Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự biến đổi khí hậu toàn cầu, trong đó có thể kể đến vai trò của các loài vi sinh vật. Trong tự nhiên, vi sinh vật phân bố ở hầu hết các môi trường và tồn tại với một số lượng lớn nên có ảnh hưởng đến khí hậu với quy mô toàn cầu. Hoạt động của vi sinh vật đất đóng góp đáng kể vào việc sản xuất và tiêu thụ các khí nhà kính, bao gồm CO2, CH4, N2O và NO.
Trang 1MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2
1.Đặc điểm chung của vi sinh vật 2
2.Biến đổi khí hậu 2
2.1 Biến đổi khí hậu là gì? 2
2.2 Các biểu hiện của biến đổi khí hậu 2
2.3 Nguyên nhân của biến đổi khí hậu 3
2.4 Thực trạng và hậu quả của biến đổi khí hậu 3
3.Vi sinh vật với biến đổi khí hậu 4
3.1 Vi sinh vật trong các chu trình sinh địa hóa 4
3.1.1 Vi sinh vật và chu trình Carbon 4
3.1.2 Vi sinh vật và chu trình Nitơ 7
3.2 Vi sinh vật tác động đến thời tiết và khí hậu 9
3.4 Vi sinh vật trong sản xuất biogas nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường 13
3.5 Mối quan hệ giữa vi sinh vật và thực vật ảnh hưởng đến khí hậu 15
3.5.1 Vi sinh vật tác động tích cực đến thực vật 15
KẾT LUẬN 18
TÀI LIỆU THAM KHẢO 19
Trang 2DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Thực trạng của biến đổi khí hậu……… … 3
Hình 3.1 Chu trình Carbon……….5
Hình 3.2 Chu trình Nitơ……… 8
Hình 3.3 Vi khuẩn tập trung trong các đám mây……….10
Hình 3.4 Vi khuẩn Pseudomonas syringae……… 11
Hình 3.5 Hiện tượng tảo nở hoa… ………12
Hình 3.5 Mô hình biogas…… ……… 13
Trang 4ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với nhiều nguy hiểm hơn từ hệ quả của việc biến đổi khí hậu toàn cầu Sự biến đổi khí hậu toàn cầu đã và đang diễn ra với một tốc độ nhanh chóng, mang đến những ảnh hưởng nghiêm trong trên toàn cầu Biểu hiện rõ nhất
là sự nóng lên của Trái Đất, băng tan, nước biển dâng cao, các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạn hán và giá rét kéo dài… dẫn đến tình trạng thiếu lương thực, thực phẩm và xuất hiện hàng loạt dịch bệnh trên người, gia súc, gia cầm…
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự biến đổi khí hậu toàn cầu, trong đó có thể kể đến vai trò của các loài vi sinh vật Trong tự nhiên, vi sinh vật phân bố ở hầu hết các môi trường và tồn tại với một số lượng lớn nên có ảnh hưởng đến khí hậu với quy mô toàn cầu Hoạt động của vi sinh vật đất đóng góp đáng kể vào việc sản xuất và tiêu thụ các khí nhà kính, bao gồm CO2, CH4, N2O và NO Các hoạt động hằng ngày của con người như
xử lý chất thải và nông nghiệp cũng kích thích các loài vi sinh vật sản sinh khí nhà kính Khi nồng độ của các khí này tăng lên, các vi sinh vật đất sẽ phản ứng lại theo những cách khác nhau, làm tăng nhanh hoặc chậm lại sự nóng lên của Trái Đất
Sự hiểu biết về vai trò của vi sinh vật trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất cũng như mối tương quan của chúng với khí hậu có thể giúp cho việc đưa ra những biện pháp
để bảo vệ môi trường, phòng chống biến đổi khí hậu toàn cầu Xuất phát từ những lý do
trên, chúng tôi thực hiện bài tiểu luận: “Vi sinh vật với biến đổi khí hậu”.
Trang 5TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1 Đặc điểm chung của vi sinh vật
Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất cả sinh vật có hình thể nhỏ bé, không thể quan sát được bằng mắt thường, muốn quan sát chúng người ta phải dùng kính hiển vi
Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới Chúng là tập hợp những sinh vật thuộc nhiều giới khác nhau Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau và có chung những đặc điểm sau đây:
- Kích thước nhỏ bé
- Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh
- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh
- Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị
- Phân bố rộng, chủng loại nhiều
2 Biến đổi khí hậu
2.1 Biến đổi khí hậu là gì?
Biến đổi khí hậu là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo
2.2 Các biểu hiện của biến đổi khí hậu
- Sự nóng lên của khí quyển và Trái Đất
- Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển, gây hại cho môi trường sống của con người và các sinh vật trên Trái Đất
- Sự dâng cao mực nước biển do băng tan, dẫn tới sự ngập úng ở các vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biển
- Sự di chuyển của các đới khí hậu trên các vùng khác nhau của Trái Đất dẫn tới nguy
cơ đe dọa sự sống của các loài sinh vật, các hệ sinh thái và hoạt động của con người
- Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hóa khác
- Sự thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của thủy quyển, sinh quyển, thạch quyển
Trang 62.3 Nguyên nhân của biến đổi khí hậu
Nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu Trái Đất là do sự gia tăng các hoạt động tạo
ra các chất thải khí nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể hấp thụ khí nhà kính như sinh khối, rừng, các hệ sinh thái ven biển, ven bờ và đất liền khác
2.4 Thực trạng và hậu quả của biến đổi khí hậu
Sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Biểu hiện rõ nhất
là sự nóng lên của Trái Đất, là băng tan, nước biển dâng cao; là các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạn hán và giá rét kéo dài… dẫn đến thiếu lương thực, thực phẩm và xuất hiện hàng loạt dịch bệnh trên người, gia súc, gia cầm…
Có thể thấy tác hại theo hướng nóng lên toàn cầu thể hiện ở các hiện tượng như: gia tăng mực nước biển, băng hà lùi về hai cực, những đợt nóng, bão tố và lũ lụt, khô hạn, tai biến, suy thoái kinh tế, xung đột và chiến tranh, mất đi sự đa dạng sinh học và phá huỷ hệ sinh thái Những minh chứng cho các vấn đề này được biểu hiện qua hàng loạt tác động cực đoan của khí hậu trong thời gian gần đây như đã có khoảng 250 triệu người bị ảnh hưởng bởi những trận lũ lụt ở Nam Á, châu Phi và Mexico Các nước Nam Âu đang đối mặt nguy cơ bị hạn hán nghiêm trọng dễ dẫn tới những trận cháy rừng, sa mạc hóa, còn
Hình 2.1 Thực trạng của biến đổi khí hậu
Trang 7các nước Tây Âu thì đang bị đe dọa xảy ra những trận lũ lụt lớn, do mực nước biển dâng cao cũng như những đợt băng giá mùa đông khốc liệt Những trận bão lớn vừa xảy ra tại
Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ có nguyên nhân từ hiện tượng Trái Đất ấm lên trong nhiều thập kỷ qua Những dữ liệu thu được qua vệ tinh từng năm cho thấy số lượng các trận bão không thay đổi, nhưng số trận bão, lốc cường độ mạnh, sức tàn phá lớn đã tăng lên, đặc biệt ở Bắc Mỹ, tây nam Thái Bình Dương, Ấn Độ Dương, bắc Đại Tây Dương Một nghiên cứu với xác suất lên tới 90% cho thấy sẽ có ít nhất 3 tỷ người rơi vào cảnh thiếu lương thực vào năm 2100 do tình trạng ấm lên của Trái Đất
3 Vi sinh vật với biến đổi khí hậu
3.1 Vi sinh vật trong các chu trình sinh địa hóa
Vi sinh vật đất đóng vai trò quan trọng trong chuỗi dinh dưỡng và chu trình sinh địa hóa trên Trái Đất Trong môi trường đất, vi sinh vật tác động đến sự phân rã của thực vật,
sự sản sinh và tiêu hao các khí, sự biến đổi của kim loại và sự sinh trưởng của thực vật
Sự phân bố rộng rãi với số lượng nhiều làm cho vi sinh vật có sức ảnh hưởng to lớn đối với khí hậu toàn cầu Vi sinh vật đất đóng góp một cách đáng kể đến sự sản xuất và tiêu thụ các khí gây ra hiệu ứng nhà kính, bao gồm: khí CO2, CH4, N2O và NO Những hoạt động của con người trong nông nghiệp, công nghiệp,… cũng kích thích vi sinh vật sản xuất ra các khí gây hiệu ứng nhà kính Khi nồng độ của các khí này tăng lên, các vi sinh vật đất sẽ phản ứng lại theo những cách khác nhau, làm tăng nhanh hoặc chậm lại sự nóng lên của Trái Đất
Vi sinh vật ảnh hưởng đến sự biến đổi khí hậu toàn cầu thông qua các vòng tuần hoàn trong tự nhiên, mà quan trọng nhất là chu trình Nitơ và chu trình Carbon
3.1.1 Vi sinh vật và chu trình Carbon
Carbon là thành phần cơ bản của tất cả các phân tử hữu cơ và tồn tại trong tất cả các hợp chất hữu cơ
Vòng tuần hoàn carbon là sự chu chuyển của nguyên tố carbon giữa cơ thể và môi trường nhờ hoạt động của các sinh vật trong hệ sinh thái Vòng tuần hoàn carbon đóng vai trò quyết định trong hệ thống khí hậu, sự biến đổi khí hậu và các nguồn năng lượng trên Trái Đất Các hợp chất carbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các sinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất Nhờ hoạt động
Trang 8của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng carbon sống trong đất, các chất hữu cơ này sẽ dần dần
bị phân hủy nhanh chóng
CO2 trong khí quyển hay trong nước được sinh vật tự dưỡng hấp thu, biến đổi thành các hợp chất hữu cơ phức tạp thông qua quá trình quang hợp và các phản ứng sinh hóa Một phần các chất cấu trúc nên cơ thể thực vật và vi sinh vật quang hợp Thực vật và vi sinh vật quang hợp được động vật hay các sinh vật dị dưỡng sử dụng, sau đó, các chất bài tiết cũng như xác chết của sinh vật bị vi khuẩn phân hủy, trả lại CO2 cho môi trường Các
vi sinh vật tự dưỡng trong các thủy vực thường sử dụng CO2 là dạng carbon vô cơ phổ biến nhất để làm nguồn carbon tạo ra chất hữu cơ Trong khi đó, các vi sinh vật dị dưỡng lại sử dụng carbon hữu cơ có sẵn và quá trình oxy hóa các hợp chất carbon hữu cơ của chúng sẽ tái tạo carbon vô cơ Vòng tuần hoàn carbon được tạo thành theo phương trình hóa học như sau:
CO2 + H2O CH2O (vật chất cấu tạo tế bào) + O2 (dinh dưỡng tự dưỡng)
CH2O (vật chất cấu tạo tế bào) + O2 CO2 + H2O (dinh dưỡng dị dưỡng và hô hấp hiếu khí)
Các vi sinh vật tự dưỡng là các sinh vật sản xuất sơ cấp trong chuỗi dinh dưỡng của vì chúng có khả năng chuyển hóa các hợp chất vô cơ thành các hợp chất hữu cơ cho các sinh vật dị dưỡng sử dụng Các vi sinh vật thuộc nhóm vi khuẩn lam, vi khuẩn khoáng dưỡng hóa năng vô cơ và nhóm vi khuẩn sinh methane là những vi sinh vật tham gia tích cực vào việc cố định một lượng CO2 khổng lồ trong chu trình carbon trên Trái Đất
Hình 3.1 Chu trình Carbon
Trang 9Vi khuẩn sinh methane tham gia tích cực trong chu trình carbon Trong tự nhiên, chúng sinh sống ở những nơi kị khí nhưng giàu CO2 và H2 CO2 được nhóm vi khuẩn này
sử dụng bằng hai cách khác biệt nhau Khoảng 5% CO2 mà chúng hấp thu được sử dụng cho việc tạo ra các thành phần tế bào trong quá trình sống và phát triển 95% CO2 còn lại được sử dụng để sinh năng lượng cho hoạt động của tế bào và giải phóng khí methane.Khí methane tích tụ ở rất nhiều nơi như trong đá dưới dạng khí tự nhiên, trong dạ cỏ của động vật nhai lại và được giải phóng ra thông qua quá trình ợ hơi, trong ruột mối, trong bùn, các sinh vật tiêu thụ chất thải, các vùng đầm lầy,…
Sự phân hủy sinh học là trọng tâm của vòng tuần hoàn carbon, ở đó vi sinh vật có vai trò hết sức quan trọng Đây là quá trình phân hủy vật chất hữu cơ (CH2O) thành CO2 và
H2O Trong môi trường đất, mối và các vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình này, mặc dù các vi sinh vật khác cũng chiếm vị trí quan trọng Quá trình phân hủy thường diễn ra trước hết với các polymer sinh học như cellulose, lignin, protein, polysaccharide nhờ các enzyme ngoại bào, tiếp theo đó là quá trình oxy hóa các phân tử polymer để tạo
ra các sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O, H2 và có khi là NH3 hoặc H2S Các sản phẩm này
sẽ được các vi sinh vật khoáng dưỡng và tự dưỡng sử dụng
Các vi sinh vật quan trọng tham gia quá trình phân hủy sinh học trong tự nhiên bao
gồm xạ khuẩn, Clostridia, Bacilli, Arthrobacters và Pseudomonas
Quá trình phân hủy sinh học diễn ra theo các phương trình hóa học sau:
Các polymer các monomer (quá trình thối rữa)
Các monomer các acid béo + CO2 + H2 (quá trình lên men)
Các monomer + O2 CO2 + H2O (quá trình hô hấp hiếu khí)
Các vi khuẩn sinh methane có khả năng loại bỏ khí CO2 trong khí quyển qua việc biến đổi CO2 thành nguyên liệu tế bào và CH4 Các sinh vật nhân sơ này không bị ảnh hưởng bởi chu kỳ carbon nhưng sự trao đổi chất của chúng cũng ảnh hưởng đến nồng độ các chất khí nhà kính chủ yếu trong khí quyển Trái Đất
Hoạt động của vi sinh vật trong chu trình carbon đã sinh ra một lượng khí CO2 và CH4
góp phần làm thay đổi khí hậu toàn cầu CO2 là chất khí gây ra hiệu ứng nhà kính với tỷ lệ lớn nhất (56% trong 1% khí quyển) Khi nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên gấp đôi thì nhiệt độ Trái Đất sẽ tăng lên khoảng 30oC CH4 là chất khí gây ra hiệu ứng nhà kính
Trang 10đứng thứ hai sau CO2 (18% trong 1% khí quyển) CH4 có thể được sinh ra từ các quá trình sinh học, như sự men hoá đường ruột do vi sinh vật của các loài động vật nhai lại, sự phân giải kỵ khí ở đất ngập nước, ruộng lúa,… CH4 thúc đẩy sự oxy hoá hơi nước ở tầng bình lưu Sự gia tăng hơi nước gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn nhiều so với hiệu ứng trực tiếp
từ CH4 Hiện nay hàng năm khí quyển thu nhận khoảng từ 400 đến 765 x 1012 g CH4.Tóm lại, các nhóm vi sinh vật tham gia trong quá trình chuyển hoá các hợp chất carbon đã góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất, từ đó giữ được sự cân bằng sinh thái trong thiên nhiên Sự phân bố rộng rãi của các nhóm vi sinh vật chuyển hoá các hợp chất carbon còn góp phần làm sạch môi trường khi môi trường bị ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa carbon Người ta sử dụng những nhóm vi sinh vật này trong việc xử lý chất thải có chứa các hợp chất carbon hữu cơ như cellulose, tinh bột Mặt khác, các nhóm vi sinh vật tham gia trong quá trình chuyển hoá các hợp chất carbon cũng có những tác động tiêu cực và tích cực đến khí hậu Tích cực ở chỗ các vi sinh vật sử dụng các hợp chất carbon để phân hủy góp phần làm giảm sự ô nhiễm và trong quá trình cố định CO2 chúng
đã một phần làm giảm được khí CO2 trong tự nhiên giúp cho khí hậu ít chịu ảnh hưởng của khí nhà kính Tiêu cực ở chỗ là vẫn có một lượng CO2 và CH4 được thải vào không khí và làm cho khí hậu Trái Đất dần nóng lên
3.1.2 Vi sinh vật và chu trình Nitơ
Nitơ là một trong những nguyên tố chính của sự sống, là thành phần của protein và acid nucleic trong tất cả tế bào của mọi sinh vật
Vòng tuần hoàn nitơ là sự chu chuyển của nguyên tố nitơ giữa cơ thể sinh vật và môi trường nhờ hoạt động sống của các sinh vật trong hệ sinh thái Nếu không có vi sinh vật, vòng tuần hoàn Nitơ không thể diễn ra
Trang 11Vòng tuần hoàn Nitơ là vòng tuần hoàn phức tạp nhất trong các vòng tuần hoàn sinh học Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, acid amin Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ này tồn tại ở trong đất Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân hủy thành các acid amin Các acid amin lại được một nhóm vi sinh vật phân hủy thành NH3 hoặc NH4 gọi là nhóm vi khuẩn amoni hóa Quá tình này còn gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng Dạng NH4 sẽ được chuyển hóa thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrate hóa Các hợp chất nitrate lại được chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá trình này gọi là sự phản nitrate hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrate Khí Nitơ sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển hóa thành dạng Nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định nitơ Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ được khép kín Trong hầu hết các khâu chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
+ Quá trình cố định Nitơ phân tử: thường xảy ra nhờ sự tham gia của các nhóm vi
khuẩn sống tự do như Clostridia, Azotobacters, vi khuẩn lam và các vi khuẩn sống cộng sinh trong rễ cây như Rhizobium và Frankia Các vi sinh vật này có khả năng liên kết N2
tự do trong không khí tạo NH3 theo phương trình hóa học: N2 2NH3 (cố định Nitơ)
Hình 3.2 Chu trình Nitơ
