Bài giảng Sinh thái học công nghiệp: Chương 2 - PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái

Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<br /> <br /> Ch−¬ng 2 c¸c chu tr×nh sinh ®Þa hãa häc<br /> 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.<br /> --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng<br /> 10<br /> <br /> Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<br /> <br /> 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.<br /> Dßng ®Õn bøc sãng Dßng ra bøc sãng<br /> <br /> M− N¨ng l−îng MÆt O2 Bèc sinh N¨ng l−îng do h« C<br /> 2<br /> <br /> Bay<br /> <br /> Dßng ch¶y<br /> <br /> §Ê BiÓn - §¹i ChÊt dinh d−ìng vμ § N−íc<br /> <br /> N¨ng l−îng ®Þa<br /> <br /> ChuyÓn vËn Dßng n¨ng Dßng vËt<br /> <br /> Giíi h¹n cña vßng ®¹i tuÇn hoμn ®Þa chÊt Giíi h¹n cña vßng tiÓu tuÇn hoμn sinh<br /> <br /> H×nh 2.1. Quan hÖ gi÷a vßng ®¹i tuÇn hoµn ®Þa chÊt vµ tiÓu tuÇn hoµn sinh häc<br /> <br /> --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng<br /> <br /> 11<br /> <br /> Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<br /> <br /> 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<br /> <br /> 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<br /> <br /> S VËt tiªu thô BËc III<br /> <br /> 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).<br /> <br /> --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng<br /> <br /> 12<br /> <br /> Bµi gi¶ng Sinh th¸i häc C«ng nghiÖp Ch−¬ng 2: C¸c chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<br /> <br /> 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:<br /> <br /> Nguån vËt chÊt<br /> <br /> M«i tr−êng<br /> <br /> C¬ thÓ sèng<br /> <br /> 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.<br /> <br /> VËt tiªu thô III VËt tiªu thô II VËt tiªu thô I VËt s¶n xuÊt B1 » B2 » B3 » B4<br /> <br /> B4 B3 B2 B1<br /> <br /> 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.<br /> <br /> --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng<br /> <br /> 13<br /> <br /> 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¬ d¹ng r¾n<br /> <br /> C¸c hîp chÊt h÷u c¬ d¹ng hoµ tan hoµn toµn<br /> <br /> Thuû ph©n<br /> <br /> C¸c hîp chÊt h−ò c¬ d¹ng hoµ tan<br /> <br /> Sunph¸t ho¸<br /> <br /> Lªn men<br /> <br /> Khö sunph¸t<br /> <br /> axit bÐo + alcohol<br /> <br /> Axeton ho¸<br /> <br /> Axet¸t<br /> <br /> Sunphuar¬ (H2S)<br /> <br /> Carbonic (CO2)<br /> <br /> Hydro (H2)<br /> <br /> Metan ho¸ ( g® a xÝt)<br /> <br /> 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].<br /> Metan ho¸ (g® thuû ph©n)<br /> <br /> Metan (CH4)<br /> <br /> 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<br /> <br /> --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ng−êi so¹n : PGS.TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i – ViÖn Khoa häc &KTMT - §¹i häc X©y dùng<br /> <br /> 14<br /> <br />