Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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).
10
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.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Dßng ®Õn bøc
Dßng ra bøc sãng
sãng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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.
M−
N¨ng l−îng
Bay
MÆt
O 2
Bèc sinh
N¨ng l−îng do h«
2 C
Dßng ch¶y
§Ê
BiÓn - §¹i
ChÊt dinh d−ìng
vμ
§
N−íc
N¨ng l−îng ®Þa
ChuyÓn vËn
Giíi h¹n cña vßng ®¹i tuÇn hoμn ®Þa chÊt
Dßng n¨ng
Giíi h¹n cña vßng tiÓu
Dßng vËt
tuÇn hoμn sinh
11
H×nh 2.1. Quan hÖ gi÷a vßng ®¹i tuÇn hoµn ®Þa chÊt vµ tiÓu tuÇn hoµn sinh häc
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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)
VËt chÊt C¸c chÊt bµi tiÕt X¸c chÕt
S VËt tiªu thô bËc II
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
12
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).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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.
VËt tiªu thô III B4
VËt tiªu thô II B3
VËt tiªu thô I B2
VËt s¶n xuÊt B1
13
B1 » B2 » B3 » B4 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. 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. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
C¸c hîp chĘt h÷u c¬
C¸c hîp chÊt h÷u c¬ d¹ng hoµ tan hoµn toµn
d¹ng r¾n
Thuû ph©n
C¸c hîp chÊt h−ò c¬ d¹ng hoµ tan
Lªn men
Sunph¸t ho¸
Khö sunph¸t
Axeton ho¸
Axet¸t
axit bÐo + alcohol
Metan ho¸ ( g® a xÝt)
Carbonic (CO2)
Hydro (H2)
Sunphuar¬ (H2S) 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].
Metan ho¸
(g® thuû ph©n)
Metan (CH4)
14
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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Nit¬ khÝ quyÓn ChÊt h÷u c¬ thùc vËt
Cè ®Þnh
Linin Xenlul« Pectit vµ polypeptit
Cè ®Þnh
Cè ®Þnh Nh©n ®· bÞ ph©n huû Glucoza Xenlobioza §−êng ®a ph©n tö
Vi sinh vËt
+ Nh©n polyphenol Axit h÷u c¬ R−îu CO2 + Nhãm gluxit
+ Nhãm chÊt cã Nit¬ V« c¬ ho¸ Mïn
CO2 + H2O
Qu¸ tr×nh ph©n huû h¸o khÝ ( V« c¬ ho¸ )
H×nh 2.5. S¬ ®å qu¸ tr×nh ph©n gi¶i hiÕu khÝ
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- VËt ph©n huû (vi sinh vËt) cã kh¶ n¨ng chuyÓn hãa toµn phÇn hoÆc mét phÇn nh÷ng chÊt hãa häc kh¸c nhau ë tr×nh ®é kh¸c nhau (m«i tr−êng thñy sinh, ®Êt tÇng trÇm tÝch, tr¹m lµm s¹ch b»ng sinh häc...). C¸c c¬ chÕ ho¹t ®éng phô thuéc rÊt lín vµo b¶n chÊt c¸c chÊt, c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng vµ c¸c vi khuÈn cã liªn quan. Cã thÓ nãi mét c¸ch tæng quan, sù ph©n gi¶i sinh häc ®−îc biÓu hiÖn b»ng sù ®¬n gi¶n hãa dÇn cña cÊu tróc hãa häc, víi sù kho¸ng hãa cacbon (d−íi d¹ng CO2) vµ sù h×nh thµnh c¸c thÓ chuyÓn hãa cã träng l−îng ph©n tö nhá, s½n cã cho sù tæng hîp c¸c thµnh phÇn tÕ bµo. ` 2-) lµ nguån chÝnh Ph©n huû sinh häc cña c¸c hîp chÊt chøa l−u huúnh: C¸c sunfat (SO4 cña l−u huúnh cã s½n cho c¸c sinh vËt. Nh÷ng sunfat ®ã ®−îc c¸c c©y hÊp thô ®Ó t¹o ra c¸c axit amin l−u huúnh (metionin, xis-tª-in...). Nh÷ng chÊt th¶i h÷u c¬ t¹o ra bëi chu tr×nh sèng cña c¸c c©y ®ã bÞ ph©n hñy bëi c¸c vi khuÈn chóng phãng thÝch sunfua hydro (H2S). Ngoµi ra, c¸c vi huÈn (thuéc chñng sunfovibrio) cã thÓ s¶n sinh ra H2S tõ sunfat. Mét sè vi khuÈn kh¸c
15
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
2-, lµm cho l−u huúnh l¹i cã s½n cho nh÷ng vËt sinh s¶n ra.
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (beggiatoa) cã thÓ chuyÓn H2S thµnh l−u huúnh (5) c¬ b¶n. Ng−îc l¹i nh÷ng vi khuÈn cã kh¶ n¨ng oxi hãa trë l¹i H2S thµnh SO4
Nh− vËy, nh÷ng chÊt th¶i th¹ch cao (th¹ch cao: SO4Ca, 2H2O) vµ c¸c phÕ th¶i h÷u c¬
lªn men ®−îc coi lµ nguån gèc cña sù ph¸t ra nhiÒu chÊt H2S vµ c¸c chÊt khÝ ®éc h¹i kh¸c. S¬ ®å chuyÓn ho¸ sinh häc cña c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa l−u huúnh ®−îc thÓ hiÖn ë H×nh 2.6.
Sunfat SO4 ChÊt thùc vËt axit amin l−u huúnh
H2S
BiÕn ®æi sinh häc
S
HÊp thô H×nh 2.6. S¬ ®å chuyÓn ho¸ sinh häc cña c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa l−u huúnh
øng dông cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ sinh häc trong t¸i chÕ phÕ liÖu : VÒ vÊn ®Ò phÕ liÖu viÖc ¸p dông c¸c kü thuËt sinh häc hiÖn ®¹i ë 2 ph−¬ng thøc: 1) Cho vµo trong m«i tr−êng vi sinh, sö dông c«ng nghiÖp trong hÖ thèng kÝn (H×nh 2.7a.)
Nguyªn liÖu bï thªm chÊt dinh d−ìng
C«ng nghÖ Sinh häc c«ng nghiÖp
S¶n phÈm ChÊt th¶i ra trong N−íc, kh«ng khÝ, ®Êt Ph©n th¶i vi sinh vËt vµo m«i tr−ęng
Vi sinh míi ®−a thªm vµo 2) Sö dông nh÷ng vi khu(cid:31)n míi trong c¸c kü thuËt xö lý ch(cid:31)t th¶i (H×nh 2.7b.)
Vi khuÈn tiªu thô « nhiÔm
ChuyÓn ho¸ chÊt « nhiÔm Hîp chÊt CO2, H2O, N2 ChÊt chuyÓn ho¸ d¹ng ph©n gi¶i cña ph©n tö « nhiÔm
16
Vi khuÈn míi ph¸t th¶i vµo trong m«i tr−êng
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Qu¸ tr×nh khö « nhiÔm ®Êt b»ng c¸ch sö dông c¸c vi khuÈn ®Æc dông cho sù ph¸ hñy c¸c ph©n tö h÷u c¬ mµ khëi ®Çu lµ kh«ng ph©n hñy nh− c¸c chÊt clo h÷u c¬ chÝnh lµ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ chÊt th¶i theo ph−¬ng thøc thø hai. Mèi quan hÖ gi÷a sinh khèi vµ nång ®é sinh häc ®−îc thÓ hiÖn ë H×nh 2.8.
B4
B3
B1
B2
C4 C3 C2 C1
H×nh th¸p sinh khèi H×nh th¸p cña nång ®é
B1 » B2 » B3 » B4 C4 » C3 » C2 » C1 H×nh 2.7. S¬ ®å minh ho¹ vÒ nång ®é sinh häc trong mèi quan hÖ víi h×nh th¸p sinh khèi Sinh khèi ban ®Çu (cña ®èi t−îng sinh s¶n ra) hay mét m¾t xÝch trung gian (thÝ dô ®éng vËt ¨n cá) cã thÓ bÞ nhiÔm ®éc bëi mét chÊt hãa kh«ng thÓ hñy sinh häc mµ ®−îc l−u chuyÓn theo vËt lý häc trong chuçi thøc ¨n (thÝ dô hßa tan trong mì).
HiÖn t−îng x©m nhËp vµ tÝch tô sinh häc ®−îc nhiÒu lo¹i chÊt tù nhiªn lµ nguån gèc cña nhiÒu vÊn ®Ò ngé ®éc (thñy ng©n, DDT, pyralen...) g¾n liÒn víi sù ph©n t¸n trong kh«ng khÝ, n−íc hay trªn ®Êt cña c¸c chÊt « nhiÔm h÷u c¬ tæng hîp hay c¸c chñng lo¹i kim lo¹i theo c¸c nång ®é sinh häc kh¸c nhau. ThÝ dô sù kiÖn ë vÞnh Mianamata ë NhËt B¶n vÒ « nhiÔm g©y ra bëi thuû ng©n ( hµng tr¨m ng−êi chÕt vµ hµng ngµn ng−êi bÞ tµn phÕ) . Thuû ng©n ®−îc th¶i vµo biÓn tõ nguån th¶i c«ng nghiÖp ®· ®−îc tÝch tô l¹i trong c¸c chuçi dinh d−ìng biÓn. Sù tÝch tô trong c¸ lµ 500.000 cao h¬n trong n−íc biÓn. C¸c ng− d©n ¨n ph¶i c¸ ®¸nh b¾t trong vïng vÞnh bÞ « nhiÔm thuû ng©n vµ bÞ ngé ®éc. 2.2.2. C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ( vßng tuÇn hoµn vËt chÊt ) trong tù nhiªn Vßng tuÇn hoµn cña n−íc, c¸cbon vµ oxy : B¶n chÊt cña chu tr×nh n−íc lµ qu¸ tr×nh bay h¬i vµ ng−ng tô. D−íi t¸c ®éng cña ¸nh s¸ng mÆt trêi, n−íc tõ ao, hå, s«ng, suèi, biÓn bèc h¬i vµo khÝ quyÓn.
H¬i n−íc khi gÆp kh«ng khÝ l¹nh ng−ng tô l¹i thµnh m©y, m©y tËp trung l¹i ®Õn mét møc nµo
®ã g©y ra m−a, n−íc m−a r¬i xuèng mét phÇn ngÊm vµo ®Êt mét phÇn ®æ vµo c¸c dßng ch¶y,
s«ng hå vµ qu¸ tr×nh bèc h¬i l¹i tiÕp tôc. Cø nh− vËy n−íc lu©n chuyÓn thµnh vßng tuÇn hoµn.
N−íc tham gia vµo chuçi thøc ¨n, c©y hót n−íc tõ lßng ®Êt, c¸c sinh vËt còng ®Òu ph¶i sö dông
n−íc trong c¸c ho¹t ®éng sèng cña m×nh vµ th«ng qua qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt mét phÇn n−íc
17
l¹i trë vÒ khÝ quyÓn hoÆc ®Êt. Trong c¬ thÓ sinh vËt dÞ d−ìng c¶u c¸c sinh vËt dÞ d−ìng yÕm khÝ th× c¸c hîp chÊt h÷u c¬ ®−îc ph©n gi¶i thµnh n−íc, CO2 vµ muèi kho¸ng, chóng l¹i tiÕp tôc ®−îc sö dông bëi c¸c sinh vËt tù d−ìng ( H×nh 2.8).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
H×nh 2.8. S¬ ®å tuÇn hoµn cña n−íc cacbon vµ «xi
vi khuÈn nèt sÇn
18
vi khuÈn t¶o lam C¸c vi khuÈn cè ®Þnh nit¬
Vßng tuÇn hoµn cña Nit¬ ( Chu trinh Ni t¬ ) : Ni t¬ lµ nguån dinh d−ìng cã kh¶ n¨ng g©y ra hiÖn t−îng ph× d−ìng ( Eutrophication) g©y « nhܪm nguån n−íc. MÆt kh¸c ni t¬ lµ mét thµnh phÇn c¬ b¶n cña protein trong tÕ bµo cña c¸c sinh vËt. C¸c sinh vËt tiÕp nhËn n¨ng l−îng - ®Ó lµm nguån dinh d−ìng. tõ thùc vËt, nh−ng thùc vËt chØ cã thÓ hÊp thô ni t¬ d−íi d¹ng NO3 Nh− vËy trong hÖ sinh th¸i, c¸c loµi tån t¹i vµ ph¸t trتn t−¬ng hç víi nhau. NÕu nh− trong hÖ sinh th¸i ( ch¼ng h¹n hÖ sinh th¸i thuû vùc, hµm l−îng ni t¬ lín sÏ lµm cho c¸c loµi rong , t¶o ph¸t triÓn m¹nh vµ g©y nªn hiÖn t−îng « nhܪm lÇn hai cho b¶n th©n nguån n−íc. S¬ ®å tuÇn hoµn cña ni t¬ ®−îc tr×nh bµy ë H×nh 2.9. Vßng tuÇn hoµn cña ni t¬ bao gåm c¸c qu¸ tr×nh c¬ b¶n sau: Qu¸ tr×nh cè ®Þnh nit¬: ë giai ®o¹n ®Çu , mét l−îng nhá cña nit¬ trong khÝ quyÓn ®−îc cè ®Þnh nhê ¸nh s¸ng vµ sù bøc x¹ vò trô. ë giai ®o¹n hai, mét phÇn kh«ng ngõng t¨ng lªn ®−îc cè ®Þnh bëi c¸c “qu¸ tr×nh c«ng nghiÖp” nhê sù ho¹t ®éng cña c¸c vi khuÈn cè ®Þnh nit¬ th«ng qua con ®−êng cè ®Þnh sinh häc. Th«ng qua qu¸ tr×nh cè ®Þnh nit¬, nit¬ ph©n tö ®−îc chuyÓn ho¸ tíi møc amonia (NH3) hoÆc amino (- NH2), c¸c d¹ng nµy tiÕp tôc ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa c¸cbon (c¸c hydrat carbon) theo con ®−êng sinh häc. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Kh«ng khÝ
N 2
Cè ®Þnh SH
Khö nitrat ho¸
Cè ®Þnh trong CN
Cè ®Þnh trong khÝ quyÓn
N O 2
NO, NO2
N
Trong chÊt v« c¬
NO 3 -
3NH
®
-NO2
H×nh 2.9. S¬ ®å chu tr×nh Ni t¬
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - - vµ NO3 Qu¸ tr×nh nit¬r¸t hãa: C¸c chÊt h÷u c¬ d¹ng NH3 ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh d¹ng NO2 bëi c¸c vi khuÈn tù d−ìng hiÕu khÝ nh− Nitromonas, Nitrobacteria. Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ nµy ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh nit¬rat ho¸. Vßng vËt chÊt ®−îc khÐp kÝn vµ hoµn thiÖn bëi qu¸ tr×nh khö nitorat ®Ó gi¶m l−îng NO3 chuyÓn hãa thµnh d¹ng ni t¬ ph©n tö. Chu tr×nh phèt pho: Phèt pho còng lµ mét trong nh÷ng nguyªn tè rÊt cÇn thiÕt cho sù sèng, vµ lµ nguån gèc cña sù « nhiÔm nguån n−íc mµ chóng ta sÏ th¶o luËn vÒ sau nµy. ViÖc sö dông qu¸ nhiÒu c¸c chÊt tÈy röa, c¸c ph©n ho¸ häc g©y ra viÖc ph¸t triÓn qu¸ tèt cña c¸c lo¹i thùc vËt trong vùc n−íc vµ v× thÕ g©y « nhiÔm lÇn 2 cho b¶n th©n nguån n−íc. S¬ ®å vßng tï©n hoµn cña phèt pho ®−îc tr×nh bµy ë H×nh 2.10. Nguån xuÊt ph¸t chÝnh cña phèt pho lµ tõ c¸c t¶ng ®¸ phèt ph¸t, c¸c chÊt l¾ng ®äng phèt ph¸t tù nhiªn cña c¸ vµ c¸c lo¹i ®éng vËt ho¸ th¹ch. Phèt pho ®−îc chuyÓn tõ c¸c d¹ng ®¸ t¶ng bëi sù xãi mßn hoÆc khai má vµo vßng tuÇn hoµn cña n−íc vµ c¸c chuçi thøc ¨n n¬i mµ nã cã thÓ ®−îc tuÇn hoµn / quay vßng trong giai ®o¹n ng¾n ngñi nh−ng råi sau ®ã nã bÞ kÕt thóc ë trong c¸c chÊt båi l¾ng d−íi ®¸y biÓn s©u n¬i mµ nã bÞ mÊt m¸t cho ®Õn khi c¸c ho¹t ®éng ®Þa chÊt cã thÓ n©ng/kÐo nã lªn lÇn n÷a. Mét l−îng phèt pho ®−îc quay trë l¹i mÆt ®Êt
19
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Chuçi thøc ¨n §¸ phèt ph¸t ho¸ th¹ch
Xãi mßn khai kho¸ng Tæng hîp nªn c¸c nguyªn sinh chÊt cña tÕ bµo
C¸c vi khuÈn phèt ph¸t ho¸
Phèt ph¸t hoµ tan
C¸c chÊt båi l¾ng ë c¸cvùc n−íc c¹n (biÓn c¹n)
BÞ mÊt m¸t ë c¸c vùc s©u
H×nh 2.10. S¬ ®å Chu tr×nh Phèt pho
Ngoµi ra cßn 1 sè con ®−êng kh¸c : VÝ dô : con ®−êng vËn chuyÓn trùc tiÕp tõ sinh vËt
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- bëi ph©n / chÊt bµi tiÕt cña c¸c loµi chim biÓn hoÆc c¸c loµi c¸ nh−ng hÇu hÕt lµ l−îng phèt pho bÞ mÊt m¸t. V× phèt pho lµ nguån kh«ng thÓ t¸i t¹o l¹i ®−îc nªn ®iÒu quan träng lµ nã cã thÓ kÐo dµi trong bao l©u tr−íc khi nguån dù tr÷ bÞ c¹n kiÖt. NÕu nh− thÕ giíi liªn tiÕp tiªu thô mét l−îng ®¸ phèt ph¸t nh− tèc ®é cña 1970 (kho¶ng 94 triÖu tÊn / n¨m) th× nguån dù tr÷ cña thÕ giíi cã thÓ kÐo dµi ®−îc 100 n¨m (theo th«ng tin cña bé néi vô Mü) Chim biÓn C¸ C¸c con ®−êng hoµn l¹i vËt chÊt cho tù nhiªn: Trong chuçi thøc ¨n, sinh vËt sö dông c¸c chÊt tù nhiªn t¹o nªn sinh khèi cña chóng vµ theo chu tr×nh khÐp kÝn chóng l¹i hoµn l¹i c¸c chÊt cho tù nhiªn b»ng c¸c con ®−êng kh¸c: con ®−êng bµi tiÕt, x¸c chÕt (H×nh 2. 11). + Con ®−êng bµi tiÕt : sù bµi tiÕt s¬ cÊp cña ®éng vËt vµ sù ph©n gi¶i phÕ liÖu cña vi khuÈn. §©y lµ con ®−êng chÝnh ®èi víi chuçi thøc ¨n ch¨n nu«i. + Ph©n gi¶i phÕ liÖu : Cßn ®èi víi chuçi thøc ¨n phÕ th¶i th× con ®−êng thø 2 (ph©n gi¶i phÕ liÖu) lµ con ®−êng chñ yÕu. nµy sang sinh vËt kh¸c nhê vi sinh vËt céng sinh. C¸c con ®−êng t¹o chu tr×nh khÐp kÝn ®Ó thùc hiÖn c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng cho c¸c hÖ sinh th¸i kh¸c trong tù nhiªn, ®Ó hÖ sinh th¸i æn ®Þnh qu¸ tr×nh hoµn vËt chÊt ph¶i nhanh (cµng
20
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
VÝ dô : C¸c c«ng tr×nh xö lý n−íc th¶i, c¸c biÖn ph¸p vít r¸c, nghiÒn r¸c lµ biÖn ph¸p
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- nhanh cµng æn ®Þnh). HiÖn nay, dïng ph−¬ng ph¸p c−ìng bøc (nhê t¸c ®éng cña con ng−êi) ®Ó t¨ng c−êng sù hoµn l¹i vËt chÊt cho tù nhiªn. nh©n t¹o t¨ng c−êng sù hoµn l¹i vËt chÊt cho tù nhiªn).
ChÊt hßa tan
Con ®−êng I
Thùc vËt
Bµi tiÕt §éng vËt ¨n cá
Con ®−êng
II
Bµi tiÕt §éng vËt ¨n thÞt
PhÕ liÖu h÷u c¬ Sinh vËt ¨n phÕ liÖu
CHC Oxi hãa cña VSV
Bµi tiÕt VSV Sinh vËt ¨n sinh vËt
H×nh 2.11. S¬ ®å c¸c con ®−êng hoµn l¹i vËt chÊt cho tù nhiªn
2.2. Chu tr×nh Carbon vµ nh÷ng rèi lo¹n vËn hµnh 2.2.1. Chu tr×nh cacbon trong sinh quyÓn Carbon lu«n tån t¹i d−íi hai d¹ng: 1) ë tr¹ng th¸i r¾n d−íi d¹ng cacbonat. §ã lµ tr−êng hîp ®Æc biÖt cña ®¸ v«i (CaCO3) cã mét tr÷ l−îng v« cïng lín ë nhiÒu vïng.
21
2) ThÓ khÝ d−íi d¹ng khÝ cacbonic (CO2): MÆc dÇu nång ®é cña Carbon trong khÝ quyÓn rÊt nhá (trung b×nh lµ 320 ppm) nh−ng khÝ cacbonic, do c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh quang hîp, lµ nguån nguyªn liÖu s¶n xuÊt ra chÊt h÷u c¬ sèng do thùc vËt hiÖn. Ng−êi ta −íc l−îng kho¶ng h¬n 160 tû tÊn chÊt h÷u c¬ kh« ®−îc s¶n sinh ra h»ng n¨m trªn toµn lôc ®Þa, t−¬ng øng víi nhiÒu chôc tû tÊn cacbonic. V× r»ng hµm l−îng cacbonic hÇu nh− cè ®Þnh trong
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- khÝ quyÓn (chØ trong vµi chôc n¨m gÇn ®©y cã dÊu hiÖu t¨ng lªn g©y ra hiÖu øng nhµ kÝnh) ng−êi ta cho r»ng khÝ cacbonic cßn bÞ mét bÓ hÊp thô kh¸c cu«ns hót, ®ã lµ biÓn. Hµm l−îng cacbonic hßa trong n−íc ®¹i d−¬ng cao gÊp 50 lÇn so víi khèi l−îng cacbonic trong khÝ quyÓn.
CO2 + H2O + CaCO3 Hßa tan Ca(HCO3) hydro cacbonat canxi
Hydro cacbonat canxi bÞ cuèn tr«i ra biÓn bëi dßng n−íc bµo mßn mÆt ®¸ vµ sÏ hoµn nguyªn d−íi d¹ng can-xit vµ ®¸ v«i CaCO3 trong vá c¸c loµi sß hÕn vµ x−¬ng c¸c ®éng vËt biÓn, vµ ®ã lµ nguån gèc cña sù h×nh thµnh tr÷ l−îng v« tËn cña c¸c trÇm tÝch. Hai qu¸ tr×nh sinh häc c¬ b¶n t¹o ®iÒu kiÖn cho qu¸ tr×nh chu chuyÓn cacbon trong sinh quyÓn, ®ã lµ qu¸ tr×nh quang hîp vµ h« hÊp:
monosaccarit n O2 + Cn(H2O)n n kcal (h)
nkcal nO2 + Cn(H2O)n nCO2 + nH2O
Qu¸ tr×nh quang hîp ®−îc thùc vËt thùc hiÖn d−íi t¸c dông cña n¨ng l−îng mÆt trêi víi sù tham gia cña diÖp lôc tè. VÝ dô tr−êng hîp t¹o gluxit: nCO2 + nH2O H« hÊp lµ hiÖn t−îng ng−îc l¹i víi qu¸ tr×nh quang hîp. Qu¸ tr×nh nµy t¹o nªn nguån n¨ng l−îng ®¶m b¶o cho duy tr×, ph¸t triÓn vµ t¸i s¶n xuÊt cña thùc vËt, ®éng vËt: Qu¸ tr×nh h« hÊp g©y ra hiÖu øng hoµn toµn ®èi nghÞch víi qu¸ tr×nh quang hîp.
Thùc tÕ kh«ng ph¶i tÊt c¶ chÊt h÷u c¬ quang hîp ®−îc ®Òu ®−îc trùc tiÕp tiªu thô trong qu¸ tr×nh h« hÊp vµ d©y chuyÒn thùc phÈm. Nh÷ng r¸c r−ëi, chÊt th¶i bµi tiÕt, nh÷ng c©y chÕt, x¸c ®éng vËt tÝch tô l¹i trong nhiÒu thêi kú dµi ng¾n, ®Æc biÖt lµ ë c¸c líp ®Êt vµ m«i tr−êng n−íc.
22
Trong nhiÒu tr−êng hîp, x¸c vµ m¶nh vôn cña thùc vËt tÝch tô g©y ra sù tr× trÖ cña cacbon v× nh÷ng chÊt ®ã, mét phÇn bÞ ®éng vËt thùc vËt trong ®Êt biÕn thµnh mét chÊt h÷u c¬ míi, ®ã lµ chÊt mïn, mµ sù ph©n gi¶i chÊt nµy Ýt nhiÒu bÞ chËm l¹i. S¬ ®å ®¬n gi¶n ho¸ cña chu tr×nh tù nhiªn vµ b¸n chu tr×nh t¸c nh©n cña carbon ®−îc thÓ hiÖn ë H×nh 2.12.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
5
C©n b»ng kh«ng khÝ/n−íc CO2 khÝ quyÓn
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Quang hîp KhÝ kh¸c
S¶n phÈm h÷u c¬ tæng hîp
H« hÊp
Ph©n t¸n trong m«i tr−êng
Dïng n¨ng l−îng (qu¸ tr×nh ®èt ch¸y )
Nit¬
Ph¸ vì hîp chÊt
Ho¸ läc dÇu Ho¸ läc than
V« c¬ ho¸ C«ng nghiÖp v«i, xim¨ng
D©y chuyÒn thøc ¨n
Nói löa
Nguån n¨ng l−îng Cacbon má
CHu tr×nh tù nhiªn B¸n chu tr×nh nh©n t¸c
23
HÊp thô l¹i bëi Clo ®¸ v«i H×nh 2.12. S¬ ®å ®¬n gi¶n ho¸ cña chu tr×nh tù nhiªn vµ b¸n chu tr×nh t¸c nh©n cña carbon Carbon Carbon C¸c rèi lo¹n di ®éng d−íi d¹ng kho¸ng chøc n¨ng kh¶ dÜ 2.2.2. Sù tr× trÖ cña chu tr×nh: NhiÒu khi d©y chuyÒn kh«ng ho¹t ®éng ®−îc do thiÕu kh«ng khÝ hoÆc do ®é axit qu¸ cao, lóc ®ã nh÷ng m¶nh chÊt h÷u c¬ tÝch tô l¹i d−íi d¹ng than n©u. Ng−êi ta coi ®ã lµ sù tr× trÖ cña chu tr×nh. Nh÷ng hiÖn t−îng nh− vËy chÝnh lµ ph−¬ng c¸ch h×nh thµnh nh÷ng má than, dÇu löa, khÝ ®èt thiªn nhiªn (vµ ®¸ v«i trong m«i tr−êng n−íc).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- C¸c chu tr×nh nh¸nh cña sù chu chuyÓn cacbon nãi chung ®ãng vai trß c¬ b¶n trong nh÷ng vÊn ®Ò m«i tr−êng hiÖn t¹i vµ ë mét møc ®é nµo ®ã, viÖc ph¸t hiÖn vµ khai th¸c c¸c má sÏ lµ nguån gèc g©y nªn sù rèi lo¹n chøc n¨ng cña c¸c chu tr×nh tù nhiªn. 2.2.3. Nh÷ng rèi lo¹n vËn hµnh cña chu tr×nh cacbon. Nh÷ng rèi lo¹n vËn hµnh chu tr×nh cacbon do ho¹t ®éng cña con ng−êi t¸c ®éng tíi cã 4 lÜnh vùc chÝnh :
1) Ph¸t triÓn m¹nh canh t¸c n«ng nghiÖp vµ ch¨n nu«i trong bèi c¶nh cña sù t¨ng d©n sè toµn cÇu , sù tËp trung d©n c¬ ®« thÞ. §iÒu nµy t¹o ra mét khèi l−îng khæng lå cña c¸c phÕ th¶i ( n−íc th¶i vµ ph©n th¶i chøa nhiÒu chÊt h÷u c¬ );
2) ViÖc ph¸ rõng t¸c ®éng ®Õn nhiÒu vïng trªn hµnh tinh dÉn ®Õn hËu qu¶ lµ lµm mÊt c©n b»ng sinh th¸i ë møc ®é cao (nh− hiÖu øng nhµ kÝnh) hoÆc lµm gia t¨ng xãi mßn ®Êt (2);
3) ViÖc khai th¸c nh÷ng tµi nguyªn má nh− than, dÇu má, khÝ thiªn nhiªn hay kÓ ®Õn ®¸ v«i, dÉn tíi nh÷ng hËu qu¶ nh−:
G©y ra n¹n thuû triÒu ®en do khai th¸c vµ vËn chuyÓn dÇu má (3). Sinh ra nh÷ng khÝ « nhiÔm (CO, CO2, NOX, SO2,...) Sinh ra nh÷ng chÊt « nhiÔm thÓ r¾n (nh− bôi, bå hãng...) do ®èt ch¸y (s−ëi, giao th«ng, s¶n xuÊt n¨ng l−îng nhiÖt, ®iÖn...) (4), (6).
ViÖc ph¸t triÓn ho¸ häc than vµ ho¸ häc dÇu má tõ ban ®Çu ng−êi ta ®· s¶n xuÊt hµng lo¹t chÊt h÷u c¬ tæng hîp kh¸c nhau (c¸c dung m«i, chÊt dÎo, chÊt mÇu, thuèc trõ s©u, d−îc phÈm,...) mµ kh«ng tÝnh ®Õn c¬ chÕ tù nhiªn cña qu¸ tr×nh ph©n huû (do ®Æc tÝnh kh«ng bÞ t¸c ®éng huû ho¹i bëi vi sinh vËt) ®· dÉn tíi nh÷ng hËu qu¶ ®éc h¹i sinh th¸i (5). MÆt kh¸c, sù ph©n t¸n trong khÝ quyÓn cña nh÷ng s¶n phÈm sinh ra do ®èt ch¸y chóng còng tham gia g©y « nhiÔm bÇu kh«ng khÝ Tr¸i §Êt. 2.2.4. Nh÷ng hËu qu¶ cña sù rèi lo¹n vËn hµnh carbon Toµn bé nh÷ng rèi lo¹n vËn hµnh dÉn tíi 3 lo¹i hËu qu¶ lín:
1) Nh÷ng « nhiÔm côc bé: « nhiÔm h÷u c¬ c¸c dßng n−íc vµ ao hå, b¶o d−ìng ho¸ m«i tr−êng, « nhiÔm oxy ho¸ c¸c líp d−íi cña khÝ quyÓn, thuû triÒu ®en, ph©n t¸n thu«c trõ s©u trong ®Êt vµ nguån n−íc, lµm bÈn d©y truyÒn thøc ¨n...;
2) Nh÷ng « nhiÔm toµn cÇu: hiÖu øng nhµ kÝnh ®−îc xÕp vµo hµng ®Çu trong lo¹i « nhiÔm nµy do sù tham gia cña khÝ cacbonic vµ mªtan. Còng cÇn ph¶i c¶nh b¸o r»ng khÝ CFC, thµnh phÇn chñ yÕu cña c¸c c¬ chÕ ph¸ ho¹i tÇng «z«n, lµ s¶n phÈm tæng hîp trªn c¬ së dÇu má;
24
3) Sù c¹n kiÖt thÊy tr−íc cña c¸c má: lµ hËu qu¶ cña nh÷ng rèi lo¹n chøc n¨ng chu tr×nh cacbon, nh÷ng « nhiÔm kh«ng ph¶i lµ nh÷ng hËu qu¶ duy nhÊt ph¶i ®−îc tÝnh ®Õn. Tõ nhiÒu thËp niªn, sù c¹n kiÖt cña c¸c nguån tµi nguyªn d−íi ®Êt nh− dÇu má, khÝ ®èt vµ than ®· trë thµnh m«i lo ng¹i lín. ChÝnh lµ trong bèi c¶nh ®ã h×nh thµnh
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- nh÷ng chiÕn l−îc tiÕn bé nh»m qu¶n lý nh÷ng phÕ liÖu ®· cacbon ho¸ cã nguån gèc thiªn nhiªn:
- Khai th¸c n¨ng l−îng tõ nh÷ng n¨ng l−îng ®ã (®èt, metan ho¸,...) - T¸i sinh chÊt dÎo (tiÕt kiÖm nguyªn liÖu c¬ b¶n dÇu má)
- Tæng hîp bëi sinh vËt biÓn. - Phun tù nhiªn do nøt ®Þa chÊt. - Sù ph©n gi¶i cña ®Êt vµ c¸c chÊt trÇm tÝch.
- 90% cacbua hydro - 6% hîp chÊt cã l−u huúnh - 2% hîp chÊt cã oxy - 1% hîp chÊt cã kim lo¹i vµ muèi.
- Alcan hay parafin (chuâi më cña cacbon no). - Naphten víi 1 hay nhiÒu vßng 5 hoÆc 6 cacbon. - C¸c hîp chÊt th¬m, hµm l−îng kh«ng lín nh−ng ®éc h¹i rÊt rx (toluen, benzen,
25
Cïng víi vÊn ®Ò phÕ liÖu, hai chiÕn l−îc cã tÝnh chÊt toµn cÇu h¬n ®−îc xem lµ cïng môc tiªu. §ã lµ nh÷ng chÝnh s¸ch tiÕt kiÖm n¨ng l−îng vµ mÆt kh¸c, trë l¹i cïng sinh khèi thùc vËt (t¸i sinh ®−îc) nh− mét nguån nguyªn liÖu cho n¨ng l−îng (gç, nhiªn liÖu sinh vËt, khÝ metan) hay nguyªn liÖu s¶n xuÊt c¸c vËt liÖu (chÊt dÎo...) VÝ dô 1: ¤ nhiÔm biÓn cacbua hydro (thñy triÒu ®en) Cã nh÷ng nguyªn nh©n tù nhiªn ®−a cacbua hydro vµo m«i tr−êng biÓn: Nh÷ng mÊt m¸t ®ã −íc l−îng kho¶ng 200.000 tÊn/n¨m coi nh− kh«ng ®¸ng kÓ so víi con sè tõ 3 - 5 triÖu tÊn do ho¹t ®éng cña con ng−êi lµm « nhiÔm biÓn (tai n¹n khi s¶n xuÊt dÇu, ®¾m tÇu chë dÇu, c¸c ®éng c¬ tÇu biÓn phãng ra, dÇu phÕ th¶i...). DÇu má th« chñ yÕu bao gåm c¸c chÊt sau ®©y: Ph©n lo¹i cacbua hydro gåm cã: benzopyren). Ngay sau khi dÇu má ®−îc ®−a vµo m«i tr−êng biÓn, cacbua hydro bÞ biÕn ®æi d−íi t¸c dông cña thiªn nhiªn theo c¸c qu¸ tr×nh: a) Qu¸ tr×nh vËt lý Lan truyÒn - Di chuyÓn: DÇu má lan truyÒn cho ®Õn khi h×nh thµnh mét mµng máng trªn bÒ mÆt n−íc. Søc chèng l¹i lan truyÒn t¨ng lªn cïng thêi gian vµ tÝnh chÊt ®Æc tr−ng cña dÇu má (tû träng, ®é nhít, søc c¨ng bÒ mÆt). Bay h¬i: Cho phÐp lµm gi¶m rÊt nhanh tõ 30 ®Õn 40% cacbua hydro tõ dÇu th«.Giã vµ sãng t¹o ra sù h×nh thµnh nh÷ng bät khÝ vµ mang ®i xa hµng tr¨m km. Hßa tan: MÆc dÇu ®é hßa tan cña dÇu má trong n−íc rÊt Ýt, song mét thÓ tÝch rÊt lín cho phÐp hßa tan cacbua hydro nhÑ nhÊt.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
26
Trong qu¸ tr×nh ph©n gi¶i, nh÷ng dÉn xuÊt oxy hãa ®−îc t¹o ra dÔ hßa tan h¬n chÊt ban ®Çu. Sù t¹o huyÒn phï: TÝnh chÊt kh«ng trén lÉn cña dÇu víi n−íc t¹o ra mét sù ph©n m¶nh trªn mÆt n−íc vµ h×nh thµnh huyÒn phï khi mÆt biÓn xao ®éng. Bät ®ã cã thÓ chøa tíi 80% n−íc. §ã lµ mét hçn hîp rÊt bÒn vµ Ýt bÞ ph©n gi¶i sinh vËt. TrÇm l¾ng: DÇu më khi chuyÓn xuèng gÇn ®¸y biÓn sÏ x¶y ra chñ yÕu qu¸ tr×nh hÊp thô cña nh÷ng giät dÇu nhá bëi c¸c h¹t l¬ löng trong n−íc (ohï sa, ®Êt sÐt, canxi) vµ lµm t¨ng lªn dÇn cña tû träng cña nh÷ng dÇu vèn rÊt nhÑ ban ®Çu. H¹t l¬ löng trong kh«ng khÝ Bèc h¬i O2 Mµng trªn bÒ mÆt n−íc M¹ch n−íc KÕt vãn cña h¾c Ýn HuyÒn phï Ph©n t¸n Phï du Sinh vËt ®¸y C¸c h¹t nÆng Quay trë l¹i bÒ mÆt TrÇm tÝch H×nh 2.13. Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ cña carbuahydro trong m«i tr−êng biÓn b) Qu¸ tr×nh hãa häc: Lµ nh÷ng ph¶n øng oxy hãa x¶y ra víi t¸c dông xóc t¸c cña ¸nh s¸ng vµ c¸c kim lo¹i. Nh÷ng ph¶n øng ®ã dÉn tíi sù t¹o thµnh c¸c aldehyd, xeton, axit cacboxilic.Thªm vµo ®ã, nh÷ng hiÖn t−îng cao ph©n tö hãa tham gia vµo sù t¹o ra nh÷ng ®¸m nhùa ®−êng. c) Qu¸ tr×nh sinh häc: Trong n−íc, líp trÇm tÝch cã c¸c vi sinh vËt, nÊm tÊn c«ng cacbua hydro, biÕn dÇn chÊt nµy thµnh nh÷ng chÊt ®¬n gi¶n (r−îu, axit, kÌm theo ®ã lµ khÝ cacbonic vµ n−íc) b»ng nh÷ng qu¸ tr×nh oxy hãa h¸o khÝ.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- C¸c t¸c ®éng cña « nhiÔm cacbua hydro: §éng vËt vµ thùc vËt lµ nh÷ng n¹n nh©n ®Çu tiªn cña d¹ng « nhiÔm ®ã. NhiÒu cuéc quan s¸t tiÕn hµnh nh©n dÞp c¸c vô tai n¹n kh¸c nhau cho thÊy thùc vËt phï du Ýt biÓu hiÖn nh÷ng ®iÒu bÊt th−êng nh−ng cßn sù thiÕu hôt ®éng vËt phï du ban ®Çu rÊt nghiªm träng nh−ng nhanh chãng ®−îc lÊp ®Çy. Nh÷ng h− h¹i ®èi víi líp ®¸ (t¶o, ®éng vËt) cã sù tr¸i ng−îc nhau: rÊt nhiÒu t¶o xanh, c¸c lo¹i ®éng vËt ¨n thùc vËt biÕn mÊt phÇn lín... ViÖc sö dông nh÷ng chÊt tÈy röa ®Ó röa ®¸ ®−a tíi sù nhiÔm chÊt ®éc ®èi víi c¸c loµi ®ã. ë tÇng cña quÇn thÓ nh÷ng loµi d−íi ®¸y, c¸c loµi cÇu gai (nhÝm biÓn), nh÷ng loµi vá kÐn, trai, sß (®èm), sß c¸t. §èi víi loµi c¸ vµ t«m cua, ng−êi ta nhËn xÐt thÊy r»ng sau mét lo¹t chÕt ban ®Çu, c¸c quÇn thÓ loµi ®ã l¹i phôc håi nh−ng cã nh÷ng hËu qu¶ l©u dµi: gÇy, èm, lë loÐt... Sù tÝch tô cacbua hydro ë líp ®¸y g©y ra nh÷ng hËu qu¶ nghiªm träng trung vµ dµi h¹n. Mét trong nh÷ng hiÖn t−îng bi ®¸t nhÊt cña sù « nhiÔm lµ c¸i chÕt cña c¸c loµi chim bÞ dÝnh vµo nhùa ®−êng/h¾c Ýn, ®Æc biÖt lµ nh÷ng loµi chim bæ nhµo t×m måi vµ nh÷ng loµi chim sèng trªn biÓn (chim c¸nh côt, cß, v¹c...). Thªm vµo ®ã, cÇn ph¶i kÓ tíi sù mÊt m¸t c¸c loµi cã vó sèng ë biÓn (h¶i cÈu, c¸ voi, c¸ heo...). Cuèi cïng cÇn ph¶i chó ý r»ng « nhiÔm cacbua hydro khèi l−îng lín trong mét sè tr−êng hîp cã thÓ g©y ®éc cho ng−êi vÒ ®−êng h« hÊp. Nh−ng hîp chÊt bay h¬i, tan m¹nh trong chÊt bÐo, tÊn c«ng vµo mµng phæi. Cã nh÷ng triÖu chøng kh¸c nhau ®· ®−îc ph¸t hiÖn, ®Æc biÖt lµ ë nh÷ng ng−êi cã nhiÖm vô chèng thñy triÒu ®en: buån n«n, chãng mÆt... Xö lý nh÷ng chÊt th¶i g©y « nhiÔm bëi cacbua hydro: Nh÷ng chÊt th¶i thu ®−îc trong c¸c kh©u tuú tõng vô tai n¹n lµ mét vÊn ®Ò kü thuËt ë tr×nh ®é kh¸c nhau:
- Thu gom tr−íc khi xö lý vµo nh÷ng ®Þa ®iÓm t¹m thêi vµ bÞt kÝn gÇn n¬i bÞ « nhiÔm; - VËn chuyÓn ®Õn gÇn c¸c trung t©m xö lý b»ng tµu thuû hay xe löa (dïng xitÐc cho chÊt láng vµ toa chë hµng cho c¸c vËt liÖu th¶i r¾n);
- ViÖc xö lý c¸c chÊt láng th−êng ®−îc thùc hiÖn trong nh÷ng tr¹m th¸o dì cã c¸c trang thiÕt bÞ chi phÐp t¸ch chÊt th¶i dÇu vµ nh·o ra khái pha láng. Pha dÇu do nh÷ng ®Æc tÝnh riªng, th−êng g©y ra nhiÒu trôc trÆc cho thiÕt bÞ, bÝt, t¾c,...
- ViÖc xö lý c¸c chÊt th¶i r¾n. V× nhiÒu lý do kh¸c nhau (khi bèc dì ®ßi hái rÊt thËn träng vµ cho thÊy rÊt nguy hiÓm) qu¸ tr×nh ph©n gi¶i sinh häc cña nh÷ng chÊt r¾n cÆn dÇu má (rÊt bÈn) h·y cßn ch−a chÊm døt. Qu¸ tr×nh ®èt cho ®Õn ngµy nay vÉn ch−a ®−îc dïng mét c¸ch cã hiÖu qu¶ víi sè l−îng lín trong nh÷ng tr¹m xö lý t¹i chç chñ yÕu v× nh÷ng khã kh¨n trong viÖc cho vµo lß ®èt vµ v× hµm l−îng muèi qu¸ lín trong chÊt th¶i.
27
Mét trong nh÷ng gi¶i ph¸p cã hiÖu qu¶ nhÊt cã thÓ thùc hiÖn ®−îc lµ lµm ®Æc c¸c chÊt th¶i b»ng thªm chÊt liªn kÕt (v«i ch¼ng h¹n) hoÆc lµm t¸ch thµnh 3 pha (dÇu, n−íc, chÊt r¾n) sau ®ã xö lý tõng pha. VÝ dô 2: C«ng nghiÖp ho¸ dÇu vµ c¸c chÊt høu c¬ tæng hîp
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
- C¸c olefin (cacbua hydro kh«ng no, cã mét liªn kÕt -C=C-) (etylen, propylen,
- Nh÷ng hîp chÊt th¬m (benzen, toluen, xylen...)
Ho¸ häc dÇu má vµ khÝ thiªn nhiªn
Butadien
Amoniac
Benzen
Toluen
Etyle Propylen
Xylennyle n
C¸c hîp chÊt trung gian
C¸c s¶n phÈm kh¸c
C¸c ph¶n øng chÝnh
-
Thuèc trõ s©u, diÖt nÊm,
Sîi tæng hîp Cao su ChÊt dÎo C¸c dung m«i Ph©n bãn
- - - - -
- - - - -
Ch¾t mÇu D−îc phÈm ChÊt th¬m ChÊt chèng keo tô
- - - -
- diÖt c«n trïng - - - -
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hãa häc dÇu má hay gäi t¾t lµ hãa dÇu ®· tr¶i qua mét qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cùc kú nhanh tõ nh÷ng n¨m 1960 vµ ®· cho phÐp ngµnh hãa häc ®−a ra ®−îc mét lo¹t nh÷ng s¶n phÈm míi (chÊt dÎo, dung m«i, chÊt mµu, thuèc trõ s©u, keo dÝnh, vecni...). Nh÷ng chÊt hãa häc trung gian thu ®−îc b»ng con ®−êng ch−ng crac-kinh (qu¸ tr×nh lµm ®Êt m¹ch c¸c ph©n tö lín cã xóc t¸c) dÇu th« ®−îc ph©n lµm 2 lo¹i: butadien). Nh÷ng chÊt hãa häc trung gian ®ã ®−îc dïng ®Ó s¶n xuÊt rÊt nhiÒu s¶n phÈm tiªu dïng trong c¸c ngµnh vµ trong ®êi sèng hµng ngµy (H×nh 2.14 ). S¶n xuÊt, sö dông, th¶i bá tÊt c¶ nh÷ng hîp chÊt ®ã ®Òu g©y « nhiÔm hoÆc cho ®Êt, hoÆc cho m«i tr−êng n−íc, vµ kh«ng khÝ còng nh− cho ®éng, thùc vËt.
H×nh 2.14. C¸c s¶n phÈm dÉn xuÊt cña dÇu má
28
Nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ bay h¬i: Nãi mét c¸ch ®¬n gi¶n, nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ bay h¬i lµ nh÷ng chÊt g©y « nhiÔm thu hót sù chó ý cña nhµ lËp ph¸p. C¸c chÊt nµy ®−îc dïng chñ yÕu lµm nhiªn liÖu, dung m«i hßa tan c¸c s¶n phÈm ®Ó khuyÕch t¸n ra m«i tr−êng (nh− trong c«ng viÖc in) nh÷ng chÊt dÉn xuÊt cacbua hydro.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
- KhÝ x¶ (kho¶ng 82%) - KhÝ bay h¬i (c¸c bån chøa vµ chÕ hßa khÝ) kho¶ng 14% - N¹p c¸c bån chøa, kho¶ng 3%. - C¸c ph−¬ng tiÖn vËn t¶i ngoµi ®−êng bé kho¶ng 1%.
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- C¸c ph−¬ng tiÖn giao th«ng vËn t¶i s¶n sinh ra ë Ph¸p kho¶ng 1 triÖu tÊn chÊt h÷u c¬ bay h¬i hµng n¨m, ph©n bè nh− sau: C¸c dung m«i cã trong c¸c lo¹i s¬n vµ vecni ®Òu bay h¬i ngay trong khi sö dông, chiÕm gÇn nöa tæng l−îng c¸c dung m«i bay h¬i. C¸c lo¹i s¬n mçi n¨m sinh ra kho¶ng 300.000 tÊn dung m«i táa vµo khÝ quyÓn. V× vËy ng−êi ta hiÓu rÊt râ lîi Ých cña viÖc dïng c¸c lo¹i s¬n kh«ng dung m«i h÷u c¬ (s¬n n−íc) vµ tÇm quan träng, vÒ ph−¬ng diÖn sinh th¸i, cña nh÷ng thiÕt bÞ hót, t¸i sinh dung m«i trong c¸c xÝ nghiÖp s¬n. Cïng tån t¹i nh÷ng nguån chÊt h÷u c¬ bay h¬i quan träng kh¸c. Nh÷ng nhµ m¸y in sinh ra kho¶ng 30.000 tÊn/n¨m; viÖc tinh chÕ vµ cÊt tr÷ cacbuahydro 45.000 tÊn/n¨m vµ sù ch¸y kh«ng hÕt ë c¸c lß s−ëi gia dông hay c«ng céng ë ®« thÞ. Nh÷ng chÊt cacbua hydro g©y hËu qu¶ ®èi víi m«i tr−êng, thuéc vÒ c¸c hîp chÊt cacbua hydro th¬m vµ cacbua hydro th¬m nhiÒu vßng, bao gåm tÊt c¶ nh÷ng hîp chÊt bay h¬i chøa mét vßng trong ph©n tö (benzen, phenol, naphtalin...). Cã hai hËu qu¶ ®èi víi m«i tr−êng lµ: - Nh−ng hËu qu¶ g©y ®éc h¹i (rèi lo¹n di truyÒn, ung th−) ®èi víi ng−êi vµ ®éng vËt. - Gi÷ vai trß quan träng trong sù h×nh thµnh s−¬ng mï g©y oxy hãa. Nh÷ng chÊt nµy can thiÖp vµo chuçi ph¶n øng hãa häc dÉn tíi sù t¹o thµnh s−¬ng mï d−íi d¹ng peroxyaxetyl nitrat (PAN). Nh÷ng s¶n phÈm kh¸c cña Hãa dÇu: Cïng víi nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ bay h¬i, c¸c s¶n phÈm dÇu má kh¸c còng cã mét t¸c ®éng quan träng lªn m«i tr−êng. §ã lµ c¸c lo¹i chÊt dÎo, PCB, c¸c chÊt tÈy röa, c¸c lo¹i thuèc trõ s©u, c¸c lo¹i phenol... Ta h·y xem xÐt tr−êng hîp c¸c lo¹i thuèc trõ s©u lµm vÝ dô. Thuèc trõ s©u chiÕm mét vÞ trÝ ®éc ®¸o trong sè nh÷ng chÊt g©y « nhiÔm m«i tr−êng. Ng−îc l¹i víi nh÷ng chÊt g©y « nhiÔm kh¸c nh− thuèc trõ s©u ®−îc con ng−êi sö dông ®Ó diÖt mét sè loµi s©u h¹i. DiÖn tÝch ®Êt bÞ c¸c lo¹i ho¸ chÊt nµy r¶i lªn trªn tr¸i ®Êt lµ kh¸ lín (ë n−íc Ph¸p 39% l·nh thæ bÞ r¶i). 2.3. Chu tr×nh nit¬ vµ nh÷ng rèi lo¹n vËn hµnh 2.3.1. Sù chuyÓn ho¸ cña Nit¬
- vµ nitrat (NO3
+, nitrit NO2
29
KhÝ nit¬ (N2) lµ mét lo¹i khÝ kh«ng mµu, kh«ng mïi, lµ thµnh phÇn cÊu t¹o chñ yÕu cña khÝ quyÓn, chiÕm tíi 3/4 thÓ tÝch. VÒ phÝa ®Þa quyÓn vµ thuû quyÓn: tÇm quan träng ®Ýnh tÝnh kh«ng ®¸ng kÓ. Vai trß cña N ë ®©y lu«n lu«n lµ chñ yÕu, bëi v× nã lµ thµnh phÇn cÊu t¹o c¬ b¶n cña vËt chÊt sèng: c¸c pr«tªin, axit nuclªic,v.v.. Nh÷ng sù trao ®æi phøc t¹p vµ thuËn nghÞch x¶y ra liªn tôc gi÷a thÓ khÝ (N2), thÓ v« c¬ (ion -) vµ nh÷ng thÓ h÷u c¬ (protein) ph©n tö lín vµ vi ph©n ammon NH4 tö. Chu tr×nh sinh-®Þa-hãa häc cña N lµ tËp hîp cña nh÷ng sù chuyÓn hãa ®ã.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
+ vµ NO3
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- KhÝ Nit¬ cña khÝ quyÓn chØ cã thÓ bÞ ®ång hãa trùc tiÕp bëi mét sè h¹n chÕ sinh vËt. Do ®ã, sù can thiÖp cña nh÷ng sinh vËt nµy trong chu tr×nh N lµ c¬ b¶n. Chu tr×nh ®ã ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét sù ph©n biÖt thø bËc rÊt cao. Ho¹t ®éng cña c¸c sinh vËt -, nh÷ng chÊt nµy ë trong ®Êt sÏ chñ yÕu lµ chuyÓn hãa nit¬ khÝ quyÓn thµnh d¹ng NH4 bÞ thùc vËt (cã diÖp lôc hay kh«ng) hÊp thu vµ sau ®ã sÏ kÕt hîp thµnh N trong c¸c ph©n tö h÷u c¬ (protein ch¼ng h¹n). §éng vËt kh«ng thÓ tæng hîp, nh−ng ¨n c¸c loµi thùc vËt cã ®¹m h÷u c¬, chñ yÕu lµ d−íi d¹ng protein. Qu¸ tr×nh v« c¬ ho¸ c¸c chÊt phÕ th¶i ( d©y chuyÒn cña c¸c nh©n tè ph©n gi¶i): C¸c sinh vËt chÕt hay kh«ng ®−îc dïng ®Õn (thùc vËt vµ ®éng vËt) vµ c¶ nh÷ng chÊt th¶i cña chóng ®Òu lµ ®èi t−îng cña mét qu¸ tr×nh phøc t¹p lµm cho nit¬ h÷u c¬ trë l¹i khÝ quyÓn d−íi d¹ng khÝ N2. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh v« c¬ ho¸. §«i khi mét l−îng kh«ng nhá N cã thÓ bÞ röa tr«i d−íi d¹ng nitrat hoÆc chÊt h÷u c¬ hoµ tan. Nh÷ng hîp chÊt ®ã bÞ c¸c dßng s«ng cuèn ®i, ra c¸c ®¹i d−¬ng sÏ bÞ tô l¹i trong líp trÇm tÝch s©u (sù h×nh thµnh cña c¸c má) vµ mét phÇn bÞ lÊy ®i do nh÷ng d©y chuyÒn thùc phÈm cña thùc vËt thuû sinh vµ c¸c loµi chim ( tr−êng hîp ph©n bãn gèc ®éng vËt, ph©n ®éng vËt ®· tõ l©u ®−îc coi lµ nguån ph©n bãn cã ®¹m duy nhÊt). Qu¸ tr×nh röa tr«i ®ã còng lµ nguån gèc cña qu¸ tr×nh « nhiÔm lµm chóng ta ph¶i quan t©m nhiÒu trong thêi gian hiÖn t¹i, do qu¸ tr×nh tÝch tô c¸c nitrat, chñ yÕu lµ nitrat trong n−íc dïng ®Ó sinh ho¹t vµ trong mét sè thøc ¨n (®Æc biÖt lµ rau). 2.3.2. Nh÷ng rèi lo¹n chøc n¨ng cña chu tr×nh Ni t¬ Rèi lo¹n do c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm ch−óa ni t¬
Sù rèi lo¹n chÝnh liªn quan trùc tiÕp víi sù t¨ng lªn cña c¸c d¹ng ammon, nitrat vµ nitrit trong nh÷ng m«i tr−êng thuû sinh, ®Òu ®−îc thÓ hiÖn b»ng nh÷ng rèi lo¹n sinh th¸i x¶y ra ë n¬i tiÕp nhËn c¸c chÊt ®ã vµ b»ng nh÷ng sù cè ®éc h¹i ®èi víi ng−êi vµ ®éc vËt qua n−íc uèng. §Çu vµo cña nit¬ ë Ph¸p (Mt/n¨m) ®−îc thÓ hiÖn ë H×nh 2.15.
Sù rèi lo¹n vËn hµnh thø hai kh«ng liªn quan trùc tiÕp víi chu tr×nh trong bé phËn sèng nh−ng còng kh«ng kÐm phÇn rÊt quan träng. §ã lµ sù n¶y sinh khèi l−îng lín, d−íi d¹ng khÝ, nh÷ng oxyt nitric (nh÷ng khÝ kiÓu NOx), g¾n liÒn víi qu¸ tr×nh ®èt ch¸y (s−ëi, giao th«ng b»ng « t« vµ ®−êng kh«ng, s¶n xuÊt n¨ng l−îng, thiªu huû r¸c v.v..) vµ mét sè s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Trong mäi tr−êng hîp, chÝnh viÖc sö dông kh«ng khÝ (80% lµ N) nh− mét chÊt ®èt (20% oxy) lµ nguyªn nh©n s¶n sinh ra oxyt nitric ë nhiÖt ®é cao. HiÖn t−îng ®ã tham gia vµo c¸c trËn m−a axit, s¶n sinh ra c¸c chÊt g©y oxy ho¸ quang ho¸ häc ®éc h¹i vµ lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n lµm biÕn mÊt «z«n cña khÝ quyÓn.
ChÊt th¶i cña ng−êi 0,25 – 0,3 Mt/n¨m
1
30
Tõ khÝ quyÓn 0,5 Mt/n¨m
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2
Cè ®Þnh bëi vi khuÈn hä ®Ëu 1,3 Mt/n¨m
3
Ph©n®éng vËt 2,0 Mt/n¨m
4
Ph©n bãn c«ng nghiÖp 2,6 Mt/n¨m
5
V« c¬ ho¸ c¸c chÊt h÷u c¬ trong ®Êt 3,0 Mt/n¨m Tæng sè : 9,7 Mt/n¨m
6
H×nh 2.15. §Çu vµo cña nit¬ ë Ph¸p (Mt/n¨m)
0,25 - 0,3 Mt/n¨m 0,5 Mt/n¨m 1,3 Mt/n¨m 2,0 Mt/n¨m 2,6 Mt/n¨m 3,0 Mt/n¨m 9,7 Mt/n¨m
Ng−êi ta ®· −íc l−îng ®Çu vµo hµng n¨m cña nit¬ ë Ph¸p, víi nh÷ng con sè (tÝnh b»ng tÊn/n¨m) sau ®©y: 1. Nh÷ng chÊt th¶i cña ng−êi: 2. Tõ khÝ quyÓn trë l¹i: 3. Do thùc vËt cè ®Þnh: 4. ChÊt th¶i ®éng vËt: 5. Ph©n bãn c«ng nghiÖp: 6. V« c¬ ho¸ cña c¸c chÊt h÷u c¬ trong ®Êt: Tæng céng:
Nit¬ chiÕm mét vÞ trÝ quan träng trong sè nh÷ng phÇn tö lµm tèt ®Êt cÇn thiÕt cho sù t¨ng tr−ëng cña thùc vËt. Nit¬ chiÕm 2% khèi l−îng trong vËt chÊt kh« cña mét c©y, sau khi ®· lo¹i bá nh÷ng phÇn tö cã nguån gèc tõ n−íc v¸ kh«ng khÝ (C: 42%; H: 6%; O: 44%). Ph©n ®¹m lµ lo¹i ph©n ®−îc s¶n xuÊt nhiÒu trong c«ng nghiÖp:
- S¶n l−îng toµn cÇu hµng n¨m ph©n ®¹m, photphat vµ kali: 140 triÖu tÊn (tÝnh b»ng phÇn tö hiÖu dông), tøc lµ 340 triÖu t©n s¶n phÈm ho¸ häc (nÕu tÝnh c¶ c¸c phô gia vµ t¹p chÊt kÌm theo). - S¶n l−îng toµn cÇu hµng n¨m riªng ph©n bãn ®¹m: 80 triÖu tÊn (tÝnh b»ng hµm l−îng ®¹m); - Nh÷ng lo¹i ph©n ®¹m chÝnh (theo thø tù tÇm quan träng gi¶m dÇn) bao gåm : Ammnonitrat ( NH4NO3) ; Dung dÞch urª, nitrat ammon; Sunphat ammon -(NH4)2SO4; Ammoniac d−íi d¹ng dung dÞch láng.
Ho¹t ®éng s¶n xuÊt c«ng nghiÖp c¸c s¶n phÈm cña Ni t¬ g©y hËu qu¶ m«i tr−êng sau:
31
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - §−a vµo chu tr×nh nit¬ tù nhiªn mét l−îng rÊt lín nitrat vµ c¸c d¹ng s¶n phÈm chøa
nit¬ kh¸c.
- Tiªu thô n¨ng l−îng (kÌm theo lµ g©y « nhiÔm) cña c¸c ®¬n vÞ c«ng nghiÖp kh¸c nhau. - Tiªu thô, víi tÝnh c¸ch nguyªn liÖu, c¸c s¶n phÈm má nh− khÝ thiªn nhiªn, than, hay naphta (dÇu má nhÑ).
- Sö dông, kÌm theo lµ t¸i sinh hay hñy bá, c¸c chÊt xóc t¸c, th−êng lµ kim lo¹i. - S¶n sinh ra c¸c s¶n phÈm phô, ®Æc biÖt lµ n−íc th¶i chøa khÝ nh− oxyt nitric, ®Òu lµ nh÷ng chÊt g©y « nhiÔm khÝ quyÓn. - Sö dông mét l−îng n−íc lín, ®Æc biÖt lµ n−íc ®Ó lµm nguéi thiÕt bÞ.
CÇn nhÊn m¹nh r»ng, hiÖn nay chóng ta ®ang cè g¾ng h−íng tíi tèi −u hãa c¸c ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt (n¨ng l−îng, hiÖu suÊt hãa häc) vµ xö lý « nhiÔm c«ng nghiÖp. §ã lµ c¸i gi¸ ph¶i tr¶ ®èi víi nh÷ng céng ®ång ng−êi muèn thóc ®Èy n¨ng lùc s¶n xuÊt l−¬ng thùc, thùc phÈm. Rèi lo¹n do c¸c lo¹i chÊt th¶i cña ®éng vËt: Sù tËp trung ch¨n nu«i, sù t¨ng sè l−îng, sù ph¸t triÓn nh÷ng ph−¬ng thøc v−ît møc ®Æt ra nh÷ng vÊn ®Ò cho qu¶n lý c¸c chÊt phÕ th¶i cña quÇn thÓ sóc vËt do cã sù x¶y ra mÊt c©n ®èi gi÷a ch¨n nu«i vµ n«ng nghiÖp, vèn th−êng ®¶m b¶o rÊt tèt chu tr×nh t¸i t¹o. ThÝ dô nh− nöa ®µn bß ch¨n nu«i ë Ph¸p tËp trung ë vïng Bretagne. B¶ng 2.1. Ch¨n nu«i (tÝnh b»ng triÖu ®Çu gia sóc)
Bß Lîn Gia cÇm Toµn n−íc Ph¸p 21,2 12,2 240 L−u vùc Loire-Bretagne 10 8,2 157 Bretagne 2,6 6,2 89
C¸c lo¹i ph©n gia sóc gia cÇm cã gi¸ trÞ hiÓn nhiªn ®èi víi n«ng nghiÖp do chøa hµm l−îng cao nit¬, photphat, vµ kali. B¶ng 2.2. Gi¸ trÞ ®èi víi n«ng nghiÖp cña ph©n sóc vËt
ChÊt th¶i
Hµm l−îng tÝnh b»ng ®¬n vÞ chÊt cã gi¸ trÞ bãn trong ph©n gia sóc Photpho (P2O5) 3,5 2,0 4,5 Kali (K2O) 8,0 5,5 3,0 Nit¬ (N) 5,5 4,5 5,5 Ph©n bß (kg/t) N−íc ph©n chuång bß (kg/m3) N−íc ph©n chuång lîn (kh/m3)
Chóng ta ®· thÊy xuÊt hiÖn tõ ®©y nh÷ng sù rèi lo¹n vËn hµnh mét mÆt liªn quan tíi sù dïng ph©n bãn th©m canh, d−íi d¹ng nitrat, chÊt nµy kh«ng sö dông hÕt trong qu¸ tr×nh sinh tr−ëng cña thùc vËt vµ do ®ã bÞ ph©n t¸n trong m«i tr−êng n−íc sau khi bÞ röa tr«i vµ mÆt kh¸c, do sù tÝch tô trong m«i tr−êng thiªn nhiªn nh÷ng l−îng lín chÊt phÕ th¶i h÷u c¬ cã ®¹m ë n¬i ch¨n nu«i c«ng nghiÖp vµ n¬i n−íc cèng th¶i tõ ®« thÞ thu gom l¹i. Rèi lo¹n do c¸c lo¹i n−íc th¶i ®« thÞ vµ c«ng nghiÖp : §èi víi n−íc th¶i ®« thÞ, nh− trong tr−êng hîp ë Ph¸p , ng−êi ta −íc l−îng kho¶ng 51% phÇn g©y « nhiÔm ®−îc thùc chuyÓn ®Õn --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32 Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- nh÷ng tr¹m lµm s¹ch. NÕu ng−êi ta chÊp nhËn r»ng hiÖu qu¶ toµn bé cña c¸c tr¹m läc lµ 69% th× tû lÖ n−íc th¶i ®−îc xö lý chØ lµ 35%.
N−íc ®· qua sö dông ë ®« thÞ hay tõ c¸c ngµnh c«ng nghiÖp nh− chÕ biÕn thùc phÈm mang theo nh÷ng chÊt « nhiÔm ph©n gi¶i ®−îc bëi sinh vËt. Mét trong nh÷ng ®Æc ®iÓm cña c¸c tr¹m xö lý n−íc th¶i vµ hÇu hÕt nh÷ng ®iÒu kiÖn cña viÖc ho¹t ®éng cña chóng ta chñ yÕu chØ lo¹i bá « nhiÔm cã cacbon vµ kh«ng ®éng ch¹m tíi nh÷ng hîp chÊt cã ni t¬ vµ photpho cña chÊt « nhiÔm ph©n gi¶i sinh vËt. §©y chÝnh lµ nguån gèc cña mét qu¸ tr×nh mang ®i mét sè lín nit¬ vµphotpho ®−a vµo nh÷ng m«i tr−êng thñy sinh.
Nh÷ng sù cè « nhiÔm n−íc mÆt (s«ng, hå...), n−íc d−íi mÆt ®Êt ®Æc biÖt dÔ nhiÔm bÈn lµ nh÷ng nguån h×nh thµnh nªn nguån dù tr÷ quan träng n−íc sinh ho¹t vµ c¶ n−íc m¹ch ë s©u. Nh÷ng m¹ch n−íc ngÇm ë s©u mÆc dÇu ®−îc líp ®Þa chÊt che chë, phôc håi mét c¸ch rÊt chËm vµ do ®ã rÊt nhanh chãng trë nªn kh«ng dïng ®−îc trong tr−êng hîp bÞ « nhiÔm. Nh÷ng ph¸t th¶i tù nhiªn vµ ph¸t th¶i liªn quan ®Õn ho¹t ®éng cña con ng−êi ®−îc thÓ hiÖn ë B¶ng 2.3.
B¶ng 2.3. Nh÷ng ph¸t th¶i tù nhiªn vµ ph¸t th¶i liªn quan ®Õn ho¹t ®éng cña con ng−êi
Hîp chÊt
C¸c ph¸t th¶i thiªn nhiªn trªn thÕ giíi (triÖu tÊn/n¨m) 50-130 3-25 200.000 180 0,019 Nh÷ng ph¸t th¶i liªn quan ®Õn ho¹t ®éng cña ng−êi (triÖu tÊn/n¨m) 100 20-50 5.500 360 0,33
Dioxyt l−u huúnh (SO2) oxyt nit¬ (NOx) Dioxyt cacbon (CO2) Metan (CH4) Ch× (Pb) Mét ®Æc tr−ng cña c¸c chÊt th¶i ®ã lµ cã nhiÒu ph¶n øng lÉn nhau vµ víi c¸c thµnh phÇn cña kh«ng khÝ (oxy) vµ d−íi t¸c dông cña tia mÆt trêi.
33
H2S + 3 O2 H2O + 2S
Nh÷ng sù rèi lo¹n sinh ra cho nh÷ng chu tr×nh thiªn nhiªn do c¸c « nhiÔm ®ã cã thÓ thÊy ë quy m« kh¸c nhau trong kh«ng gian (®Þa ph−¬ng, vïng, toµn cÇu) vµ trong khu«n khæ thêi gian kh¸c nhau (giê, ngµy, n¨m). §iÒu ®ã gi¶i thÝch sù lÉn lén th−êng x¶y ra trong viÖc x¸c ®Þnh c¸c rñi ro. 2.3.C¸c chu tr×nh kh¸c: Chu tr×nh l−u huúnh ( H×nh 2.16) : Trong chu tr×nh nµy, c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa l−u huúnh ®−îc chuyÓn ho¸ th«ng qua qu¸ tr×nh lªn men sulfuahydric víi sù tham gia cña c¸c vi sinh vËt yÕm khÝ. C¸c vi khuÈn hiÕu khÝ tham gia vµo qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ H2S ®Ó t¹o ra l−u huúnh vµ sau ®ã lµ ph¶n øng a xid sunfuaric. 2 S + 3 O2 + H2O 2 H2SO4 Trong m«i tr−êng yÕm khÝ, c¸c vi sinh vËt chuyÓn ho¸ a xid sunfuaric thµnh sulfuahydro: 2 H2SO4 + 4 H2 H2S + 4 H2O --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
§éng vËt, thùc vËt c¸c nguån dÞ d−ìng sunfat
SO --
SO4 --
S
34
Mét sè loµi vi sinh vËt khö sulfit g©y hiÖn t−îng ¨n mßn trong c¸c èng dÉn n−íc b»ng bª r«ng hoÆc èng gang. khÝ quyÓn qu¸ tr×nh khö H2S Ph©n, H2SO3 -- N−íc th¶i O xy ho¸ KÕt tña sunfua H×nh 2.16. Chu tr×nh l−u huúnh C¸c vi khuÈn sunfat mµu hång tÝa hoÆc mµu xanh tham gia vµo c¸c ph¶n øng quang hîp ®Ó t¹o ra l−u huúnh ph©n tö: ( quang n¨ng) H2S + CO2 ( CH2O) * + H2O + 2S L−u huúnh s¶n sinh ra ®−îc tr÷ trong tÕ bµo vi khuÈn hoÆc ®−îc bµi tiÕt ra bªn ngoµi tuú theo tõng lo¹i vµ cuèi cïng ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh a xid sunfuaric : ( quang n¨ng) 3 S + 3 CO2 + 5 H2O 3 (CH2O) + 2H2 SO4 Trong ph¶n øng chuyÓn ho¸ (CH2O) lµ ký hiÖu chÊt høu c¬ ®· ®−îc tæng hîp thµnh.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng
Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
35
