Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp
Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
10
Ch−¬ng 2
c¸c chu tr×nh sinh ®Þa hãa häc
2.1. C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ ( Vßng tuÇn hoµn vËt chÊt )
2.2.1. Kh¸i niÖm vÒ c¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸
Tr¸i ®Êt cña chóng ta lµ mét hµnh tinh kh¸ lín trong hÖ mÆt trêi. Tr¸i ®Êt gièng nh−
mét qu¶ cÇu ®ång t©m gåm c¸c líp sau:
KhÝ quyÓn ( Atmosphere) : Lµ líp máng ngoµi cïng bao quanh tr¸i ®Êt vµ rÊt cÇn thiÕt cho sù
sèng: Oxy cÇn thiÕt cho sù h« hÊp cña ®éng v©t vµ thùc vËt; Cacbonic cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh
quanh hîp; Nit¬ lµ mét trong nh÷ng nguyªn tè c¬ b¶n cña protein vµ ozon b¶o vÖ chóng ta
tr¸nh c¸c tia tö ngo¹i cã h¹i cña ¸nh s¸ng mÆt trêi.
TÇng khÝ quyÓn ë ®é cao kho¶ng 2.000 km phÝa trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt vµ th−êng xuyªn chÞu ¶nh
h−ëng cña vò trô vµ mÆt trêi. TÇng khÝ quyÓn ®−îc chia thµnh 4 vïng chÝnh ( tÇng ®èi l−u,
b×nh l−u, tÇng gi÷a vµ tÇng nhiÖt l−u).
TÇng ®èi l−u (Troposphere) ë trong cïng cã bÒ dÇy kho¶ng 17 km hÇu hÕt chøa chøa tíi 90 %
c¸c ph©n tö kh«ng khÝ , gåm 78% N , 21% O2 , 0,03% CO2 vµ cßn l¹i lµ c¸c khÝ kh¸c. T¹i
vïng nµy , c¸c ph¶n øng ho¸ häc th−êng diÔn ra nhanh trong ®ã bao gåm c¶ qu¶ tr×nh quang
hîp vµ cè ®Þnh ni t¬. TÇng b×nh l−u (Stratosphere) dÇy kho¶ng 17-18km; phÇn thÊp cña tÇng
nµy lµ líp ozon (O3). Ozon t¹o thµnh mét líp mµng máng hÊp thô c¸c bøc x¹ tö ngo¹i cã h¹i
cña ¸nh s¸ng mÆt trêi, b¶o vÖ sù sèng trªn tr¸i ®Êt.
Thuû quyÓn ( Hydrosphere): Gåm toµn bé n−íc cã trªn tr¸i ®Êt cã c¶ ba thÓ r¾n ( b¨ng vµ c¸c
nói b¨ng), láng ( n−íc) vµ khÝ ( h¬i n−íc ).
Th¹ch quyÓn ( Lithosphere): Gåm líp ®¸ cøng ë d−íi vµ líp vá. Líp vá cã chøa c¸c ho¸
th¹ch, kho¸ng vËt vµ c¸c chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt cho c©y xanh.
Sinh quyÓn ( Biosphere) hay cßn gäi lµ quyÓn sinh th¸i: lµ phÇn cña tr¸i ®Êt mµ ë ®ã c¸c c¬
thÕ sèng ( thµnh phÇn h÷u sinh) t−¬ng t¸c lÉn nhau vµ t−¬ng t¸c víi m«i tr−êng (thµnh phÇn v«
sinh).
Thuû quyÓn, th¹ch quyÓn vµ sinh quyÓn h×nh thµnh nªn líp vá tr¸i ®Êt. Sù sèng cña tr¸i
®Êt phô thuéc vµo ba nh©n tè t−¬ng t¸c lÉn nhau: N¨ng l−îng mÆt trêi, c¸c chu tr×nh dinh
d−ìng (vßng tuÇn hoµn vËt chÊt) vµ träng lùc.
N¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi d−íi d¹ng ¸nh s¸ng vµ nhiÖt ®−îc truyÒn ®Õn c¸c hµnh tinh cña
nã. Nguån n¨ng l−îng nµy chÝnh lµ ®éng lùc chñ yÕu cña nhiÒu qu¸ tr×nh x¶y ra trªn c¸c
quyÓn cña tr¸i ®Êt. Tr¸i ®Êt chØ nhËn ®−îc mét phÇn rÊt nhá cña nguån n¨ng l−îng nµy. Mét
tû lÖ v« cïng nhá ( 0,023 %) cña n¨ng l−îng mÆt trêi ®−îc vËt s¶n xuÊt sö dông ®Ó quang hîp
, t¹o ra c¸c chÊt h÷u c¬ cÇn thiÕt cho ®a sè c¸c c¬ thÓ sèng kh¸c.
Träng lùc : t¹o ra do lùc hÊp dÉn gi÷a tr¸i ®Êt vµ mÆt trêi g©y ra. Träng lùc gi÷u cho tr¸i ®Êt
tån t¹i trong bÇu khÝ quyÓ cña nã vµ tÊt c¶ c¸c chÊt cña chu tr×nh vËt chÊt ®Òu r¬i trë vÒ tr¸i
®Êt.
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp
Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
11
Chu tr×nh dinh d−ìng: C¸c chÊt dinh d−ìng lµ tÊt c¶ c¸c nguyªn tè hoÆc c¸c chÊt mµ mét c¬
thÓ sèng ph¶i hÊp thô ®Ó tån t¹i, sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn. C¸c c¬ thÓ sèng cÇn mét l−îng kh¸
lín c¸c nguyªn tè c¸cbon, oxy, nit¬, phèt pho, l−u huúnh.. vµ cÇn mét l−îng kh«ng nhiÒu c¸c
nguyªn tè kh¸c nh− s¾t, natri,®ång, ièt..
C¸c chÊt dinh d−ìng nµy liªn tôc quay vßng tõ m«i tr−êng vµo c¸c c¬ thÓ sèng vµ sau ®ã l¹i
quay trë l¹i m«i tr−êng vµ ®−îc gäi lµ chu tr×nh dinh d−ìng; chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ hay vßng
tuÇn hoµn vËt chÊt trong tù nhiªn.
Nh− vËy chóng ta cã kh¸i niÖm:
C¸c nh©n tè hãa häc tham gia vµo thµnh phÇn cña hÖ sinh th¸i lu«n lu«n cã sù tuÇn hoµn tõ
bªn ngoµi m«i tr−êng vµo bªn trong c¬ thÓ råi sau ®ã l¹i trë l¹i m«i tr−êng theo c¸c con ®êng
kh¸c nhau. Trong hÖ sinh th¸i c¸c con ®−êng nµy khÐp kÝn vµ t¹o thµnh c¸c chu tr×nh gäi lµ
c¸c chu tr×nh sinh-®Þa --hãa cña c¸c nguyªn tè.
H×nh 2.1. Quan hÖ gi÷a vßng ®¹i tuÇn hoµn ®Þa chÊt vµ tiÓu tuÇn hoµn sinh häc
§Ê
Bèc
sinh
N¨ng l−îng
do h«
Dßng ch¶y
ChÊt dinh d−ìn
g
vμ
§
N−íc
N¨ng l−îng ®Þa
BiÓn - §¹i
MÆt
N¨n
g
l−
î
n
g
M−
O
2
2
C
Bay
sãn
g
Dßng ®Õn bøc sãng
Dßng ra bøc
ChuyÓn vËn
Dßng n¨ng
Dßng vËt
Giíi h
¹
n cña vßng ®
¹
i
Giíi h
¹
n cña vßng tiÓu
tuÇn hoμn ®
Þ
a chÊt
tuÇn hoμn sinh
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp
Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
12
Ho¹t ®éng cña c¸c chu tr×nh sinh - ®Þa – hãa ®−îc thÓ hiÖn qua chuçi thøc ¨n, mµng l−íi thøc
¨n vµ dßng chuyÓn ho¸ n¨ng l−îng gi÷a c¸c thµnh phÇn trong hÖ. Dßng chuyÓn n¨ng l−îng
qua hÖ sinh th¸i ®−îc thÓ hiÖn ë H×nh 2.2.
N¨ng l−îng mÆt trêi
VËt s¶n xuÊt
(thùc vËt)
S
VËt tiªu thô bËc I
(loµi ¨n thùc vËt)
S
VËt tiªu thô
bËc II
C¸c chÊt bµi tiÕt
X¸c chÕt
VËt chÊt
KhÝ
ChÊt hßa tan ®−îc
S
VËt tiªu thô
BËc III
S
VËt ph©n hñy
(vi sinh vËt)
H×nh 2.2. Dßng chuyÓn n¨ng l−îng qua hÖ sinh th¸i
N¨ng l−îng
VËt chÊt
Entropy
S
Nh− vËy, trong hÖ sinh th¸i, c¸c vËt chÊt t¹o nªn thøc ¨n sÏ ®i qua toµn bé l−íi thøc ¨n
cña quÇn x· råi nhê c¸c sinh vËt ph©n gi¶i trë vÒ ®Êt ë tr¹ng th¸i ban ®Çu, sau ®ã l¹i tham gia
vµo qu¸ tr×nh tæng hîp nhê c¸c sinh vËt s¶n xuÊt. V× thÕ trong quÇn x· lu«n lu«n cã sù tuÇn
hoµn vËt chÊt (kÌm theo n¨ng l−îng).
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp
Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
13
Chu tr×nh vËt chÊt ®−îc thùc hiÖn trªn c¬ së tù ®iÒu hßa cña quÇn x·. VÒ nguyªn t¸c ,
c¸c chu tr×nh sinh ®Þa hãa tu©n theo qui tr×nh sau:
Nguån vËt chÊt M«i tr−êng C¬ thÓ sèng
TÊt c¶ mäi d©y chuyÒn dinh d−ìng ®Òu ®−îc ®Æc tr−ng bëi sù lu©n chuyÓn vËt chÊt, vËt
chÊt sÏ chuyÓn ®æi ë mçi giai ®o¹n thµnh vËt chÊt míi, tÊt nhiªn víi sù cÇn thiÕt cã c«ng n¨ng.
Mét trong nh÷ng hËu qu¶ cña ho¹t ®éng nµy xuÊt ph¸t tõ sù c−ìng b¸ch cña nguyªn lý thø hai
cña nhiÖt ®éng häc kÐo theo lµ sù gi¶m sót n¨ng l−îng tù do hiÖn diÖn ë mçi mét bËc cña
chuçi khi ng−êi ta ®i lªn theo chuçi ®ã.
Theo quy luËt h×nh th¸p sinh th¸i Trong hÖ thèng m¹ng líi thøc ¨n cña hÖ sinh th¸i,
c¸c lo¹i sinh vËt ë m¾t líi cµng xa vÞ trÝ cña sinh vËt s¶n xuÊt th× cã sinh khèi trung b×nh
cµng nhá.
Thùc vËt cã diÖp lôc tè lµ yÕu tè ban ®Çu trong quÇn x· ®· sö dông n¨ng l−îng mÆt trêi
vµ tiÕp nhËn chÊt dinh dìng tõ khÝ quyÓn vµ ®Êt. C¸c chÊt dinh d−ìng vµ n¨ng l−îng cña ¸nh
s¸ng mÆt trêi ®−îc tÝch luü trong thùc vËt, qua toµn bé l−íi thøc ¨n sÏ ®−îc ph©n phèi dÇn ë
mçi bËc theo c¸c m¾t xÝch.. Vµ v× thÕ sinh khèi cña sinh vËt s¶n xuÊt bao giê còng lín h¬n
sinh khèi cña sinh vËt tiªu thô bËc 1 vµ sinh khèi cña vËt tiªu thô bËc 1 l¹i lín h¬n cña vËt tiªu
thô bËc 2. H×nh th¸p sinh khèi cã thÓ minh häa nh− ë H×nh 2.3.
VËt tiªu thô III B4
VËt tiªu thô II B3
VËt tiªu thô I B2
VËt sn xuÊt B1
B1 » B2 » B3 » B4
H×nh 2.3. S¬ ®å h×nh th¸p sinh khèi
Ph©n huû sinh häc cña c¸c hîp chÊt h÷− c¬: TÊt c¶ nh÷ng chÊt hãa häc tù nhiªn ®Òu tham
gia vµo qu¸ trinhg chuyÓn ho¸ sinh häc (cßn gäi lµ ph©n huû sinh häc). Sù ph©n huû sinh häc
®−îc coi lµ mét tham sè quan träng ph¶i tÝnh ®Õn ®Ó dù b¸o tiÕn diÔn c¸c phÕ liÖu h÷u c¬
trong m«i tr−êng.
ThÝ dô vÒ sù ph©n gi¶i c¸c hîp chÊt h÷u c¬ bëi c¸c vi sinh vËt ë H×nh 2.4 vµ H×nh 2.5.
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp
Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
14
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¬
(H2S)
Carbonic
(CO2)
Hydro
(H2)
Metan ho¸
( g® a xÝt)
Metan ho¸
(g® thuû ph©n)
Metan
(CH4)