Quá trình phân hủy các chất trong hệ sinh
thái
Quá trình này ngược với quá trình tổng hợp
các chất. Đến nay, sinh quyển đang trong
trạng thái ổn định của mình, hai quá trình trên
cũng ổn định, nếu không bị chính con người
hủy hoại. Quá trình phân hủy các chất trong tự
nhiên xảy ra theo các dạng chính:
+ Hô hấp hiếu khí hay oxy hóa sinh học,
trong đó chất nhận điện tử (hay là chất oxy
hóa) là oxy phân tử. Hô hấp hiếu khí ngược
với quá trình quang hợp, tức là các chất hữu
cơ bị phân giải để cho sản phẩm cuối cùng là
khí cacbon dioxyt (CO2) và nước. Do đó, tất cả
các loài động thực vật, cũng như đa số đại
diện của Monera và Protista mới có năng
lượng để duy trì mọi hoạt động sống và
cấu tạo nên chất sống riêng cho mình.
Tuy nhiên, CO2, nước và chất tế bào
cũng có thể được tạo thành, song nếu
phản ứng oxy hóa chưa hoàn toàn kết thúc thì
các hợp chất hữu cơ ấy vẫn còn được phân
hủy tiếp bởi các nhóm sinh vật khác trong điều
kiện đặc biệt như hô hấp kỵ khí hoặc lên men.
+ Hô hấp kỵ khí xảy ra không có sự
tham gia của oxy phân tử. Chất nhận điện
tử (hay chất oxy hóa) không phải là O2 mà là
chất vô cơ hay chất hữu cơ khác. Nhiều vi
sinh vật hoại sinh (vi khuẩn, nấm, động vật
nguyên sinh) tiến hành phân hủy các chất
trong điều kiện không có oxy. Chẳng hạn,
vi khuẩn mê tan phân giải các hợp chất
hữu cơ để tạo thành khí mê tan (CH4)
bằng cách khử cacbon hữu cơ hoặc vô
cơ (cacbonat) trong các đáy ao hồ. Vi khuẩn
mê tan còn tham gia vào việc phân hủy phân
gia súc và phân của các loài nhai lại
khác. Vi khuẩn Desulfovibrio khử sunphat
trong các trầm tích biển sâu để tạo thành H2S
như ở biển Đen.
Nhiều nhóm vi khuẩn (vi sinh vật kỵ khí tùy ý)
có khả năng hô hấp hiếu khí và kỵ khí, tuy
nhiên, năng lượng được giải phóng ra do hô
hấp hiếu khí cao hơn nhiều so với hô hấp
kỵ khí. Vi khuẩn hiếu khí (Aerobacter)
được nuôi trong điều kiện hiếu khí và kỵ
khí bằng nguồn thức ăn hydrat cacbon, khi
có mặt O2 thì hầu như tất cả glucose chuyển
thành sinh khối của vi khuẩn và CO2, còn khi
không có mặt O2 sự phân hủy xảy ra không
hoàn toàn, chỉ có một lượng rất nhỏ chuyển
thành hợp chất hữu cơ chứa cacbon trong tế
bào, trong khi hàng loạt các hợp chất hữu cơ
khác lại được tiết ra môi trường.
- Sự lên men: Đó là quá trình hô hấp kỵ khí,
nhưng các chất hữu cơ bị oxy hóa (chất khử)
cũng là chất nhận điện tử (chất oxy hóa).
Trong quá trình này xảy ra sự khử hydro, kéo
theo là sự bẻ gãy các chất hữu cơ phức tạp
thành các chất đơn giản hơn.
Tham gia vào quá trình lên men có các vi sinh
vật kỵ khí nghiêm ngặt hoặc kỵ khí tuỳ ý.
Trong trường hợp lên men bởi vi sinh vật kỵ
khí tùy ý, ở điều kiện có oxy, vi sinh vật
chuyển sang hô hấp hiếu khí.
Những vi sinh vật sống kỵ khí, kỵ khí tùy ý,
hiếu khí khi tham gia vào các quá trình hô hấp
và phân hủy các chất đều đóng vai trò rất lớn
trong các hệ sinh thái. Chúng là những “vệ
sinh viên”, thực hiện sự phân hủy các hợp
chất đến giai đoạn cuối cùng, (giai đoạn
khoáng hóa) để trả lại cho môi trường, cho
các chu trình vật chất những hợp chất vô cơ
đơn giản nhất hay những nguyên tố hóa học
đã bị lôi cuốn ngay từ đầu vào các vòng luân
chuyển khôn cùng.
Tổng hợp các chất rồi lại phân hủy chúng, nói
chung, là chức năng hoạt động của các quần
xã sinh vật. Nhờ vậy, vật chất được quay vòng
còn năng lượng được biến đổi. Trên phạm vi
toàn cầu, trừ nguồn năng lượng được tiếp
nhận từ bên ngoài, sinh quyển, về phương
diện vật chất mà nói, là một đơn vị tự cung tự
cấp hoàn toàn.
Phân hủy là kết quả của cả các quá trình
vô sinh và hữu sinh. Những vụ cháy rừng
hay cháy đồng cỏ là yếu tố giới hạn, song
cũng là yếu tố điều chỉnh quan trọng của tự
nhiên. Chúng trực tiếp tham gia phân hủy các
chất, chuyển phần lớn khí CO2 và các khí
khác vào khí quyển, còn các khoáng chất vào
trong đất. Sự phân hủy các chất bởi sinh vật
diễn ra từ từ, chậm hơn so với sự oxy hóa
tức thời của “thần lửa”. Do các quá trình
trên, nhất là do hoạt động của sinh vật, trong
sinh quyển nói chung hay từng hệ sinh thái nói
riêng, các xích thức ăn liên tục được hình
thành: xích thức ăn chăn nuôi, xích thức ăn
phế liệu và xích thức ăn thẩm thấu. Nhờ sự
phân hủy, trong môi trường còn xuất hiện
hàng loạt các chất “ngoại tiết” (exocrine),
tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động
sống của các thành viên cấu tạo nên quần xã.
Các nhà sinh thái học còn gọi các chất ngoại
tiết là “hoocmon môi trường”. Chúng là sản
phẩm bài tiết, các chất trao đổi trong hoạt
động sống của thế giới sinh vật dưới dạng các
chất hữu cơ hòa tan. Trong chúng, nhiều chất
có hoạt tính sinh học cao hoặc kìm hãm sự
phát triển (các chất kháng sinh như
Penicilline...) hoặc kích thích sự tăng trưởng
của các loài khác (các vitamin...), một số chất
mang tính dẫn dụ, lôi cuốn đồng loại khác giới
hay các loài khác tham gia vào việc thực hiện
một chức năng sống của mình (hương thơm
của hoa, của các tuyến tiết).
Những sinh vật phân hủy (bao gồm cả những
loài động vật) tham gia vào việc phân giải các
chất ở nhiều công đoạn khác nhau, từ thô đến
tinh, và bằng nhiều cách với sự có mặt của
hàng loạt các loại enzym đặc trưng mà không
một sinh vật nào có đủ. Nhờ vậy, ngay cả các
chất khó phân hủy nhất như cellulose, lignin
hay các hợp chất humic... cũng không thể tồn
tại được, mà bị phân hủy tới cùng. Nhiều chất
gần như “trơ”, chẳngNhững sinh vật phân hủy
(bao gồm cả những loài động vật) tham gia
vào việc phân giải các chất ở nhiều công đoạn
khác nhau, từ thô đến tinh, và bằng nhiều
cách với sự có mặt của hàng loạt các loại
enzym đặc trưng mà không một sinh vật nào
có đủ. Nhờ vậy, ngay cả các chất khó phân
hủy nhất như cellulose, lignin hay các hợp
chất humic... cũng không hạn nitơ, con người
muốn phá vỡ “cầu nối ba” giữa các nguyên tử
để đưa chúng vào dạng hợp chất. (NOX,
NH3..) phải tốn khá nhiều năng lượng, chẳng
kém gì cường độ dòng điện của các tia chớp
trong các cơn dông thì một số vi khuẩn cố
định đạm như Azotobacter, Clostridium,
Bacterium, Oscillatoria, Methano,
Methanococcus, Desulfovibrio... sống hiếu
khí hoặc ky khí, trong đất hoặc trong nước...
lại rất dễ dàng phá vỡ “cầu nối ba” của phân