nhau sinh sống trong một vùng nhất định

- Ða dạng sinh thái thể hiện bằng sự khác nhau giữa các kiểu quần xã tạo nên

do các cơ thể sống và mối liên hệ giữa chúng với nhau và với các điều kiện sống ,

đó là các hệ sinh thái và các nơi ở

Khi xét sự đa dạng sinh học phải xét tất cả từ virut, vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật, động vật Nhưng thực vật là nền tảng vì nó là sinh vật sơ cấp đầu tiên (sinh vật sản xuất)

4 Giá trị của đa dạng sinh học:

Ða dạng sinh học có rất nhiều giá trị trong đời sống tự nhiên và của con người Theo J.McNeely và cs (1991):

+ Các hệ sinh thái của Trái Ðất là cơ sở sinh tồn của sự sống trên Trái Ðất, trong đó có loài người, chúng đảm bảo sự chu chuyển oxy và các nguyên tố cơ bản khác trên hành tinh Chúng duy trì tính ổn định và độ màu mỡ của đất ở hầu hết các vùng trên thế giới

+ Các hệ tự nhiên có giá trị thực tiễn cao : hạn chế sự xói mòn đất và bờ biển (ví dụ như rừng ở sườn dốc, rừng ngập mặn, các rặng san hô)

+ Duy trì và cung cấp nguồn gen cho cây trồng, vật nuôi mới cho tương lai + Nhiều loài động vật, thực vật, được con người sử dụng làm thức ăn cho người, cho gia súc, làm thuốc, lấy gỗ để đốt lấy năng lượng, làm cảnh (ví dụ)

+ Trong quá trình tiến hóa, sinh vật đã tồn tại và phát triển hài hòa, tạo nên thiên nhiên phong phú, hấp dẫn làm nguồn cảm hứng cho văn học nghệ thuật Về mặt đạo lý nếu làm giảm sự đa dạng sinh học tức là chúng ta đã vô tình loại trừ nhiều dạng sống mà chúng có quyền được tồn tại

5 Sự phong phú về loài sinh vật:

5.1 Sự đa dạng sinh học - Thực vật:

Với tính chất của vùng nhiệt đới ẩm gió mùa, thực vật Việt Nam rất phong phú,

đa dạng Do có sự khác biệt lớn về khí hậu giữa các vùng đã tạo nên một dải rộng các thảm thực vật với nhiều kiểu rừng phong phú : rừng thông chiếm ưu thế ở vùng ôn đới

và cận nhiệt đới, rừng hỗn hợp loại lá kim và lá rộng, rừng khô cây họ dầu ở các tỉnh

112

vùng cao, rừng họ dầu địa hình thấp, rừng ngập mặn với cây đước chiếm ưu thế ở ven biển của đồng bằng sông Cửu Long, sông Hồng, rừng tràm ở Nam Bô,ü rừng tre nứa ở nhiều nơi (ví dụ)

Rừng Việt Nam và các hệ sinh thái thủy vực được xếp thứ 16 trên thế giới về đa dạng sinh học : 12.000 loài thực vật có mạch, 800 loài rêu, cây làm thuốc hơn 1000 loài, cây lấy dầu, lấy nhựa,

Hệ thực vật Việt Nam có số loài đặc hữu cao Trong số đó có 40( loài đặc hữu phân

bố hẹp, chúng không còn thấy ở các nơi khác trên thế giới, chúng tập trung ở 4 khu vực chính:

- Vùng núi cao Hoàng Liên Sơn

- Vùng núi cao nguyên Lâm Viên - Lâm Ðồng

- Vùng núi cao Ngọc Linh - Kontum

- Khu vực rừng ẩm phía Bắc Trung Bộ

Do đặc điểm cấu trúc, các kiểu rừng nhiệt đới ẩm thường không có loài ưu thế

rõ rệt, số lượng cá thể của từng loài thường hạn chế và trở nên quý hiếm, bị đe dọa khi

có sự khai thác không hợp lý

5.2 Sự đa dạng sinh học - Ðộng vật:

Bước đầu xác đinh được khoảng 11.050 loài động vật với 277 loài thú, 800 loài chim, 180 loài bò sát, 80 loài lưỡng thê, 2470 loài cá và khoảng 7000 loài côn trùng cùng các loại động vật không xương sống khác

Có 10 (số loài thú, chim và cá của thế giới tập trung ở Việt Nam, Việt Nam được xem là nơi còn sót lại một số loài có nguy cơ tuyệt chủng ở Châu Á (voi Châu Á,

tê giác một sừng, hươu sao, các loài linh trưởng, Voọc ngũ sắc, cò quắm xanh ) Việt Nam có mức độ động vật đặc hữu cao hơn một số nước láng giềng trong khu vực Ðông Dương Ðặc biệt năm 1993, 1994 Việt Nam đã phát hiện cho khoa học thế giới loài Sao la, Mang lớn (Vũ Quang - Hà Tĩnh)

 Sự phong phú của biển

+ Tổng số loài cá biển được ghi nhận là 2038 loài của 717 giống và 198 bộ

+ Trên 300 loài san hô đã được tìm thấy ở Việt Nam Ngoài ra còn có khoảng

2500 loài nhuyễn thể, 1500 loài Crustacea, 700 loài Polychaete, 350 loài Echinoderm,

150 loài Porifera

+ 653 loài tảo biển được xác định

 Sự đa dạng sinh học trên các vùng sinh thái đất khác nhau

 Ða dạng sinh học trên đất ngập nước

Ða dạng sinh học trên đất ngập mặn

113

Chế độ thủy triều, nhiệt độ, thành phần cơ giới của đất, độ mặn của đất là các yếu tố sinh thái của vùng đất ngập mặn Trong đó, độ sâu tầng đất, độ cứng rắn, cấu tượng của đất bùn lầy ở bãi bồi, độ mặn, chu kỳ ngập nước mặn đã ảnh hưởng đến thành phần sinh vật, nhất là đối với thực vật rừng Sác

Quần xã sinh vật sống trong rừng Sác không phong phú và đa dạng như rừng

ẩm nhiệt đới trong nội địa Về thực vật, rừng Sác có hơn 70 loài thực vật có mặt Ðộng vật có 258 loài cá, 169 loài thân mềm, 68 loài cua, có khoảng 386 loài chim (chủ yếu ở vùng châu thổ sông Cửu Long) Ngoài ra còn có khỉ, lợn rừng, cá sấu, rái cá, kỳ

đà gấm

Hệ thực vật và động vật phong phú đã tạo nên sự ÐDSH giàu có, đây chính là nguồn tài nguyên sinh học tự nhiên của sinh thái rừng ngập mặn Việc nuôi ong trong rừng ngập mặn như một biện pháp tích cực nhất làm tăng giá trị của hệ sinh thái rừng Sác, làm tăng năng suất của rừng

Lượng phù sa và chất dinh dưỡng phong phú của vùng rừng ngập mặn là nguồn thức ăn quan trọng cho các loại tảo phù du, và chính các loại tảo này lại là nguồn thức

ăn cho tôm cá và tôm cá lại thu hút lượng lớn chim nước đến sinh sống Cành lá cây rừng rụng xuống được các VSV phân hủy tạo nguồn thức ăn phong phú Như vậy có thể nói tính đa dạng sinh học của rừng sác được quyết định bởi khu hệ tảo và VSV

Với một điều kiện đặc biệt, đất rừng Sác có tính ÐDSH khá cao và khá đặc trưng, biểu hiện ở số lượng loài cao và tồn tại nhiều dạng sống khác nhau: trên cạn, dưới nước, trong lòng đất, dưới đáy, trên không

 Ða dạng sinh học trên đất rừng tràm:

Ðất rừng tràm gồm đất sét, bùn, hoặc cát, có tính chua phèn, có chế độ nước ngập định kì trong năm, nước lợ hay ngọt hoàn toàn Rừng tràm có nhiều ìloại khác nhau : rừng tràm giữa các triền cát, rừng tràm vùng trũng nội địa, bụi rậm tràm gió, rừng tràm trên đất than bùn, rừng tràm trên đất sét, tất cả các kiểu rừng này đều là rừng thóai hóa từ rừng nguyên thủy, chúng thường thuần là tràm với một số ít loài cây khác mọc lẻ tẻ như chà là, dứa gai, gừa, năng, đưng Ngoài ra còn có dồ cây, một kiểu rừng tiêu biểu cho vết tích nguyên thủy của rừng hỗn hợp ngập nước của rừng U Minh

+ Về thực vật: rừng tràm VN thuộc khu hệ thực vật vùng nước ngập định kỳ của Châu Á - Thái Bình Dương với các loài cây tiêu biểu : tràm, chà là, mốp, tràm sẻ, trâm khế, sộp, mây nước, nắp bình, bòng bòng, choại, bồn bồn Bên cạnh, rừng tràm còn có sự hiện diện của các loại tảo và VSV khá phong phú và đặc sắc nhưng chưa được nghiên cứu đầy đủ (U Minh hạ có nhóm tảo lam, tảo lục, khuê tảo)

+ Về động vật: rừng tràm ở các trũng lớn nội địa như Ðồng Tháp Mười, Tứ Giác Long Xuyên, U Minh là nơi sinh sống của nhiều loài động vật: phù du -> tôm cá -> cá ăn thịt (cá lóc, cá lóc bông, cá trê, cá dày ) -> rái cá, cá sấu, rắn Sự phong phú về tôm cá đã kéo theo một số loài chim đến sinh sống như: cò, diệc, vạc, cồng cộc

114

Ðặc biệt, sếu đầu đỏ cổ trụi, chúng là một loài đặc hữu của vùng Ðông Nam Á Côn trùng trong rừng tràm cũng khá phong phú với 45 loài, trong đó loài ong chiếm vị trí ưu thế

Rừng tràm là nơi tập trung của nhiều loài thực vật và động vật rất đặc sắc của Ðồng Bằng Sông Cửu Long mà không thể tìm thấy được ở những nơi khác trong cả nước

6 Đa dạng sinh học tại Việt Nam: hiện trạng và bảo vệ:

6.1 Hiện trạng đa dạng sinh học:

6.1.1 Hiện trạng các hệ sinh thái (HST) ở Việt Nam:

a) Các hệ sinh thái quan trọng:

HST ở Việt Nam rất đa dạng, trong đó có 3 nhóm chính: HST trên cạn, HST đất ngập nước và HST biển

– HST trên cạn: Trên phần lãnh thổ vùng lục địa ở Việt Nam, có thể phân biệt các kiểu HST trên cạn đặc trưng như: rừng, đồng cỏ, savan, đất khô hạn, đô thị, nông nghiệp, núi đá vôi Trong các kiểu HST ở cạn, thì HST rừng có tính đa dạng về thành phần loài cao nhất, đồng thời đây cũng là nơi cư trú của nhiều loài động vật, thực vật hoang dã có giá trị kinh tế và khoa học Tổng diện tích hệ sinh rừng khoảng 32 triệu ha

và tập trung nhiều ở các vùng Đông Bắc, Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên Mục tiêu trong thời gian tới là sẽ tăng độ che phủ rừng lên 42 – 43% vào năm 2015 và 44 – 45% vào năm 2020, góp phần đáp ứng các yêu cầu về môi trường cho quá trình phát triển bền vững của đất nước

Theo báo cáo tổng kết Dự án “Trồng mới 5 triệu ha rừng” và kế hoạch bảo vệ

và phát triển rừng giai đoạn 2001 – 2010 của Chính phủ (báo cáo số 1328/CP – ngày

09 tháng 8 năm 2011), năm 2005, tổng trữ lượng gỗ cả nước là 811,6 triệu m3 (chiếm 6,5% tổng trữ lượng gỗ) Đến năm 2010, tổng trữ lượng gỗ của cả nước là 935,3 triệu m3, trong đó, gỗ rừng tự nhiên chiếm 92,8% và 8,5 tỷ cây tre nứa, trữ lượng gỗ rừng trồng là 74,8 triệu m3 (chiếm 7,9% tổng trữ lượng gỗ) So với năm 2006, trữ lượng gỗ của cả nước tăng được 123,7 triệu m3 (chiếm 15,24%) Tuy nhiên, chất lượng rừng của một số trạng thái rừng giàu, trung bình, rừng ngập mặn thuộc rừng tự nhiên tiếp tục giảm Theo thống kê của Cục Kiểm lâm và Viện Điều tra Quy hoạch Rừng thì độ che phủ của rừng năm 2010 đã đạt 39,5%

– HST đất ngập nước (ĐNN): ĐNN Việt Nam rất đa dạng về kiểu loại với hơn

10 triệu ha, phân bố ở hầu hết các vùng sinh thái của nước ta, gắn bó lâu đời với cộng đồng dân cư và có vai trò to lớn đối với đời sống nhân dân và phát triển kinh tế – xã hội

ĐNN được chia thành 2 nhóm chính là ĐNN ven biển và ĐNN nội địa ĐNN ven biển Việt Nam đa dạng về kiểu, gồm 20 kiểu (Hệ thống phân loại ĐNN Việt Nam, Cục Bảo vệ Môi trường, 2007) với tổng diện tích khoảng 1,9 triệu ha (Theo bản đồ ĐNN ven biển Việt Nam tỷ lệ 1:100.000, Trung tâm Viễn thám – Bộ TN&MT, 2007)