Bài giảng sinh thái học công nghiệp chương 2 PGS TS nguyễn thị kim thái

Trái đất giống như một quả cầu đồng tâm gồm các lớp sau: Khí quyển Atmosphere : Là lớp mỏng ngoài cùng bao quanh trái đất và rất cần thiết cho sự sống: Oxy cần thiết cho sự hô hấp của

-

Chương 2 các chu trình sinh địa hóa học

2.1 Các chu trình sinh địa hoá ( Vòng tuần hoàn vật chất )

2.2.1 Khái niệm về các chu trình sinh địa hoá

Trái đất của chúng ta là một hành tinh khá lớn trong hệ mặt trời Trái đất giống như một quả cầu đồng tâm gồm các lớp sau:

Khí quyển ( Atmosphere) : Là lớp mỏng ngoài cùng bao quanh trái đất và rất cần thiết cho sự

sống: Oxy cần thiết cho sự hô hấp của động vât và thực vật; Cacbonic cần thiết cho quá trình quanh hợp; Nitơ là một trong những nguyên tố cơ bản của protein và ozon bảo vệ chúng ta tránh các tia tử ngoại có hại của ánh sáng mặt trời

Tầng khí quyển ở độ cao khoảng 2.000 km phía trên bề mặt trái đất và thường xuyên chịu ảnh hưởng của vũ trụ và mặt trời Tầng khí quyển được chia thành 4 vùng chính ( tầng đối lưu, bình lưu, tầng giữa và tầng nhiệt lưu)

Tầng đối lưu (Troposphere) ở trong cùng có bề dầy khoảng 17 km hầu hết chứa chứa tới 90 % các phân tử không khí , gồm 78% N , 21% O2 , 0,03% CO2 và còn lại là các khí khác Tại vùng này , các phản ứng hoá học thường diễn ra nhanh trong đó bao gồm cả quả trình quang hợp và cố định ni tơ Tầng bình lưu (Stratosphere) dầy khoảng 17-18km; phần thấp của tầng này là lớp ozon (O3) Ozon tạo thành một lớp màng mỏng hấp thụ các bức xạ tử ngoại có hại của ánh sáng mặt trời, bảo vệ sự sống trên trái đất

Thuỷ quyển ( Hydrosphere): Gồm toàn bộ nước có trên trái đất có cả ba thể rắn ( băng và các

núi băng), lỏng ( nước) và khí ( hơi nước )

Thạch quyển ( Lithosphere): Gồm lớp đá cứng ở dưới và lớp vỏ Lớp vỏ có chứa các hoá

thạch, khoáng vật và các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây xanh

Sinh quyển ( Biosphere) hay còn gọi là quyển sinh thái: là phần của trái đất mà ở đó các cơ

thế sống ( thành phần hữu sinh) tương tác lẫn nhau và tương tác với môi trường (thành phần vô sinh)

Thuỷ quyển, thạch quyển và sinh quyển hình thành nên lớp vỏ trái đất Sự sống của trái

đất phụ thuộc vào ba nhân tố tương tác lẫn nhau: Năng lượng mặt trời, các chu trình dinh dưỡng (vòng tuần hoàn vật chất) và trọng lực

Năng lượng bức xạ mặt trời dưới dạng ánh sáng và nhiệt được truyền đến các hành tinh của

nó Nguồn năng lượng này chính là động lực chủ yếu của nhiều quá trình xảy ra trên các quyển của trái đất Trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ của nguồn năng lượng này Một

tỷ lệ vô cùng nhỏ ( 0,023 %) của năng lượng mặt trời được vật sản xuất sử dụng để quang hợp , tạo ra các chất hữu cơ cần thiết cho đa số các cơ thể sống khác

Trọng lực : tạo ra do lực hấp dẫn giữa trái đất và mặt trời gây ra Trọng lực giữu cho trái đất

tồn tại trong bầu khí quyể của nó và tất cả các chất của chu trình vật chất đều rơi trở về trái

đất

-

Chu trình dinh dưỡng: Các chất dinh dưỡng là tất cả các nguyên tố hoặc các chất mà một cơ

thể sống phải hấp thụ để tồn tại, sinh trưởng và phát triển Các cơ thể sống cần một lượng khá lớn các nguyên tố cácbon, oxy, nitơ, phốt pho, lưu huỳnh và cần một lượng không nhiều các nguyên tố khác như sắt, natri,đồng, iốt

Các chất dinh dưỡng này liên tục quay vòng từ môi trường vào các cơ thể sống và sau đó lại quay trở lại môi trường và được gọi là chu trình dinh dưỡng; chu trình sinh địa hoá hay vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên

Như vậy chúng ta có khái niệm:

Các nhân tố hóa học tham gia vào thành phần của hệ sinh thái luôn luôn có sự tuần hoàn từ bên ngoài môi trường vào bên trong cơ thể rồi sau đó lại trở lại môi trường theo các con đờng

khác nhau Trong hệ sinh thái các con đường này khép kín và tạo thành các chu trình gọi là

các chu trình sinh-địa hóa của các nguyên tố

Hình 2.1 Quan hệ giữa vòng đại tuần hoàn địa chất và tiểu tuần hoàn sinh học

Đấ

Bốc sinh

Năng lượng địa

Biển - Đại

Mặt Năng lượng Mư

O 2

2 C

Bay

sóng Dòng đến bức

sóng Dòng ra bức

Chuyển vận Dòng năng Dòng vật

Giới hạn của vòng đại

Giới hạn của vòng tiểu tuần hoμn địa chất

tuần hoμn sinh

-

Hoạt động của các chu trình sinh - địa – hóa được thể hiện qua chuỗi thức ăn, màng lưới thức

ăn và dòng chuyển hoá năng lượng giữa các thành phần trong hệ Dòng chuyển năng lượng qua hệ sinh thái được thể hiện ở Hình 2.2

-

Chu trình vật chất được thực hiện trên cơ sở tự điều hòa của quần xã Về nguyên tác , các chu trình sinh địa hóa tuân theo qui trình sau:

Tất cả mọi dây chuyền dinh dưỡng đều được đặc trưng bởi sự luân chuyển vật chất, vật chất sẽ chuyển đổi ở mỗi giai đoạn thành vật chất mới, tất nhiên với sự cần thiết có công năng Một trong những hậu quả của hoạt động này xuất phát từ sự cưỡng bách của nguyên lý thứ hai của nhiệt động học kéo theo là sự giảm sút năng lượng tự do hiện diện ở mỗi một bậc của chuỗi khi người ta đi lên theo chuỗi đó

Theo quy luật hình tháp sinh thái Trong hệ thống mạng lới thức ăn của hệ sinh thái,

các loại sinh vật ở mắt lới càng xa vị trí của sinh vật sản xuất thì có sinh khối trung bình càng nhỏ

Thực vật có diệp lục tố là yếu tố ban đầu trong quần xã đã sử dụng năng lượng mặt trời

và tiếp nhận chất dinh dỡng từ khí quyển và đất Các chất dinh dưỡng và năng lượng của ánh sáng mặt trời được tích luỹ trong thực vật, qua toàn bộ lưới thức ăn sẽ được phân phối dần ở mỗi bậc theo các mắt xích Và vì thế sinh khối của sinh vật sản xuất bao giờ cũng lớn hơn sinh khối của sinh vật tiêu thụ bậc 1 và sinh khối của vật tiêu thụ bậc 1 lại lớn hơn của vật tiêu thụ bậc 2 Hình tháp sinh khối có thể minh họa như ở Hình 2.3

Vật tiêu thụ III B4

Phân huỷ sinh học của các hợp chất hữư cơ: Tất cả những chất hóa học tự nhiên đều tham

gia vào quá trinhg chuyển hoá sinh học (còn gọi là phân huỷ sinh học) Sự phân huỷ sinh học

được coi là một tham số quan trọng phải tính đến để dự báo tiến diễn các phế liệu hữu cơ trong môi trường

Thí dụ về sự phân giải các hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật ở Hình 2.4 và Hình 2.5

-

H×nh 7.9b C¬ chÕ sinh ho¸ cña qu¸ tr×nh ph©n huû sinh häc

trong c¸c b·i ch«n lÊp [10]

H×nh 2.4 Qu¸ tr×nh ph©n gi¶i c¸c hîp chÊt h÷u c¬ bëi c¸c vi sinh vËt yÕm khÝ

C¸c hîp chĘt h÷u c¬

d¹ng r¾n

C¸c hîp chÊt h÷u c¬ d¹ng hoµ tan hoµn toµn

Thuû ph©n

C¸c hîp chÊt h−ò c¬

d¹ng hoµ tan

Sunph¸t ho¸

Lªn men

Khö sunph¸t

axit bÐo + alcohol

Axeton ho¸ Axet¸t

Sunphuar¬

(H 2 S)

Carbonic (CO 2 )

Hydro (H 2 )

-

Vật phân huỷ (vi sinh vật) có khả năng chuyển hóa toàn phần hoặc một phần những

chất hóa học khác nhau ở trình độ khác nhau (môi trường thủy sinh, đất tầng trầm tích, trạm

làm sạch bằng sinh học ) Các cơ chế hoạt động phụ thuộc rất lớn vào bản chất các chất, các

điều kiện môi trường và các vi khuẩn có liên quan Có thể nói một cách tổng quan, sự phân

giải sinh học được biểu hiện bằng sự đơn giản hóa dần của cấu trúc hóa học, với sự khoáng

hóa cacbon (dưới dạng CO2) và sự hình thành các thể chuyển hóa có trọng lượng phân tử nhỏ,

sẵn có cho sự tổng hợp các thành phần tế bào

`

Phân huỷ sinh học của các hợp chất chứa lưu huỳnh: Các sunfat (SO4

2-) là nguồn chính của lưu huỳnh có sẵn cho các sinh vật Những sunfat đó được các cây hấp thụ để tạo ra các

axit amin lưu huỳnh (metionin, xis-tê-in ) Những chất thải hữu cơ tạo ra bởi chu trình sống

của các cây đó bị phân hủy bởi các vi khuẩn chúng phóng thích sunfua hydro (H2S) Ngoài ra,

các vi huẩn (thuộc chủng sunfovibrio) có thể sản sinh ra H2S từ sunfat Một số vi khuẩn khác

Quá trình phân huỷ háo khí ( Vô cơ hoá )

Hình 2.5 Sơ đồ quá trình phân giải hiếu khí

amin lưu huỳnh

H 2 S

Biến đổi sinh học Hấp thụ S

Hình 2.6 Sơ đồ chuyển hoá sinh học của các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh

ứng dụng của quá trình chuyển hoá sinh học trong tái chế phế liệu : Về vấn đề phế liệu

việc áp dụng các kỹ thuật sinh học hiện đại ở 2 phương thức:

1) Cho vào trong môi trường vi sinh, sử dụng công nghiệp trong hệ thống kín (Hình 2.7a.)

bù thêm chất dinh dưỡng Công nghệ

Vi sinh mới đưa thêm vào công nghiệp Nước, không khí, đất

Phân thải vi sinh vật vào môi trưęng

2) Sử dụng những vi khu n mới trong các kỹ thuật xử lý ch t thải (Hình 2.7b.)

Vi khuẩn tiêu thụ

Hợp chất CO2, H2O, N2 Chất chuyển hoá dạng phân giải của phân tử ô nhiễm

Vi khuẩn mới phát thải vào trong môi trường

-

Quá trình khử ô nhiễm đất bằng cách sử dụng các vi khuẩn đặc dụng cho sự phá hủy các phân

tử hữu cơ mà khởi đầu là không phân hủy như các chất clo hữu cơ chính là quá trình chuyển

hoá chất thải theo phương thức thứ hai

Mối quan hệ giữa sinh khối và nồng độ sinh học được thể hiện ở Hình 2.8

Hình 2.7 Sơ đồ minh hoạ về nồng độ sinh học trong mối quan hệ với hình tháp sinh khối

Sinh khối ban đầu (của đối tượng sinh sản ra) hay một mắt xích trung gian (thí dụ động

vật ăn cỏ) có thể bị nhiễm độc bởi một chất hóa không thể hủy sinh học mà được lưu chuyển

theo vật lý học trong chuỗi thức ăn (thí dụ hòa tan trong mỡ)

Hiện tượng xâm nhập và tích tụ sinh học được nhiều loại chất tự nhiên là nguồn gốc

của nhiều vấn đề ngộ độc (thủy ngân, DDT, pyralen ) gắn liền với sự phân tán trong không

khí, nước hay trên đất của các chất ô nhiễm hữu cơ tổng hợp hay các chủng loại kim loại theo

các nồng độ sinh học khác nhau Thí dụ sự kiện ở vịnh Mianamata ở Nhật Bản về ô nhiễm

gây ra bởi thuỷ ngân ( hàng trăm người chết và hàng ngàn người bị tàn phế) Thuỷ ngân được

thải vào biển từ nguồn thải công nghiệp đã được tích tụ lại trong các chuỗi dinh dưỡng biển

Sự tích tụ trong cá là 500.000 cao hơn trong nước biển Các ngư dân ăn phải cá đánh bắt trong

vùng vịnh bị ô nhiễm thuỷ ngân và bị ngộ độc

2.2.2 Các chu trình sinh địa hoá học ( vòng tuần hoàn vật chất ) trong tự nhiên

Vòng tuần hoàn của nước, cácbon và oxy : Bản chất của chu trình nước là quá trình bay hơi

và ngưng tụ

Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, nước từ ao, hồ, sông, suối, biển bốc hơi vào khí quyển

Hơi nước khi gặp không khí lạnh ngưng tụ lại thành mây, mây tập trung lại đến một mức nào

đó gây ra mưa, nước mưa rơi xuống một phần ngấm vào đất một phần đổ vào các dòng chảy,

sông hồ và quá trình bốc hơi lại tiếp tục Cứ như vậy nước luân chuyển thành vòng tuần hoàn

Nước tham gia vào chuỗi thức ăn, cây hút nước từ lòng đất, các sinh vật cũng đều phải sử dụng

nước trong các hoạt động sống của mình và thông qua quá trình trao đổi chất một phần nước

lại trở về khí quyển hoặc đất Trong cơ thể sinh vật dị dưỡng cảu các sinh vật dị dưỡng yếm

khí thì các hợp chất hữu cơ được phân giải thành nước, CO2 và muối khoáng, chúng lại tiếp

tục được sử dụng bởi các sinh vật tự dưỡng ( Hình 2.8)

-

HÈnh 2.8 SŨ ợạ tuđn hoÌn cĐa n−ắc cacbon vÌ ỡxi

Vßng tuđn hoÌn cĐa NitŨ ( Chu trinh Ni tŨ ) : Ni tŨ lÌ nguạn dinh d−ìng cã khộ nÙng gờy

ra hiơn t−îng phÈ d−ìng ( Eutrophication) gờy ỡ nhưởm nguạn n−ắc Mật khĨc ni tŨ lÌ mét thÌnh phđn cŨ bộn cĐa protein trong tỏ bÌo cĐa cĨc sinh vẹt CĨc sinh vẹt tiỏp nhẹn nÙng l−îng

tõ thùc vẹt, nh−ng thùc vẹt chừ cã thố hÊp thô ni tŨ d−ắi dÓng NO3- ợố lÌm nguạn dinh d−ìng Nh− vẹy trong hơ sinh thĨi, cĨc loÌi tạn tÓi vÌ phĨt trừởn t−Ũng hç vắi nhau Nỏu nh− trong hơ sinh thĨi ( chÒng hÓn hơ sinh thĨi thuủ vùc, hÌm l−îng ni tŨ lắn sỹ lÌm cho cĨc loÌi rong , tộo phĨt triốn mÓnh vÌ gờy nởn hiơn t−îng ỡ nhưởm lđn hai cho bộn thờn nguạn n−ắc SŨ ợạ tuđn

hoÌn cĐa ni tŨ ợ−îc trÈnh bÌy ẽ HÈnh 2.9 Vßng tuđn hoÌn cĐa ni tŨ bao gạm cĨc quĨ trÈnh cŨ bộn sau:

QuĨ trÈnh cè ợẺnh nitŨ: ẽ giai ợoÓn ợđu , mét l−îng nhá cĐa nitŨ trong khÝ quyốn ợ−îc cè

ợẺnh nhê Ĩnh sĨng vÌ sù bục xÓ vò trô ẽ giai ợoÓn hai, mét phđn khỡng ngõng tÙng lởn ợ−îc

cè ợẺnh bẽi cĨc ỀquĨ trÈnh cỡng nghiơpỂ nhê sù hoÓt ợéng cĐa cĨc vi khuẻn cè ợẺnh nitŨ thỡng qua con ợ−êng cè ợẺnh sinh hảc

CĨc vi khuẻn cè ợẺnh nitŨ

Thỡng qua quĨ trÈnh cè ợẺnh nitŨ, nitŨ phờn tö ợ−îc chuyốn hoĨ tắi mục amonia (NH3) hoậc amino (- NH2), cĨc dÓng nÌy tiỏp tôc ợ−îc chuyốn hoĨ thÌnh cĨc hîp chÊt hƠu cŨ chụa cĨcbon (cĨc hydrat carbon) theo con ợ−êng sinh hảc

- Quá trình nitơrát hóa: Các chất hữu cơ dạng NH3 được chuyển hoá thành dạng NO2- và NO3-

bởi các vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí như Nitromonas, Nitrobacteria Quá trình chuyển hoá này

được gọi là quá trình nitơrat hoá Vòng vật chất được khép kín và hoàn thiện bởi quá trình khử nitorat để giảm lượng NO3 chuyển hóa thành dạng ni tơ phân tử

Hình 2.9 Sơ đồ chu trình Ni tơ

Chu trình phốt pho: Phốt pho cũng là một trong những nguyên tố rất cần thiết cho sự sống,

và là nguồn gốc của sự ô nhiễm nguồn nước mà chúng ta sẽ thảo luận về sau này Việc sử dụng quá nhiều các chất tẩy rửa, các phân hoá học gây ra việc phát triển quá tốt của các loại thực vật trong vực nước và vì thế gây ô nhiễm lần 2 cho bản thân nguồn nước Sơ đồ vòng tùân

hoàn của phốt pho được trình bày ở Hình 2.10

Nguồn xuất phát chính của phốt pho là từ các tảng đá phốt phát, các chất lắng đọng phốt phát tự nhiên của cá và các loại động vật hoá thạch Phốt pho được chuyển từ các dạng đá tảng bởi sự xói mòn hoặc khai mỏ vào vòng tuần hoàn của nước và các chuỗi thức ăn nơi mà

nó có thể được tuần hoàn / quay vòng trong giai đoạn ngắn ngủi nhưng rồi sau đó nó bị kết thúc ở trong các chất bồi lắng dưới đáy biển sâu nơi mà nó bị mất mát cho đến khi các hoạt

động địa chất có thể nâng/kéo nó lên lần nữa Một lượng phốt pho được quay trở lại mặt đất

khai khoáng các nguyên sinh

chất của tế bào

Chim biển Phốt phát Các vi khuẩn phốt phát hoá

bồi lắng ở cácvực nước cạn (biển cạn)

Bị mất mát ở các vực sâu

Hình 2.10 Sơ đồ Chu trình Phốt pho

Các con đường hoàn lại vật chất cho tự nhiên: Trong chuỗi thức ăn, sinh vật sử dụng các

chất tự nhiên tạo nên sinh khối của chúng và theo chu trình khép kín chúng lại hoàn lại các

chất cho tự nhiên bằng các con đường khác: con đường bài tiết, xác chết (Hình 2 11)

+ Con đường bài tiết : sự bài tiết sơ cấp của động vật và sự phân giải phế liệu của vi khuẩn

Đây là con đường chính đối với chuỗi thức ăn chăn nuôi

+ Phân giải phế liệu : Còn đối với chuỗi thức ăn phế thải thì con đường thứ 2 (phân giải phế

liệu) là con đường chủ yếu

Ngoài ra còn 1 số con đường khác : Ví dụ : con đường vận chuyển trực tiếp từ sinh vật này sang sinh vật khác nhờ vi sinh vật cộng sinh

Các con đường tạo chu trình khép kín để thực hiện các điều kiện cân bằng cho các hệ sinh thái khác trong tự nhiên, để hệ sinh thái ổn định quá trình hoàn vật chất phải nhanh (càng

-

nhanh càng ổn định) Hiện nay, dùng phương pháp cưỡng bức (nhờ tác động của con người) để tăng cường sự hoàn lại vật chất cho tự nhiên

Ví dụ : Các công trình xử lý nước thải, các biện pháp vớt rác, nghiền rác là biện pháp

nhân tạo tăng cường sự hoàn lại vật chất cho tự nhiên)

Chất hòa tan

Hình 2.11 Sơ đồ các con đường hoàn lại vật chất cho tự nhiên 2.2 Chu trình Carbon và những rối loạn vận hành

2.2.1 Chu trình cacbon trong sinh quyển

Carbon luôn tồn tại dưới hai dạng:

1) ở trạng thái rắn dưới dạng cacbonat Đó là trường hợp đặc biệt của đá vôi (CaCO3) có một trữ lượng vô cùng lớn ở nhiều vùng

2) Thể khí dưới dạng khí cacbonic (CO2): Mặc dầu nồng độ của Carbon trong khí quyển rất nhỏ (trung bình là 320 ppm) nhưng khí cacbonic, do cơ chế của quá trình quang hợp, là nguồn nguyên liệu sản xuất ra chất hữu cơ sống do thực vật hiện Người ta ước lượng khoảng hơn 160 tỷ tấn chất hữu cơ khô được sản sinh ra hằng năm trên toàn lục địa, tương ứng với nhiều chục tỷ tấn cacbonic Vì rằng hàm lượng cacbonic hầu như cố định trong

CO2 + H2O + CaCO3 Ca(HCO3)

Hòa tan hydro cacbonat canxi

Hydro cacbonat canxi bị cuốn trôi ra biển bởi dòng nước bào mòn mặt đá và sẽ hoàn nguyên dưới dạng can-xit và đá vôi CaCO3 trong vỏ các loài sò hến và xương các động vật biển, và đó

là nguồn gốc của sự hình thành trữ lượng vô tận của các trầm tích

Hai quá trình sinh học cơ bản tạo điều kiện cho quá trình chu chuyển cacbon trong sinh quyển, đó là quá trình quang hợp và hô hấp:

Quá trình quang hợp được thực vật thực hiện dưới tác dụng của năng lượng mặt trời với sự

tham gia của diệp lục tố

Ví dụ trường hợp tạo gluxit:

n kcal (h)

nCO 2 + nH 2 O n O 2 + Cn(H 2 O)n

monosaccarit

Hô hấp là hiện tượng ngược lại với quá trình quang hợp Quá trình này tạo nên nguồn năng

lượng đảm bảo cho duy trì, phát triển và tái sản xuất của thực vật, động vật:

nO 2 + Cn(H 2 O)n nCO 2 + nH 2 O

Quá trình hô hấp gây ra hiệu ứng hoàn toàn đối nghịch với quá trình quang hợp

Thực tế không phải tất cả chất hữu cơ quang hợp được đều được trực tiếp tiêu thụ trong quá trình hô hấp và dây chuyền thực phẩm Những rác rưởi, chất thải bài tiết, những cây chết, xác động vật tích tụ lại trong nhiều thời kỳ dài ngắn, đặc biệt là ở các lớp đất và môi trường nước

Trong nhiều trường hợp, xác và mảnh vụn của thực vật tích tụ gây ra sự trì trệ của cacbon vì những chất đó, một phần bị động vật thực vật trong đất biến thành một chất hữu cơ mới, đó là chất mùn, mà sự phân giải chất này ít nhiều bị chậm lại

Sơ đồ đơn giản hoá của chu trình tự nhiên và bán chu trình tác nhân của carbon được thể hiện

ở Hình 2.12