Hệ SINH THÁI Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu tố vô sinh, tạo thành mộ
Trang 1Cán Bộ Giảng Dạy: TS VÕ LÊ PHÚ
Bộ Môn Quản Lý Môi Trường – Khoa Môi Trường
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
volephu@hcmut.edu.vn
CHƯƠNG II CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
(Tuần 2, 12-13/3/2011)
Khoa học Môi Trường
Khoa học Môi trường (Environmental
Science) là môn khoa học nghiên cứu các
thành phaቹn của môi trường (nước, đaቷt, không khı́) và các tác động của con người đeቷn các thành phaቹn môi trường
Khoa học Quản lý Môi Trường
Khoa học quản lý Môi trường (Science of
Environmental Management): là khoa học nghiên
cứu veቹ các cách tieቷp cận hoặc cách thức quản lý môi
trường nhaኁm tránh các tác động tiêu cực do con
người gây ra Các cách thức/phương pháp quản lý
môi trường bao goቹm:
Các công cụ chính sách, pháp luật
Các công cụ kinh tế
Các công cụ khoa học & công nghệ
Các công cụ giáo dục
CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI
Khái niệm cơ bản: quần thể, quần xã, hệ sinh thái
Các thành phaቹn của hệ sinh thái
Chuoችi thức ăn/lưới thức ăn
Các thành phaቹn cơ bản của hệ sinh thái ooàn chı̉nh
Trang 2KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI
Các Khái niệm Cơ Bản:
Quần thể: là một nhóm cá thể của một loài,
sống trong một khoảng không gian xác định,
có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm,
chứ không phải cho từng cá thể của nhóm
(E.P Odum, 1971) Hoặc quần thể là một
nhóm cá thể của cùng một loài sống trong
cùng một khu vực (Alexi Sharov, 1996).
KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI
thể của nhiều loài khác nhau, loài có vai trò quyết định sự tiến hóa của quần xã là loài ưu thế sinh thái
Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật thuộc
các loài khác nhau cùng sinh sống trên một khu vực nhất định
Khu vực sinh sống của quần xã được gọi là sinh cảnh Như vậy, sinh cảnh là môi trường
vô sinh
Hệ SINH THÁI
Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác
nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương
hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu tố vô sinh,
tạo thành một hệ thống sinh thái-ecosystem, gọi tắt
là hệ sinh thái
Hệ sinh thái là hệ chức năng gồm có quần xã, các cơ
thể sống và môi trường của nó dưới tác động của
năng lượng mặt trời
Quần xã
sinh vật
Môi trường
xung quanh
Năng lượng mặt trời
Hệ Sinh Thái
Thành phần của hệ sinh thái
Hệ sinh thái hoàn chỉnh bao gồm các thành
phần chủ yếu sau:
Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng):
ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, dòng chảy …
Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố và hợp chất hóa học cần thiết cho tổng hợp chất sống
Các chất vô cơ có thể ở dạng khí (O2, CO2, N2), thể lỏng (nước), dạng chất khoáng (Ca, PO43-, Fe
…) tham gia vào chu trình tuần hoàn vật chất
Trang 3Thành phần của hệ sinh thái
Các chất hữu cơ (các chất mùn, acid amin,
protein, lipid, glucid): đây là các chất có đóng
vai trò làm cầu nối giữa thành phần vô sinh và
hữu sinh, chúng là sản phẩm của quá trình
trao đổi vật chất giữa 2 thành phần vô sinh và
hữu sinh của môi trường
Chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn (foodchain):
Chuỗi thức ăn được xem là một dãy bao gồm nhiều loại sinh vật, mỗi loài là một “mắt xích” thức ăn;
mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích thức ăn phía trước và nó lại bị mắt xích thức ăn phía sau tiêu thụ.
Một số chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn trên cạn (a terrestrial food
chain)
Một số chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn dưới nước (a marine food chain)
Trang 4Lưới thức ăn
Lưới thức ăn là các chuỗi thức ăn có nhiều mắt
xích chung tạo thành một lưới thức ăn
Ví dụ:
Sinh vật sản xuất (hay tự dưỡng)
Chủ yếu là thực vật xanh
Có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng nhờ quá trình quang hợp;
Năng lượng này tập trung vào các hợp chất hữu cơ-glucid, protid, lipid, tổng hợp
từ các chất khoáng (các chất vô cơ có trong môi trường).
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3)
Chủ yếu là động vật Tiêu thụ các hợp chất
hữu cơ phức tạp có sẵn trong môi trường
sống
Sinh vật tiêu thụ bậc 1: tiêu thụ trực tiếp các
sinh vật sản xuất Chủ yếu là động vật ăn thực
vật (cỏ, cây, hoa, trái …) Các động vật, thực vật
sống ký sinh trên cây xanh cũng thuộc loại
này
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3)
Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn các sinh vật tiêu thụ bậc 1 Gồm các động vật ăn thịt, ăn các động vật ăn thực vật
Sinh vật tiêu thụ bậc 3: thức ăn chủ yếu là các sinh vật tiêu thụ bậc 2 Đó là động vật ăn thịt,
ăn các động vật ăn thịt khác
Trang 5Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật phân hủy
Sinh vật phân hủy là những loại vi sinh vật
hoặc động vật nhỏ bé hoặc các sinh vật hoại
sinh có khả năng phân hủy các chất hữu cơ
thành vô cơ
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Ngoài ra còn có những nhóm sinh vật chuyển hóa chất vô cơ từ dạng này sang dạng khác (như nhóm vi khuẩn nitrat hóa chuyển NH4 thành NO3-) Nhờ quá trình phân hủy, sự khoáng hóa dần dần mà các chất hữu cơ được thực hiện và chuyển hóa chúng thành chất vô
cơ
SINH THÁI HỌC & HỆ SINH THÁI
Quần thể: là tập những cá thể cùng loài sống trong một sinh cảnh nhất định ở một thời điểm nhất định
Khi nghiên cứu về quần thể cần lưu ý:
Sức sinh sản;
Sức tử vong;
Mật độ quần thể;
Mức độ tăng trưởng
Tại sao một số loài cùng tồn tại trong một nơi?
Chúng phát triển hay suy giảm?
Trang 6Các nhân tố tác động đến quần thể
thông qua tái sinh gia tăng mật độ của quaቹn theቻ.
giảm mật độ quaቹn theቻ.
nhập cư vào quaቹn theቻ gia tăng mật độ quaቹn theቻ
(+).
Di cư: giảm soቷ lượng cá theቻ do di cư của các cá theቻ
ra khỏi quaቹn theቻ giảm mật độ quaቹn theቻ (-)
Thành phần cấu trúc của HST hoàn chỉnh
Các chất vô sinh
Các yếu tố vật lý/khí hậu: T 0, A/sáng, gió,…
Các chất vô cơ: C, P, N Các chất hữu cơ: glucid, protid, lipid, mùn,…
Sinh vật sản xuất: thực vật chuyeቻn quang năng hóa
năng năng lượng được dự trữ ở dạng đường (liên keቷt C-C).
Sinh vật tiêu thụ: động vật
Sinh vật tiêu thụ bậc 1 Sinh vật tiêu thụ bậc 2
Sinh vật phân hủy
22
Cấu trúc của hệ sinh thái
23
Đặc tính của hệ sinh thái
Luôn vận động
Có theቻ được phân nhóm
Có sự trao đoቻi năng lượng và vật chaቷt (chuoችi thức aቿn/lưới thức ăn) qua các HST
Xảy ra các chu trı̀nh sinh địa hóa
Các quaቹn xã hay các loài sinh vật thường bieቻu thị
chuyên biệt các tập tı́nh, nơi cư trú hay các vai trò
hoạt động
24
Trang 7Các dòng năng lượng trong HST
Chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn:
Là hệ thống chuyển hóa năng lượng dinh
dưỡng từ nguồn đi qua hàng lọat các sinh vật
bằng cách sinh vật này dùng sinh vật khác làm
thức ăn
Bậc dinh dưỡng: Là thứ tự các nhóm trong
chuỗi thức ăn
25
Các dòng năng lượng trong HST
Chuỗi thức ăn
26
27
Chuỗi thức ăn
Mạng lưới thức ăn (food web):
Các chuỗi thức ăn đan xen nhau
Cho hình ảnh hòan chỉnh về nhóm, sinh vật nào
ăn sinh vật nào
Có chức năng phân bố và chuyển hóa các dạng hữu cơ trong HST
Là cơ chế để duy trì sự cân bằng HST
28
Các dòng năng lượng trong HST
Trang 8Lưới thức ăn
Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuỗi thức ăn:
Tı̀m hieቻu veቹ cơ cheቷ lây lan ô nhiễm, độc chất và gây bệnh qua con đường thức ăn;
Cân bằng sinh thái và bảo vệ hệ sinh thái.
30
Các dòng năng lượng trong HST
Các dòng năng lượng trong HST
Năng lượng học sinh thái nghiên cứu về
dòng năng lượng bên trong một HST từ
lúc năng lượng đi vào hệ thống hiện hữu
cho đến lúc cuối cùng bị biến đổi thành
nhiệt và mất đi khỏi hệ thống
Nguồn năng lượng của HST: mặt trời
Thực vật quang hợp, tích lũy trong cơ thể
sinh vật dưới dạng hóa năng, chuyển thành
NL sinh học
31
Chuyển hóa năng lượng trong HST
32
Trang 9CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA
Tìm hiểu một số quy luật sinh thái thông qua
các chu trình biến đổi của các nguyên tố cơ
bản
Các nguyên tố tuần hòan trong sinh quyển
theo đường:
Từ MT vào cơ thể sinh vật
Từ sinh vật này sang sinh vật khác
Từ sinh vật trở lại môi trường
chu trình sinh địa hóa
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC
Tác động của con người đến chu trình nước:
Đô thị hóa
Công nghiệp hóa
Phá rừng
Gia tăng ô nhiễm
Trang 10CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC
Hậu quả của các tác động do con người :
Giảm lượng nước thấm xuống đất giảm lượng NNgầm
Tăng dòng chảy mặt
Gia tăng ô nhiễm nước
CHU TRÌNH CARBON
Carbon là thành phần thiết yếu cho sự sống.
Là thành phần hóa học chính trong các chất hữu cơ,
từ nhiên liệu hóa thạch cho đến những phân tử phức tạp (DNA và RNA).
CHU TRÌNH CARBON
Thực vật hấp thu
CO2trong khí quyển
CO3 (2-)hòa tan trong nước
Quang hợp tạo chất hữu cơ
Qua chuỗi thức ăn, carbon chuyển qua động vật,
người
VSV phân hủy xác ĐTV thành các dạng Carbon khác
nhau, cuối cùng là CO2
CHU TRÌNH CARBON
Các quá trình chính trong chu trình tuần hoàn cacbon gồm quá trình quang hợp, quá trình phân hủy các sản phẩm bài tiết Ngoài ra còn có quá trình hô hấp, quá trình khuếch tán khí CO2 trong khí quyển
Khí quyển là nguồn cung cấp carbon (chủ yếu
ở dạng CO2) chính trong chu trình tuần hoàn Carbon CO2đi vào hệ sinh thái nhờ quá trình quang hợp và trở lại khí quyển nhờ quá trình
hô hấp và quá trình đốt cháy
Trang 11CHU TRÌNH CARBON
Carbon có thể tồn tại thời gian dài ở các dạng vô cơ
như CO2(hòa tan và dạng khí); H2CO3(hòa tan);
HCO3- (hòa tan); CO32- (hòa tan, như CaCO3cacbonat
calcium) hoặc dạng hữu cơ như glucose; acid acetic,
than, dầu, khí.
CHU TRÌNH CARBON
Trang 12Các tác động của con người lên chu trình
Carbon
Một số tác động của con người làm tăng lượng khí
CO2trong không khí, nước:
Đốt cháy nhiên liệu (xăng, than), đốt cháy củi, gỗ làm
trái đất nóng lên, tăng nhiệt độ trên trái đất hiệu
ứng nhà kính nóng lên toàn caቹu BĐKH.
Việc tăng khí CO2và một số chất ô nhiễm khác (NOx,
SOx), gây mưa acid (pH <5,6), làm cá chết, thay đổi
pH đất, ảnh hưởng đến cây trồng.
Sự nóng lên toàn cầu có thể làm băng tan ở Nam cực,
tăng mực nước biển, thay đổi khí hậu, thay đổi sản
lượng ngũ cốc và lượng mưa.
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
Sự cần thiết của nitơ:
Là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào
Là hợp phần bắt buộc của amino acid, protein
Có trong thành phần men, màng tế bào, nucleoprotid truyền các thông tin di truyền
Các hợp chất Nitơ cung cấp năng lượng cho cơ thể
soቷng
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
3 con đường N đi vào MT sinh thái đất:
Phản ứng quang hóa, sấm chớp, mưa
Cây xanh quang hợp tạo protein, chuyển qua động vật,
con người Khi chết đi, trả lại cho MT đất (phân giải hữu
cơ tạo NH 3 )
Các vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần cây họ đậu, cố
định N khí trời thành N trong cơ thể thực vật
N từ đất vào khí quyển:
Khử nitrate hóa bằng enzyme,
Hoặc bằng hóa học
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
Trang 13CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
Chu trình tuần hoàn nitơ có vai trò quan trọng trong
việc chuyển nitơ trong không khí sang dạng mà thực vật và động vật có thể sử dụng được
N2chiếm khoảng 78% trong khí quyển và hầu như ở dạng khí Khí nitơ, chỉ phản ứng hóa học ở những điều kiện nhất định
Hầu hết các sinh vật đều không thể sử dụng nitơ trong không khí, chỉ sử dụng nitơ ở dưới dạng nitrat (NO3- ) hoặc nitrit (NO2- ) Nếu không có nitơ, thì protein và acid nucleic không thể được tổng hợp trong cơ thể động vật, thực vật cũng như con người.
CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG
CHU TRÌNH NITƠ
Cố định nitơ: Nitơ được các vi khuẩn cố định
nitơ, thường sống trên nốt sần rễ cây họ đậu,
chuyển nitơ ở dạng khí sang dạng NO3-
Ammon hóa: các vi khuẩn phân hủy sẽ phân
hủy các acid amin từ xác chết động vật và
thực vật để giải phóng NH4OH
CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG
CHU TRÌNH NITƠ
Nitrat hóa: các vi khuẩn hóa tổng hợp sẽ
oxid hóa NH4OH để tạo thành nitrat và nitrit, năng lượng được giải phóng sẽ giúp phản ứng giữa oxy và nitơ trong không khí để tạo thành nitrat
Khử nitrat hóa: các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ
các nitrat, giải phóng nitơ trở lại vào khí quyển
Trang 14Các tác động của con người lên chu
trình Nitơ
Sử dụng phân bón đạm để tăng năng suất cho
các vụ mùa, làm tăng tốc độ khử nitrit và làm
nitrat đi vào nước ngầm Lượng nitơ tăng
trong hệ thống nước ngầm cuối cùng cũng
chảy ra sông, suối, hồ, và cửa sông Tại đây, có
thể sinh ra hiện tượng phú dưỡng hóa.
Làm tăng sự lắng đọng nitơ không khí do cháy
rừng và đốt cháy nhiên liệu Cả 2 quá trı̀nh này
đeቹu giải phóng các dạng nitơ raቿn ở trạng thái
khı́, bụi
Các tác động của con người lên chu
trình Nitơ
Chăn nuôi gia súc: thải vào môi trường một
lượng lớn khı́ ammoniac (NH3) qua chất thải của chúng NH3sẽ thấm dần vào đất, nước ngầm và lan truyền sang các khu vực khác do nước chảy tràn
Chaቷt thải và nước thải từ các quá trı̀nh sản xuaቷt công nghiệp
CHU TRÌNH PHOSPHO
Nguồn gốc:
Xác bã hữu cơ
Vật chất vô cơ: trầm tích, apatit, muối
Tầm quan trọng:
P giữ vai trò quan trọng trong cấu thành cơ thể sinh
vật
Động vật thiếu phospho sẽ bị mềm xương, liệt
Cây thiếu phospho thân lá mầm cây ngả xám đen,
hoa và hạt nhỏ
Trang 15CHU TRÌNH PHOSPHO
Chu trình tuần hoàn phospho là chu trình không
hoàn hảo Phospho là chất cơ bản của sinh chất có
trong sinh vật cần cho tổng hợp các chất như acid
nucleic, chất dự trữ năng lượng ATP, ADP.
Nguồn dự trữ của phospho: trong thạch quyển dưới
dạng hỏa nham, hiếm có trong sinh quyển Phospho
có khuynh hướng trở thành yếu tố giới hạn cho hệ
sinh thái.
Sự thất thoát phospho là do trầm tích sâu hoặc
chuyển vào đất liền (do người đánh bắt cá hoặc do
chim ăn cá …).
CHU TRÌNH PHOSPHO
Phospho là khâu yếu nhất trong mạng lưới dinh dưỡng
Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng phospho, xói mòn (do đốt phá rừng), thì nguồn dự trữ phospho có nguy cơ sẽ cạn dần.
Khi xảy ra sự mất cân bằng ở các chu trình tuần hoàn thì sẽ có sự cố về môi trường, ảnh hưởng đến
sự tồn tại của sinh vật và con người trong một khu vực hay trên toàn cầu.
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN PHOSPHO
60
Nguyên nhângây rối loạn vận hành chu trình P
Phát triển nông nghiệp chăn nuôi Phát triển Xói mòn đất
CHU TRÌNH PHOSPHO
Trang 16Nguồn gốc:
Núi lửa phun,
trầm tích,
khóang chất chứa pyrid
61
CHU TRÌNH LƯU HÙYNH
Rễ thực vật hấp thu S tổng hợp các liên kết và acid amin có S
ĐV ăn TV, con người ăn ĐTV Sau khi chết đi, trả lại cho đất
Một phần S biến thành SO2 hay H2S bay lên
S có thể bị trôi ra biển, hoặc trầm tích trong than đá, dầu hỏa
Con người sử dụng nhiên liệu, tạo khí thải
62
CHU TRÌNH LƯU HÙYNH
63 Chu trình lưu huỳnh
...Các chất vơ sinh
Các yếu tố vật lý/ khí hậu: T 0, A/sáng, gió,…
Các chất vơ cơ: C, P, N Các chất hữu cơ: glucid,... data-page="9">
CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HĨA
Tìm hiểu số quy luật sinh thái thơng qua
các chu trình biến đổi nguyên tố
bản
Các nguyên tố tuần hòan sinh...
30
Các dòng lượng HST
Các dòng lượng HST
Năng lượng học sinh thái nghiên cứu
dòng