CHƯƠNG II CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG pdf

3/19/2011
1
Cán Bộ Giảng Dạy: TS. VÕ LÊ PHÚ
Bộ Môn Quản Lý Môi Trường – Khoa Môi Trường
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG II
CÁC NGUYÊN LÝ
KHOA HỌC
MÔI TRƯỜNG
(Tuần 2, 12-13/3/2011)
Khoa học Môi Trường
Khoa học Môi trường (Environmental
Science) là môn khoa họ c nghiên cứ u cá c
thành phaቹn của mô i trườ ng (nướ c, đaቷt,
khô ng khı́) và các tác độ ng của con ngườ i
đeቷn các thành phaቹn môi trườ ng.
Khoa học Quản lý Môi Trường
Khoa học quản lý Môi trường (Science of
Environmental Management): là khoa học nghiên
cứ u veቹ các cách tieቷp cận hoặ c cách thứ c quản lý mô i
trườ ng nhaኁm tránh các tá c động tiêu cự c do con
ngườ i gây ra. Các cách thứ c/phương phá p quản lý
mô i trườ ng bao goቹ m:
Các công cụ chính sách, pháp luật
Các công cụ kinh tế
Các công cụ khoa học & công nghệ
Các công cụ giáo dục
CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI
Khái niệm cơ bản: quần thể, quần xã, hệ sinh
thái

Các thành phaቹ n củ a hệ sinh thá i
Chuoች i thứ c ăn/lướ i thứ c ăn
Các thành phaቹ n cơ bản của hệ sinh thái ooàn
chı̉nh
3/19/2011
2
KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI
Các Khái niệm Cơ Bản:
Quần thể: là một nhóm cá thể của một loài,
sống trong một khoảng không gian xác định,
có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm,
chứ không phải cho từng cá thể của nhóm
(E.P. Odum, 1971). Hoặc quần thể là một
nhóm cá thể của cùng một loài sống trong
cùng một khu vực (Alexi Sharov, 1996).
KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI
Quần xã (community) bao gồm các quần
thể của nhiều loài khác nhau, loài có vai trò
quyết định sự tiến hóa của quần xã là loài ưu
thế sinh thái.
Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật thuộc
các loài khác nhau cùng sinh sống trên một
khu vực nhất định.
Khu vực sinh sống của quần xã được gọi là
sinh cảnh. Như vậy, sinh cảnh là môi trường
vô sinh.
Hệ SINH THÁI
Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác
nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương
hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu tố vô sinh,

tạo thành một hệ thống sinh thái-ecosystem, gọi tắt
là hệ sinh thái.
Hệ sinh thái là hệ chức năng gồm có quần xã, các cơ
thể sống và môi trường của nó dưới tác động của
năng lượng mặt trời.
Quần xã
sinh vật
Môi trường
xung quanh
Năng lượng
mặt trời
Hệ Sinh Thái
Thành phần của hệ sinh thái
Hệ sinh thái hoàn chỉnh bao gồm các thành
phần chủ yếu sau:
Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng):
ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, dòng chảy …
Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố và hợp
chất hóa học cần thiết cho tổng hợp chất sống.
Các chất vô cơ có thể ở dạng khí (O
2
, CO
2
, N
2
),
thể lỏng (nước), dạng chất khoáng (Ca, PO
4
3-
, Fe

…) tham gia vào chu trình tuần hoàn vật chất.
3/19/2011
3
Thành phần của hệ sinh thái
Các chất hữu cơ (các chất mùn, acid amin,
protein, lipid, glucid): đây là các chất có đóng
vai trò làm cầu nối giữa thành phần vô sinh và
hữu sinh, chúng là sản phẩm của quá trình
trao đổi vật chất giữa 2 thành phần vô sinh và
hữu sinh của môi trường.
Chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn
(foodchain):
Chuỗi thức ăn được xem là
một dãy bao gồm nhiều
loại sinh vật, mỗi loài là
một “mắt xích” thức ăn;
mắt xích thức ăn phía trên
tiêu thụ mắt xích thức ăn
phía trước và nó lại bị mắt
xích thức ăn phía sau tiêu
thụ.
Một số chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn trên cạn (a terrestrial food
chain)
Một số chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn
dưới nước
(a marine food
chain)

3/19/2011
4
Lưới thức ăn
Lưới thức ăn là các chuỗi thức ăn có nhiều mắt
xích chung tạo thành một lưới thức ăn.
Ví dụ:
Sinh vật sản xuất (hay tự dưỡng)
Chủ yếu là thực vật xanh
Có khả năng chuyển hóa quang năng
thành hóa năng nhờ quá trình quang hợp;
Năng lượng này tập trung vào các hợp
chất hữu cơ-glucid, protid, lipid, tổng hợp
từ các chất khoáng (các chất vô cơ có trong
môi trường).
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3)
Chủ yếu là động vật. Tiêu thụ các hợp chất
hữu cơ phức tạp có sẵn trong môi trường
sống.
Sinh vật tiêu thụ bậc 1: tiêu thụ trực tiếp các
sinh vật sản xuất. Chủ yếu là động vật ăn thực
vật (cỏ, cây, hoa, trái …). Các động vật, thực vật
sống ký sinh trên cây xanh cũng thuộc loại
này.
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3)
Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn các sinh vật tiêu
thụ bậc 1. Gồm các động vật ăn thịt, ăn các
động vật ăn thực vật.

Sinh vật tiêu thụ bậc 3: thức ăn chủ yếu là các
sinh vật tiêu thụ bậc 2. Đó là động vật ăn thịt,
ăn các động vật ăn thịt khác.
3/19/2011
5
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Sinh vật phân hủy
Sinh vật phân hủy là những loại vi sinh vật
hoặc động vật nhỏ bé hoặc các sinh vật hoại
sinh có khả năng phân hủy các chất hữu cơ
thành vô cơ.
Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh
Ngoài ra còn có những nhóm sinh vật chuyển
hóa chất vô cơ từ dạng này sang dạng khác
(như nhóm vi khuẩn nitrat hóa chuyển NH
4
+
thành NO
3
-
). Nhờ quá trình phân hủy, sự
khoáng hóa dần dần mà các chất hữu cơ được
thực hiện và chuyển hóa chúng thành chất vô
cơ.
SINH THÁI HỌC & HỆ SINH THÁI
Quần thể: là tập những cá thể cùng loài sống
trong một sinh cảnh nhất định ở một thời
điểm nhất định
Khi nghiên cứu về quần thể cần lưu ý:
Sức sinh sản;

Sức tử vong;
Mật độ quần thể;
Mức độ tăng trưởng
Tại sao một số loài cùng tồn tại trong một nơi?
Chúng phát triển hay suy giảm?
3/19/2011
6
Các nhân tố tác động đến quần thể
Sinh đẻ: gia tă ng soቷ lượ ng cá theቻ trong quaቹn theቻ
thô ng qua tá i sinh  gia tă ng mật độ củ a quaቹ n theቻ.
Tử vong: suy giảm soቷ lượ ng quaቹn theቻ do tử vong 
giảm mật độ quaቹ n theቻ.
Nhập cư: gia tă ng soቷ lượ ng cá theቻ thông qua việc
nhập cư và o quaቹn theቻ  gia tăng mật độ quaቹn theቻ
(+).
Di cư: giảm soቷ lượ ng cá theቻ do di cư củ a các cá theቻ
ra khỏ i quaቹn theቻ  giả m mậ t độ quaቹn theቻ (-)
Thành phần cấu trúc của HST hoàn chỉnh
Các chất vô sinh
Các yếu tố vật lý/khí hậu: T
0,
A/sáng, gió,…
Các chất vô cơ: C, P, N
Các chất hữu cơ: glucid, protid, lipid, mùn,…
Sinh vật sản xuất: thự c vật chuyeቻn quang năng  hó a
năng  nă ng lượ ng đượ c dự trữ ở dạng đườ ng (liên
keቷt C-C).
Sinh vật tiêu thụ: động vật
Sinh vật tiêu thụ bậc 1
Sinh vật tiêu thụ bậc 2

Sinh vật phân hủy
22
Cấu trúc của hệ sinh thái
23
Đặc tính của hệ sinh thái
Luô n vậ n động
Có theቻ đượ c phân nhóm
Có sự trao đoቻ i năng lượ ng và vật chaቷ t (chuoች i thứ c
aቿn/lướ i thứ c ăn) qua các HST
Xảy ra các chu trı̀nh sinh địa hóa
Các quaቹn xã hay các loài sinh vậ t thườ ng bieቻu thị
chuyên biệt các tập tı́nh, nơi cư trú hay cá c vai trò
hoạt động.
24
3/19/2011
7
Các dòng năng lượng trong HST
Chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn:
Là hệ thống chuyển hóa năng lượng dinh
dưỡng từ nguồn đi qua hàng lọat các sinh vật
bằng cách sinh vật này dùng sinh vật khác làm
thức ăn.
Bậc dinh dưỡng: Là thứ tự các nhóm trong
chuỗi thức ăn
25
Các dòng năng lượng trong HST
 Chuỗi thức ăn
26
27
Chuỗi thức ăn

Mạng lưới thức ăn (food web):
Các chuỗi thức ăn đan xen nhau
Cho hình ảnh hòan chỉnh về nhóm, sinh vật nào
ăn sinh vật nào
Có chức năng phân bố và chuyển hóa các dạng
hữu cơ trong HST
Là cơ chế để duy trì sự cân bằng HST
28
Các dòng năng lượng trong HST
3/19/2011
8
29
 Lưới thức ăn
Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuỗi thức ăn:
Tı̀m hieቻu veቹ cơ cheቷ lây lan ô nhiễm, độc
chất và gây bệnh qua con đường thức ăn;
Cân bằng sinh thái và bảo vệ hệ sinh
thái.
30
Các dòng năng lượng trong HST
Các dòng năng lượng trong HST
Năng lượng học sinh thái nghiên cứu về
dòng năng lượng bên trong một HST từ
lúc năng lượng đi vào hệ thống hiện hữu
cho đến lúc cuối cùng bị biến đổi thành
nhiệt và mất đi khỏi hệ thống
Nguồn năng lượng của HST: mặt trời
Thực vật quang hợp, tích lũy trong cơ thể
sinh vật dưới dạng hóa năng, chuyển thành
NL sinh học

31
Chuyển hóa năng lượng trong HST
32
3/19/2011
9
CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA
Tìm hiểu một số quy luật sinh thái thông qua
các chu trình biến đổi của các nguyên tố cơ
bản
Các nguyên tố tuần hòan trong sinh quyển
theo đường:
 Từ MT vào cơ thể sinh vật
 Từ sinh vật này sang sinh vật khác
 Từ sinh vật trở lại môi trường
chu trình sinh địa hóa
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC
Tác động của con
người đến chu trình
nước:
Đô thị hóa
Công nghiệp hóa
Phá rừng
Gia tăng ô nhiễm
3/19/2011
10
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC
Hậ u quả củ a cá c tác độ ng do con ngườ i :
Giảm lượng nước thấm xuống đất  giảm lượng NNgầm
Tăng dòng chảy mặt

Gia tăng ô nhiễm nước
CHU TRÌNH CARBON
Carbon là thành phần thiết yếu cho sự sống.
Là thành phần hóa học chính trong các chất hữu cơ,
từ nhiên liệu hóa thạch cho đến những phân tử
phức tạp (DNA và RNA).
CHU TRÌNH CARBON
Thực vật hấp thu
CO
2
trong khí quyển
CO
3 (2-)
hòa tan trong nước
Quang hợp tạo chất hữu cơ
Qua chuỗi thức ăn, carbon chuyển qua động vật,
người
VSV phân hủy xác ĐTV thành các dạng Carbon khác
nhau, cuối cùng là CO
2
CHU TRÌNH CARBON
Các quá trình chính trong chu trình tuần
hoàn cacbon gồm quá trình quang hợp, quá
trình phân hủy các sản phẩm bài tiết. Ngoài ra
còn có quá trình hô hấp, quá trình khuếch tán
khí CO2 trong khí quyển.
Khí quyển là nguồn cung cấp carbon (chủ yếu
ở dạng CO
2
) chính trong chu trình tuần hoàn

Carbon. CO
2
đi vào hệ sinh thái nhờ quá trình
quang hợp và trở lại khí quyển nhờ quá trình
hô hấp và quá trình đốt cháy.
3/19/2011
11
CHU TRÌNH CARBON
Carbon có thể tồn tại thời gian dài ở các dạng vô cơ
như CO
2
(hòa tan và dạng khí); H
2
CO
3
(hòa tan);
HCO
3
-
(hòa tan); CO
3
2-
(hòa tan, như CaCO
3
cacbonat
calcium) hoặc dạng hữu cơ như glucose; acid acetic,
than, dầu, khí.
CHU TRÌNH CARBON
CÁC CHU TRÌNH CARBON CHU TRÌNH CARBON
3/19/2011

12
Các tác động của con người lên chu trình
Carbon
Một số tác động của con người làm tăng lượng khí
CO
2
trong không khí, nước:
Đốt cháy nhiên liệu (xăng, than), đốt cháy củi, gỗ làm
trái đất nóng lên, tăng nhiệt độ trên trái đấthiệu
ứng nhà kính  nó ng lên toà n caቹ u  BĐKH.
Việc tăng khí CO
2
và một số chất ô nhiễm khác (NO
x
,
SO
x
), gây mưa acid (pH <5,6), làm cá chết, thay đổi
pH đất, ảnh hưởng đến cây trồng.
Sự nóng lên toàn cầu có thể làm băng tan ở Nam cực,
tăng mực nước biển, thay đổi khí hậu, thay đổi sản
lượng ngũ cốc và lượng mưa.
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
Sự cần thiết của nitơ:
 Là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh
chất tế bào
 Là hợp phần bắt buộc của amino acid, protein
 Có trong thành phần men, màng tế bào,
nucleoprotid truyền các thông tin di truyền
 Các hợp chất Nitơ cung cấp năng lượng cho cơ thể

soቷ ng
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
3 con đường N đi vào MT sinh thái đất:
Phản ứng quang hóa, sấm chớp, mưa
Cây xanh quang hợp tạo protein, chuyển qua động vật,
con người. Khi chết đi, trả lại cho MT đất (phân giải hữu
cơ tạo NH
3
)
Các vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần cây họ đậu, cố
định N khí trời thành N trong cơ thể thực vật
N từ đất vào khí quyển:
Khử nitrate hóa bằng enzyme,
Hoặc bằng hóa học
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
3/19/2011
13
CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN)
Chu trình tuần hoàn nitơ có vai trò quan trọng trong
việc chuyển nitơ trong không khí sang dạng mà thực
vật và động vật có thể sử dụng được.
N
2
chiếm khoảng 78% trong khí quyển và hầu như ở
dạng khí. Khí nitơ, chỉ phản ứng hóa học ở những điều
kiện nhất định.
Hầu hết các sinh vật đều không thể sử dụng nitơ trong
không khí, chỉ sử dụng nitơ ở dưới dạng nitrat (NO
3
-

)
hoặc nitrit (NO
2
-
). Nếu không có nitơ, thì protein và
acid nucleic không thể được tổng hợp trong cơ thể
động vật, thực vật cũng như con người.
CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG
CHU TRÌNH NITƠ
Cố định nitơ: Nitơ được các vi khuẩn cố định
nitơ, thường sống trên nốt sần rễ cây họ đậu,
chuyển nitơ ở dạng khí sang dạng NO
3
-
.
Ammon hóa: các vi khuẩn phân hủy sẽ phân
hủy các acid amin từ xác chết động vật và
thực vật để giải phóng NH
4
OH.
CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG
CHU TRÌNH NITƠ
Nitrat hóa: các vi khuẩn hóa tổng hợp sẽ
oxid hóa NH
4
OH để tạo thành nitrat và nitrit,
năng lượng được giải phóng sẽ giúp phản
ứng giữa oxy và nitơ trong không khí để tạo
thành nitrat.
Khử nitrat hóa: các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ

các nitrat, giải phóng nitơ trở lại vào khí
quyển.
3/19/2011
14
Các tác động của con người lên chu
trình Nitơ
 Sử dụng phân bón đạm để tăng năng suất cho
các vụ mùa, làm tăng tốc độ khử nitrit và làm
nitrat đi vào nước ngầm. Lượng nitơ tăng
trong hệ thống nước ngầm cuối cùng cũng
chảy ra sông, suối, hồ, và cửa sông. Tại đây, có
thể sinh ra hiện tượng phú dưỡng hóa.
 Làm tăng sự lắng đọng nitơ không khí do cháy
rừng và đốt cháy nhiên liệu. Cả 2 quá trı̀nh này
đeቹu giải phóng các dạng nitơ raቿn ở trạng thái
khı́, bụi.
Các tác động của con người lên chu
trình Nitơ
 Chăn nuôi gia súc:  thả i vào mô i trườ ng một
lượ ng lớ n khı́ ammoniac (NH
3
) qua chất thải
của chúng. NH
3
sẽ thấm dần vào đất, nước
ngầm và lan truyền sang các khu vực khác do
nước chảy tràn.
 Chaቷ t thải và nướ c thải từ các quá trı̀nh sản
xuaቷt công nghiệp.
CHU TRÌNH PHOSPHO

Nguồn gốc:
Xác bã hữu cơ
Vật chất vô cơ: trầm tích, apatit, muối
Tầm quan trọng:
P giữ vai trò quan trọng trong cấu thành cơ thể sinh
vật
Động vật thiếu phospho sẽ bị mềm xương, liệt
Cây thiếu phospho thân lá mầm cây ngả xám đen,
hoa và hạt nhỏ
3/19/2011
15
CHU TRÌNH PHOSPHO
 Chu trình tuần hoàn phospho là chu trình không
hoàn hảo. Phospho là chất cơ bản của sinh chất có
trong sinh vật cần cho tổng hợp các chất như acid
nucleic, chất dự trữ năng lượng ATP, ADP.
Nguồn dự trữ của phospho: trong thạch quyển dưới
dạng hỏa nham, hiếm có trong sinh quyển. Phospho
có khuynh hướng trở thành yếu tố giới hạn cho hệ
sinh thái.
Sự thất thoát phospho là do trầm tích sâu hoặc
chuyển vào đất liền (do người đánh bắt cá hoặc do
chim ăn cá …).
CHU TRÌNH PHOSPHO
Phospho là khâu yếu nhất trong mạng lưới dinh
dưỡng.
Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng phospho, xói mòn
(do đốt phá rừng), thì nguồn dự trữ phospho có
nguy cơ sẽ cạn dần.
Khi xảy ra sự mất cân bằng ở các chu trình tuần

hoàn thì sẽ có sự cố về môi trường, ảnh hưởng đến
sự tồn tại của sinh vật và con người trong một khu
vực hay trên toàn cầu.
CHU TRÌNH TUẦN HOÀN PHOSPHO
60
Nguyên nhân gây rối loạn vận hành chu trình P
Phát triển nông
nghiệp
Phát triển
chăn nuôi
Xói mòn đất
 Hậu quả: 

Phú dưỡng hóa nguồn nước
CHU TRÌNH PHOSPHO
3/19/2011
16
Nguồn gốc:
 Núi lửa phun,
 trầm tích,
 khóang chất chứa pyrid
61
CHU TRÌNH LƯU HÙYNH
Rễ thực vật hấp thu S tổng hợp các liên kết và
acid amin có S
ĐV ăn TV, con người ăn ĐTV. Sau khi chết đi,
trả lại cho đất
Một phần S biến thành SO2 hay H2S bay lên
S có thể bị trôi ra biển, hoặc trầm tích trong
than đá, dầu hỏa.

Con người sử dụng nhiên liệu, tạo khí thải
62
CHU TRÌNH LƯU HÙYNH
63
Chu trình lưu huỳnhChu trình lưu huỳnh