CÁC CHU TRÌNH VẬT CHẤT TRONG HỆ SINH THÁI

Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
MỤC LỤC
2. Chu trình cacbon 6
4.Chu trình phốt pho 22
1
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sinh thái học là khoa học nghiên cứu về các mối quan hệ thống nhất của sinh vật
với sinh vật và sinh vật với môi trường ở mọi mức độ tổ chức, từ cá thể, quần thể đến
quần xã sinh vật và hệ sinh thái và trở thành môn khoa học về cấu trúc của thiên
nhiên.Sinh thái học là môn khoa học trẻ, song nhờ kế thừa những thành tựu của những
lĩnh vực khoa học sinh học cũng như các ngành khác nó đã trở thành công cụ để con
người khám phá tự nhiên, sống hài hoà với tự nhiên.
Nhà sinh thái học người Mỹ Robert E. Rickleft đã viết: “nếu chúng ta muốn đạt sự
hoà thuận nào đó với thiên nhiên, trong đa số trường hợp buộc chúng ta phải chấp
thuận những điều kiện của nó.
Cũng như các môn khoa học khác, những kiến thức của sinh thái học đã và đang có
đóng góp to lớn cho nền văn minh của nhân loại. Giúp chúng ta ngày càng hiểu biết
sâu về bản chất của sự sống trong mối tương tác với các yếu tố của môi trường, cả hiện
tại và quá khứ trong đó bao gồm cuộc sống và sự tiến hoá của con người.
Khi con người ra đời, trước hết họ phải biết tìm nơi ở, chỗ kiếm ăn, tránh thú dữ và
các điều kiện bất lợi của môi trường. Vậy để chúng ta có thể tồn tại trong môi trường
này buộc chúng ta phải biết và hiểu những gì đã, đang và sẽ diễn ra với thiên nhiên.
Để có cuộc sông tốt hơn,để khai thác phù hợp nguồn tài nguyên thiên nhiên và
hạn chế nhất có thể những ảnh hưởng không tốt đến môi trường. Con người chúng ta
cần phải làm gì?
Hằng ngày chúng ta vẫn sống vẫn hít thở, ăn uống và sinh hoạt bình thường nhưng
dường như ít ai quan tâm đến nguồn gốc và chu trình của những điều đó.
Chính vì những lí do trên tôi chọn đề tài: CÁC CHU TRÌNH VẬT CHẤT TRONG
HỆ SINH THÁI để đem lại hiểu biết cho bản thân và kiến thức cho những người xung

quanh đặc biệt đối với những ai đang quan tâm về sinh thái học.
PHẦN 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
I. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
1. Mục đích nghiên cứu:
- Nắm rõ được các chu trình vật chất.
- Biết được tình hình và chu trình của các chất trong tư nhiên thông qua đó vân
dụng vào việc điều hoà khí hậu.
- Áp dụng vào cuộc sống và giảm thiểu một số hoat động công nghiệp, nông
nghiệp để góp phần bảo vệ môi trường
2. Phương pháp nghiên cứu:
- Sưu tầm và tổng hợp tài liệu
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
Vật chất vận động không ngừng. Đó là một quy luật sống bất di bất dịch. Giưã các
thành phần sống và không sống của hệ sinh thái bất kì, sự thay đôỉ các nguyên tố khác
nhau luôn luôn diễn ra, tạo nên sự tương tác của các quá trình sinh học và địa hoá học.
Đến nay người ta đã biết khoảng 40 nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn tham
gia vào thành phần các chất sống, sau đó bị vi sinh vật phân huỷ lại trở lại môi trường,
rồi lại được sinh vật thu hồi tạo nên các hợp chất mới… Cứ thế vật chất được chu
chuyển trong những vòng hầu như khép kín mà ta gọi là chu trình vật chất hay là chu
trình sinh địa hoá.
Trong ngành địa lý và khoa học Trái Đất, một chu trình sinh địa hóa là một quy
trình mà một phân tử hay nguyên tố hóa học di chuyển qua cả hai tầng sinh học (sinh
quyển) và phi sinh học (thạch quyển, khí quyển và thủy quyển) của Trái Đất. Một chu
trình như thế bao gồm một loạt các biến đổi để trở lại điểm ban đầu và có thể được lặp
đi lặp lại.
Chu trình sinh địa hoá là chu trình trao đổi các chất trong tự nhiên: các chất từ môi
trường ngoài vào cơ thể, qua các bậc dinh dưỡng rồi từ cơ thể sinh vật truyền trở lại
môi trường.

Một chu trình sinh địa hoá gồm có các phần: tổng hợp các chất, tuần hoàn vật chất
trong tự nhiên, phân giải và lắng đọng một phần vật chất trong đất, nước
Một số nguyên tố đóng vai trò rất quan trọng như O2, H2, C, N2, P, S…,tham gia
cấu tạo nên các hợp chất của sự sống như protein, lipit, gluxit, các enzim, hoocmon…
So với chất không sống thì chất sống là những dạng cacbonxin hoa, hidro hoá và hidrat
hoá hơn.
Trong chu trình, nguyên tố có thể đi theo một vòng lớn khép kín hoặc chỉ tham gia vào
từng công đoạn,rồi sớm tách ra đi vào nguồn dự trữ, tồn tại lâu hay chóng, mới quay
lại chu trình.
3
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Chu trình vật chất trong đại dương:
Có các chu trình sau:
1. Chu trình nước trên hành tinh
Đây là chu trình kết hợp của 2 nguyên tử H và O. Nước trên hành tinh tồn tại dưới 3
dạng: rắn, lỏng và hơi. Chúng chuyển dạng cho nhau nhờ sự thay đổi của nhiệt độ trên
bề mặt trái đất. Trong điều kiện hiện tại, nước chủ yếu chứa trong các biển và đại
dương (chiếm 97,6% tổng số) dưới dạng lỏng, khoảng 2,08% nước nằm ở thể rắn
(băng), tập trung chính ở 2 cực Trái Đất. Nước sông, hồ rất ít, chỉ khoảng 230 nghìn
km3 (gồm cả hồ nước mặn), một ít (khoảng 67000 km3) tạo nên độ ẩm của đất,
khoảng 4 triệu km3 nước ngầm có khả năng trao đổi tích cực và 14000 km3 dưới
dạng hơi nước có mặt trong khí quyển. Chu trình nước có thể được mô tả như sau:
Nhờ năng lượng Mặt trời, nước ở bề mặt đất, đại dương bốc hơi. Khi lên cao, nhiệt độ
tầng đối lưu giảm, nước tạo thành mây và ngưng tụ thành mưa, thành tuyết rơi
xuống bề mặt trái đất, rồi lại theo các dòng chảy về đại dương. Do vậy, nước
tuần hoàn trên toàn Trái Đất.
Từ chu trình nay chúng ta thấy rằng chỉ có năng lượng bức xạ khổng lồ của
Mặt Trời mới làm nên những kỳ tích như vậy. Nước theo chu trình, song phân bố
không đồng đều trên hành tinh (theo không gian và thời gian). Ở những vĩ độ nhiệt đới
và xích đạo, lượng mưa trung bình năm vượt trên2250mm, thậm chí có nơi đạt đến

10000mmnhư ở Assam(camơrun). Ở lân cận các chí tuyến, lượng mưa trung bình năm
4
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
rất thấp, dưới 250mm. Do dó khí hậu 2 vùng rất tương phản, tạo nên 2 biom (khu sinh
hoc) đối chọi nhau: một nơi là đai rừng ẩm thường xanh, suần ấp, còn một nơi là
hoang mạc nóng bỏng nghèo nàn.
Ngay trong môt Vùng lượng mưa cũng phân bố không đều theo thời gian. Mưa lớn và
tập trung chủ yếu vào mùa mưa, mùa khô lượng mưa lại rất thấp. cuộc sống của muôn
loài cũng phân bố theo. Trong mùa mưa, cây cối tốt tươi,hoa trái trĩu cành, muôn thú
đua nhau sinh sản. ngược lại vào mủa khô, rừng cây xơ xác, động vật cũng giảm
cường độ tăng trưởng và sinh sản.
Chu trình nước xãy ra trên phạm vi toàn cầu, tham gia vào việc điều hoà khí hậu
trên toàn hành tinh. Chu trình này do đó còn có tên gọi là chu trình nhiệt - ẩm :
5
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
2. Chu trình cacbon
Chu trình cacbon là một chu trình sinh địa hóa học, trong đó cacbon được trao
đổi giữa sinh quyển,thổ nhưỡng quyển, địa quyển và khí quyển của Trái Đất. Nó là
một trong các chu trình quan trọng nhất của Trái Đất và cho phép cacbon được tái chế
và tái sử dụng trong khắp sinh quyển và bởi tất cả các sinh vật của nó.
6
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Biểu đồ chu trình cacbon. Các số màu đen chỉ ra lượng cacbon được lưu giữ trong
các nguồn chứa khác nhau, tính bằng tỉ tấn ("GtC" là viết tắt của GigaTons of
Carbon (tỉ tấn cacbon) và các con số ước tính vào năm 2004). Các số màu xanh lam
sẫm chỉ ra lượng cacbon di chuyển giữa các nguồn mỗi năm. Các loại trầm tích, như
định nghĩa trong biểu đồ này, dkhông bao gồm ~70 triệu GtC trong các loại đá
cacbonat và kerogen.
Chu trình cacbon khởi thủy được Joseph Priestley và Antoine Lavoisier phát hiện ra
và được Humphry Davy phổ biến

[1]
. Hiện nay nó thường được coi như là bao gồm các
nguồn chứa chính sau đây của cacbon, được liên kết với nhau bởi các con đường trao
đổi:
• Khí quyển
• Sinh quyển đất liền, thường được định nghĩa như là bao gồm các hệ sinh thái
nước ngọt và vật chất hữu cơ phi sinh vật, chẳng hạn như cacbon trong đất.
• Các đại dương, bao gồm cacbon vô cơ hòa tan cùng các khu hệ sinh vật và phi
sinh vật biển.
• Các trầm tích, bao gồm cả các nhiên liệu hóa thạch.
7
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
• Phần bên trong của Trái Đất, với cacbon từ lớp phủ và lớp vỏ Trái Đất được giải
phóng vào khí quyển và thủy quyển thông qua hoạt động phun trào núi lửa và các hệ
thống địa nhiệt.
Sự di chuyển hàng năm của cacbon, hay sự trao đổi cacbon giữa các nguồn chứa,
xảy ra là do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học khác nhau. Đại dương
chứa vũng hoạt hóa lớn nhất của cacbon gần bề mặt Trái Đất, nhưng phần đại dương
sâu của vũng này lại không trao đổi nhanh với khí quyển vì thiếu ảnh hưởng và tác
động từ bên ngoài, chẳng hạn như miệng phun thủy nhiệt hay rò rỉ giếng dầu vùng
nước sâu không bị kiềm chế.
Quỹ cacbon toàn cầu là sự cân bằng của các trao đổi (thu nhận và giải phóng hay
đến và đi) của cacbon giữa các nguồn chứa cacbon hay giữa một vòng trao đổi cụ thể
(chẳng hạn như giữa khí quyển với sinh quyển) trong chu trình cacbon. Sự thẩm tra
quỹ cacbon của một vũng hay một nguồn chứa có thể cung cấp thông tin về việc vũng
hay nguồn chứa này đang vận hành như là một nguồn giải phóng hay nguồn thu
giữ điôxít cacbon.
Trong khí quyển

Nồng độ điôxít cacbon trong tầng đối lưu năm 2009.Cacbon tồn tại trong khí

quyển Trái Đấtchủ yếu dưới dạng khí điôxít cacbon (CO
2
). Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ
phần trăm nhỏ trong khí quyển (khoảng 0,04% tính theo mol), nhưng nó lại có vai trò
thiết yếu trong việc hỗ trợ sự sống. Các khí khác chứa cacbon có trong khí quyển
là mêtan và các clorofluorocacbon (các loại khí thứ hai này có nguồn gốc hoàn toàn
nhân tạo). Cây cối và các loại thực vật xanh khác như cỏ chuyển hóa điôxít cacbon
thành các cacbohydrat thông qua quang hợp, giải phóng ôxy trong quá trình này. Quá
trình này là mạnh nhất trong các khu rừng tương đối mới, nơi sự phát triển của cây cối
là nhanh hơn cả. Tác động là mạnh nhất trong các khu rừng lá sớm rụng vào giai đoạn
8
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
ra lá trong mùa xuân. Điều này có thể thấy được như là tín hiệu hàng năm trong đường
cong Keeling của hàm lượng CO
2
đã đo đạc được kể từ năm 1958 tới nay. Sự giảm
xuống hàng năm của hàm lượng điôxít cacbon tại Bắc bán cầu trong mùa xuân là chi
phối, do tại đây có nhiều đất đai hơn trong các vĩ độ ôn đới so với ở Nam bán cầu.
• Rừng lưu giữ khoảng 86% lượng cacbon trên mặt đất trong đất liền của Trái Đất
và khoảng 73% lượng cacbon trong đất của hành tinh.
• Tại bề mặt các đại dương về phía các địa cực thì nước biển trở thành lạnh hơn và
vì thế có nhiều axít cacbonic được hình thành hơn, do CO
2
trở nên dễ hòa tan hơn.
Điều này đi liền với quá trình luân chuyển nhiệt muối của đại dương, vận chuyển nước
bề mặt nặng hơn vào trong lòng đại dương (xem bài về bơm dung giải).
• Tại các khu vực bề mặt đại dương, nơi có hiệu suất chuyển hóa sinh học cao, các
sinh vật chuyển hóa cacbon bằng cách khử bớt nó vào các mô hay thành cacbonat
trong các phần cứng của cơ thể như mai hoặc vỏ của chúng. Tương ứng với chúng
là bơm mô mềm ôxi hóa và bơm cacbonat (hay bơm mô cứng) tái hòa tan ở các mức

tính theo trung bình là thấp hơn của đại dương so với các mức mà chúng được hình
thành, kết quả là tạo ra một luồng lắng xuống của cacbon (xem mục từ về bơm sinh
học).
• Sự phong hóa của các loại đá silicat (xem chu trình cacbonat-silicat). Axít
cacbonic phản ứng với đá bị phong hóa để tạo ra các ion bicacbonat. Các
ion bicacbonat đã sinh ra được vận chuyển tới các đại dương, nơi chúng được sử dụng
để tạo ra các loại khoáng chất chứa cacbonat của đại dương. Không giống như
CO
2
hòa tan trong cân bằng hay các mô bị phân hủy, phong hóa không di chuyển
cacbon vào bên trong nguồn chứa nó mà từ đó nó có thể sẵn sàng để hoàn trả lại cho
khí quyển.
• Năm 1958, hàm lượng điôxít cacbon trong khí quyển đo đạc tại Mauna Loa là
khoảng 320 phần triệu (ppm), còn trong năm 2011 thì hàm lượng đo tại đây là khoảng
391 ppm.
• Phát xạ CO
2
trong tương lai có thể tính toán theo đồng nhất thức Kaya.
Cacbon được giải phóng vào khí quyển theo vài cách:
• Thông qua hô hấp của động và thực vật. Đây là một loại phản ứng tỏa nhiệt và nó
bao gồm sự phân rã glucoza (hay các phân tử hữu cơ khác) thành điôxít cacbon
và nước.
9
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
• Thông qua phân hủy các chất có nguồn gốc từ động vật và thực vật bởi vi
khuẩn. Nấm và vi khuẩn phân hủy các hợp chất chứa cacbon trong động và thực vật
chết và chuyển cacbon có trong đó thành điôxít cacbon (nếu có mặt ôxy), hay
thành mêtan (nếu không có ôxy).
• Thông qua quá trình cháy của vật chất hữu cơ, trong đó cacbon chứa trong vật
chất này bị ôxi hóa, sinh ra điôxít cacbon (và các chất khác, như hơi nước). Việc đốt

cháy các nhiên liệu hóa thạch như than, các sản phẩm từ dầu mỏ và khí tự nhiên giải
phóng cacbon đã lưu trữ trong địa quyển từ hàng triệu năm qua. Việc đốt cháy
các nhiên liệu nông nghiệp cũng giải phóng điôxít cacbon chỉ được lưu giữ trong vài
tháng hay vài năm.
• Sản xuất xi măng. Điôxít cacbon được giải phóng khi đá vôi (cacbonat canxi) bị
nung nóng để tạo ra vôi sống (ôxít canxi), một thành phần của xi măng.
• Tại bề mặt đại dương, nơi nước trở nên ấm hơn, điôxít cacbon đã hòa tan được
giải phóng ngược trở lại khí quyển, do độ hòa tan của nó giảm xuống.
• Các vụ phun trào núi lửa và biến chất giải phóng các khí vào khí quyển. Các khí
núi lửa chủ yếu là hơi nước, điôxít cacbon và điôxít lưu huỳnh. Lượng điôxít cacbon
giải phóng theo cách này về cơ bản là xấp xỉ bằng lượng hấp thụ trong quá trình phong
hóa silicat; vì thế hai quá trình, về mặt hóa học là ngược lại nhau, có tổng xấp xỉ bằng
không, và vì vậy gần như không ảnh hưởng tới nồng độ điôxít cacbon trong khí quyển,
khi tính theo thang thời gian không ngắn hơn khoảng 100.000 năm.
Trong sinh quyển
Cacbon là thành phần thiết yếu của sự sống trên Trái Đất. Khoảng một nửa trọng
lượng khô của phần lớn các sinh vật là cacbon. Nó có vai trò quan trọng trong kết
cấu, hóa sinh học và dinh dưỡng của mọi tế bào. Các sinh khối giữ khoảng 575 tỉ tấn
cacbon, phần lớn trong số này dưới dạng gỗ. Đất giữ khoảng 1.500 tỉ tấn, chủ yếu dưới
dạng cacbon hữu cơ, và có lẽ với khoảng một phần ba của nó là các dạng cacbon vô
cơ, như cacbonat canxi.
• Sinh vật tự dưỡng là các sinh vật có khả năng tạo ra các hợp chất hữu cơ của chính
chúng bằng cách sử dụng điôxít cacbon từ không khí hay từ trong nước mà trong đó
chúng sống. Để làm điều này, chúng cần có nguồn năng lượng từ bên ngoài. Gần như
mọi sinh vật tự dưỡng đều sử dụng bức xạ mặt trời (ánh nắng) để có nguồn năng lượng
này, và vì thế quá trình sản xuất của chúng được gọi là quang hợp. Một lượng nhỏ sinh
10
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
vật tự dưỡng khai thác các nguồn năng lượng hóa học trong quá trình gọi là hóa tổng
hợp. Các sinh vật tự dưỡng quan trọng nhất của chu trình cacbon là cây cối trong các

khu rừng trên cạn và các thực vật phiêu sinh trên mặt đại dương. Quá trình quang hợp
về cơ bản có thể coi là tuân theo phản ứng sau: 6CO
2
+ 6H
2
O → C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
.
• Cacbon được di chuyển trong phạm vi sinh quyển nhưlaf nguồn thức ăn của
các sinh vật dị dưỡng, khi chúng ăn các sinh vật khác hay các bộ phận của sinh vật
khác (như hoa, quả, củ). Quá trình này cũng bao gồm cả việc hấp thụ các vật chất hữu
cơ từ sinh vật chết của nấm và vi khuẩn (trong quá trình lên men hay phân hủy).
• Phần lớn cacbon rời khỏi sinh quyển thông qua hô hấp. Khi có mặt ôxy, hô hấp
hiếu khí diễn ra và giải phóng điôxít cacbon vào không khí hay nước bao quanh, tuân
tho phản ứng: C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
→ 6CO
2

+ 6H
2
O. Khi không có ôxy, hô hấp kị khí xảy ra
và giải phóng mêtan vào môi trường xung quanh, và cuối cùng là thoát vào khí quyển
hay thủy quyển (như khí đầm lầy hay khí thoát ra từ trung tiện).
• Sự đốt cháy sinh khối (như cháy rừng, đốt củi gỗ để lấy nhiệt v.v.) cũngchuyerenr
một lượng đáng kể cacbon vào khí quyển.
• Cacbon cũng luân chuyển trong phạm vi sinh quyển khi vật chất hữu cơ chết
(như than bùn) nập vào trong địa quyển. Mai hay vỏ của động vật chứa cacbonat
canxi cuối cùng cũng có thể chuyển thành đá vôi thông qua quá trình trầm tích hóa.
• Còn nhiều vấn đề với chu trình cacbon trong lòng biển thẳm cần phải nghiên cứu
thêm. Chẳng hạn, phát hiện gần đây cho thấy các sinh vật sống đuôi có cuống
(Appendicularia) tạo ra một lượng lớn các ổ dịch nhầy, tới mức chúng có thể chuyển
cả một lượng lớn cacbon vào lòng biển thẳm, cũng lớn như đã được phát hiện trước
đây bởi các bẫy trầm tích. Do kích thước và thành phần của chúng, các ổ này hiếm khi
thu thập được trong các bẫy trầm tích, vì thế phần lớn các phân tích sinh địa hóa học
đã bỏ qua chúng một cách sai lầm.
Cacbon lưu giữ trong sinh quyển chịu ảnh hưởng của một số quá trình ở các thang
thời gian khác nhau. Trong khi sản xuất chủ đạo ròng tuân theo chu kỳ hàng ngày và
chu kỳ mùa, cacbon có thể được lưu giũ tới vài trăm năm trong cây gỗ và tới hàng
nghìn năm trong đất. Các thay đổi trong các vũng cacbon dài hạn này (như chặt phá
hay trồng rừng hoặc thông qua các thay đổi có liên quan tới nhiệt độ trong sự hô hấp
của đất) có thể ảnh hưởng tới sự thay đổi khí hậu toàn cầu.
Trong thủy quyển
11
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Hàm lượng cacbon vô cơ hòa tan tại mặt biển "ngày nay" (thập niên 1990) (lấy
theo khí hậu họccủa Global Ocean Data Analysis Project (GLODAP).
Các đại dương chứa khoảng 36.000 tỉ tấn cacbon, chủ yếu dưới dạng
ion bicacbonat (trên 90%, với phần còn lại là cacbonat). Các trận bão tố lớn vùi lấp

một lượng lớn cacbon, do chúng cuốn trôi nhiều trầm tích. Chẳng hạn, một tổ nghiên
cứu từ Đại học bang Ohio đã thông báo trong số phát hành tháng 7 năm 2008 của tạp
chí Geology rằng chỉ một trận bão tại Đài Loan đã vùi lấp một lượng cacbon trong
lòng đại dương dưới dạng trầm tích cũng nhiều bằng lượng cacbon bị vùi lấp do toàn
bộ các trận mưa trong cả một năm tại vùng đất này cộng lại. Cacbon vô cơ (các hợp
chất cacbon không chứa liên kết cacbon-cacbon hay cacbon-hiđrô), là quan trọng trong
các phản ứng của chúng với nước. Sự trao đổi cacbon này là quan trọng trong việc
kiểm soát độ pH trong lòng đại dương và cũng có thể thay đổi như là nguồn cung cấp
hay thu cacbon. Cacbon cũng sẵn sàng trao đổi giữa khí quyển và đại dương. Trong
khu vực có sóng cuộn từ dưới lên của đại dương, cacbon được giải phóng vào khí
quyển. Ngược lại, tại các khu vực sóng cuộn từ bề mặt xuống sâu thì cacbon dưới dạng
CO
2
lại từ không khí chuyển vào lòng đại dương. Khi CO
2
chuyển vào lòng đại dương,
nó tham gia vào một loạt các phản ứng, được cân bằng ở quy mô cục bộ:
Hòa tan:
CO
2
(khí quyển) + CO
2
(hòa tan)
Chuyển hóa thành axít cacbonic:
CO
2
(hòa tan) + H
2
O + H
2

CO
3
Ion hóa bậc nhất:
H
2
CO
3
+ H
+
+ HCO
3
−
(ion bicacbonat)
12
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Ion hóa bậc hai:
HCO
3
−
+ H
+
+ CO
3
−−
(ion cacbonat)
Mỗi phản ứng trong chuỗi các phản ứng hóa học này đều có hệ số cân bằng riêng
của chính mình, xác định dạng mà cacbon vô cơ chiếm giữ trong lòng đại dương. Các
hệ số này, từng được xác định theo công thức kinh nghiệm cho nước biển, là các hàm
số phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và sự tồn tại của các ion khác (đặc biệt là ion borat).
Trong lòng đại dương, các cân bằng nghiêng về phía ion bicacbonat. Do ion này là

bước thứ ba trong quá trình loại CO
2
từ khí quyển, nên mức độ lưu giữ cacbon vô cơ
trong lòng đại dương không tỷ lệ thuận với áp suất thành phần của CO
2
trong khí
quyển. Hệ số đối với đại dương là khoảng 10, nghĩa là khi CO
2
trong khí quyển tăng
(giảm) 10% thì cân bằng lưu giữ trong đại dương chỉ tăng (giảm) khoảng 1%, với hệ
số chính xác phụ thuộc vào các điều kiện tại khu vực đo đạc. Hệ số đệm này thường
được gọi là "hệ số Revelle", đặt theo tên nhà khoa học Roger Revelle.
Trong lòng đại dương, cacbonat hòa tan có thể kết hợp với canxi hòa tan để kết tủa
dưới dạng cacbonat canxi (CaCO
3
) rắn, chủ yếu dưới dạng mai hay vỏ của các vi sinh
vật. Khi các sinh vật này chết đi, lớp vỏ của chúng trầm lắng xuống và tích tụ trên đáy
biển. Theo thời gian, các trầm tích cacbonat này tạo thành đá vôi, nguồn chứa cacbon
lớn nhất trong chu trình cacbon. Canxi hòa tan trong đại dương đến từ phong hóa hóa
học của các loại đá silicat canxi, trong đó axít cacbonic và các axít khác có trong nước
ngầm phản ứng với các khoáng vật chứa canxi, giải phóng ra các ion canxi tự do vào
trong dung dịch và để lại phần bã của các khoáng vật sét giàu nhôm mới được hình
thành cùng các khoáng chất không hòa tan, như thạch anh.
Luồng hấp thụ điôxít cacbon vào trong lòng đại dương chịu ảnh hưởng bởi sự có
mặt của các virus phổ biến rộng trong nước biển, gây nhiễm trùng cho nhiều loài vi
khuẩn. Sự chết đi hàng loạt của vi khuẩn dẫn tới kết quả là làm gia tăng sự hô hấp
điôxít cacbon tại bề mặt tiếp giáp của khí quyển và đại dương, góp phần làm tăng vai
trò của đại dương như là nguồn hấp thụ cacbon.
3.Chu trình nito
Vai trò: Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữ khá giàu trong khí quyển, chiếm gần

80% thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khí oxy. Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành
nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein Nitơ phân tử (Nitơ tự do -
N2) có nhiều trong khí quyển, nhưng chúng không có hoạt tính sinh học đối với
13
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
phần lớn các loài sinh vật, chỉ một số rất ít các loài sinh vật có khả năng đồng hoá
được nitơ ở dạng này. Các loài thực vật có thể sử dụng được nitơ ở dạng muối như
nitrat - đạm dễ tiêu (NO3-) hoặc ở dạng ion amon (NH4+), NO2
Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tự như các chu trình khí khác, được sinh vật sản
xuất hấp thụ và đồng hoá rồi được chu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêu thụ, cuối
cùng bị sinh vật phân huỷ trả lại nitơ phân tử cho môi trường. Tuy nhiên quá trình này
diễn ra phức tạp hơn nhiều, tuy vậy chu trình nitơ là chu trình xảy ra nhanh và liên tục.
Do tính chất phức tạp của chu trình bao gồm nhiều công đoạn theo từng bước: sự cố
định đạm, sự amôn hoá, nitit hoá, nitrat hoá và phản nitrat.
a. Sự cố định đạm (Nitrogen fixation)
Cố định đạm trước hết đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử nitơ để tách nó thành 2 nguyên
tử (N
2
=> 2N), trong cố định nitơ sinh học thì đó là bước đòi hỏi năng lượng là 160
Cal/mol. Khi kết hợp nitơ với hydro tạo thành amoniac (N +H => NH
3
). Tất cả các
sinh vật cố định nitơ đều cần năng lượng từ bên ngoài, mà các hợp chất cacbon đóng
vai trò đó để thực hiện những phản ứng nội nhiệt (Endothermic). Trong quá trình
14
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
cố định đạm, vai trò điều hoà chính là 2 loại enzym: nitrogenase và hydrogenase;
chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp.
Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằng con đường hoá - lý và sinh học, trong đó
con đường sinh học có ý nghĩa nhất và cung cấp 1 khối lượng lớn đạm dễ tiêu cho môi

trường đất. Sự cố định đạm bằng điện hoá và quang hoá trung bình hàng năm tạo ra
7,6 triệu tấn (4-10kg/ha/năm), còn bằng con đường sinh học khoảng 54 triệu tấn .
Những sinh vật có khả năng cố định đạm là vi khuẩn và tảo. Chúng gồm 2 nhóm
chính: Nhóm sống cộng sinh (phần lớn là vi khuẩn, một số ít tảo và nấm) và nhóm
sống tự do (chủ yếu là vi khuẩn và tảo). Vi khuẩn cố định đạm sống cộng sinh gặp
nhiều trong đất, ngược lại các loài cố định đạm sống tự do lại gặp nhiều trong nước và
trong đất. Song nhóm cộng sinh về mặt số lượng có vai trò quan trọng hơn, gấp trăm
lần nhóm sống tự do.
Ngoài những vi khuẩn cố định đạm cần năng lượng lấy từ nguồn cacbon bên ngoài,
còn có loài vi khuẩn tía (Rhodopseudomonas capsulata) có thể sinh sống bằng nitơ
phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng được sử dụng như một nguồn năng
lượng (Madigan và nnk, 1979).
Những vi khuẩn có khả năng cố định nitơ gồm các loài của
chi Rhizobium sống cộng sinh với các cây họ Đậu để tạo nên các nốt sần ở rễ, cố định
được một lượng lớn nitơ. Ví dụ, cỏ 3 lá (Trifolium sp.) và đậu chàm
(Medicago sp.) cố định được 150 - 400kg/ha/năm. Ngoài ra gần đây, người ta còn phát
hiện ra một số các loài xạ khuẩn (Actinomycetes) (nhất là các nấm nguyên thuỷ) cộng
sinh trong rễ của chi Alnus và một số loài cây khác cũng có khả năng cố định
đạm, tuy hiệu suất thấp hơn so với Rhizobium. Đến nay, người ta đã biết được xạ
khuẩn sống cộng sinh trong rễ của 160 loài cây thuộc 8 chi của 8 họ thực vật khác
nhau. Ngoài các loài của chi Alnus, các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus,
Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo
(Torrey, 1978) và chúng sống tập trung ở vùng ôn đới.
15
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Trong môi trường nước, vi sinh vật cố định nitơ khá phong phú. Ở đây thường
gặp những loài vi khuẩn kỵ khí thuộc các chi Clostridium, Methano, Bacterium,
Methanococcus, Desulfovibrio và một số vi sinh vật quang hợp khác. Ở những nơi
thoáng khí thường gặp các đại diện của Azotobacteriaceae (như Azotobacter) và
các loài tảo (vi khuẩn lam) thuộc các chi Anabaena, Aphanozinemon, Nostoc,

Microcystis, Nodularia, Gloeocapsa Để hoạt hoá nitơ, những sinh vật tự dưỡng sử
dụng năng lượng của quá trình quang hoá hoặc hoá tổng hợp, còn các vi sinh vật dị
dưỡng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường.
b. Quá trình amon hoá (Ammoniafication) hay khoáng hoá (Mineralization).
Sau khi gắn kết hợp chất nitơ vô cơ (NO
3
-
) thành dạng hữu cơ (thường là
nhóm amin - NH
2
) thông qua sự tổng hợp protein và acid nucleic thì phần lớn
chúng lại quay trở về chu trình như các chất thải của quá trình trao đổi chất (urê,
acid uric ) hoặc chất sống (protoplasma) trong cơ thể chết. Rất nhiều vi
khuẩn dị dưỡng, Actinomycetes và nấm trong đất, trong nước lại sử dụng các hợp
chất hữu cơ giàu đạm, cuối cùng chúng thải ra môi trường các dạng nitơ vô cơ (NO
2
-
,
NO
3
-
và NH
3
). Quá trình đó được gọi là amôn hoá hay khoáng hoá. Quá trình này là
các phản ứng giải phóng năng lượng hay phản ứng ngoại nhiệt. Chẳng hạn nếu
protein là glyxin baz thì quá trình amôn hoá sẽ giải phóng ra 176 Cal/mol. Năng lượng
này được vi khuẩn sử dụng để duy trì các hoạt động sống của mình. Tại những nơi
16
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
yếm khí, nhiều vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phân

giải protein để giải phóng NH
3
và H
2
S trong đó, một số vi sinh vật amôn hoá khá
“hẹp thực”, chỉ sử dụng pepton mà không phân huỷ các acid amin, sử dụng urê mà
không phân huỷ uric; ngược lại nhiều loài sử dụng rất rộng rãi nguồn chất hữu cơ chứa
nitơ, từ dạng đơn giản nhất đến cả dạng phức tạp nhất.
b1.Quá trình amon hóa ure
*Khái niệm
Ure là một loại hợp chất hữu cơ đơn giản chứa 46,6% N, được sản xuất trong các
nhà máy phân bón bằng cách tổng hợp:
Lượng hữu cơ vùi vào đất rất lớn , hàm lượng các chất này nằm trong đất khá nhiều
nhưng cây trồng không thể hấp thụ trực tiếp từ các chất hữu cơ đó, mà phải thông qua
quá trình phân hủy và chuyển hóa các loài vi sinh vật để hình thành các chất dinh
dưỡng cây trồng đễ hấp thụ. Nếu không có quá trình amôn hóa thì dù có giàu hữu cơ
đến đâu cũng đều vô hiệu với cây trồng và càng gây độc hại cho môn sinh.
Đơn giản nhất đó là lượng ure chứa trong nước tiểu. Người ta đã tính rằng trong
nước tiểu có khoảng 2%ure. Vậy nhân loại mỗi ngày thải ra hang vạn tấn ure, đó là
chưa kể lượng ure do các loài động vật thải ra. Trái Đất sẽ bị hủy diệt như thế nào?
*Cơ chế của quá trình amon hóa ure
Dưới tác dụng của menureaza do cscs vi sinh vật tiết ra làm xúc tác cho quá trình
chuyển hóa ure:
vi sinh vật
CO(NH
2
)
2
+2H
2

O -> (NH
4
)
2
CO
3
ureaza
(NH
2
)
2
CO
3
-> 2NH
3
+ CO
2
+ H
2
O
Vi khuẩn ure có khả năng phân giải axit uric và xianamit canxi. Axit uric là một
loại hợp chất nitơ hữu cơ chứa trong nước tiểu được phân giả như sau:
Xianamit canxi được phân giải như sau:
CNNCa + H
2
O -> CN-NH
2
+ Ca(OH)
2
CN-NH

2
+ H
2
O -> CO(NH
2
)
2
Sau đó các sản phẩm ure lại được phân giải như phưng trình trên để giải phóng ra
NH3.
*Các loại sinh vật phân giải ure.
17
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Pasteur là người đầu tiên đã phát hiện ra vi khuẩn phân giải ure (1862). Cho đến
nay người ta đã phát hiện và phân lập được rất nhiều chủng vi khuẩn : Planosarcina
ureae, Micrococcus eurae, Sarcina hansenii, Bacillus pasteurii, Bac.hesmogenes, ….
Nhiều loại nấm mốc và xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải ure.
Vi khuẩn phân giải ure thường thuộc loại hiếu khí hoặc kị khí không bắt buộc,
chúng phát triển tốt ở PH=6,5- 8,5
b2.Quá trình amon hóa protein
*Khái niệm
Protein là thành phần cơ bản của chất nguyên sinh, hang trăm protein được đưa vào
đất với số lượng rât lớn (cùng với xác hữu cơ, phân chuồng, phân xanh, phân rác ).
Trong protein có chứa khoảng 15-17% nitơ
Quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ(protein ) để tạo ra NH3
cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng dưới tác dụng của các loài sinh vật được gọi là quá
trình amon hóa protein.
*Cơ chế của quá trình.
Dưới tác dụng của proteaza, các protein được phân giải thành các hợp chất đơn
giản hơn.(polypeptit, olygopeptit). Các chất này tiếp tục được phân giải thành axit
amin nhờ tác dụng của men peptidaza ngoại bào. Các chất này cũng có thể trực tiếp

hấp thụ vào tế bào vi sinh vật, sau đó tiếp tục chuyển hóa thành axit amin. Các axit
amin này sẽ được sử dụng một phần vào quá trình sinh tổng hợp protein của vi sinh
vật, một phần được tiếp tục phân giải để tạo thành NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung
gian khác.
Quá trình khử amin sẽ sảy ra theo một trong những phản ứng sau:
Khi phân giải các axit amin chứa S (như metionin, xistin, xistein) vi sinh vật giải
phóng ra H
2
S và nếu tích lũy nhiều trong đất sẽ làm thối rễ cây trồng.
Khi phân giải tryptophan, một số vi sinh vật có thể sinh ra chất có mùi thối là indon
và scaton.
Một số amin sinh ra trong quá trình khử cacboxyl của các axit amin có thể độc với
người và gia súc, đáng chú ý là histamin, acmatin, putrexin, cadavein.
*Vi sinh vật.
18
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Vi khuẩn gồm: Bacillus mycoides, B.mesentercus, B.subtilis, ptoteus vulgaris,
Chromobacterium prodogiosum, Psedomonas fluorescens, Escherichia coli,
Clostridium sporogenes.
Xạ khuẩn gồm: Steptomyces griseus, S.rimesus.
Nấm mốc : Aspergillus oryazae, A.flavus, A.terricoda, A.niger, Penicillum
camomberli, mucor.
Các vi sinh vật này đều có thể sản sinh vào môi trường men proteaza, proteinaza,
peptidaza, chúng xúc tác quá trình thủy phân lien kết peptit và một số liên kết khác.
b3.Quá trình amon hóa kitin.
*Khái niệm
Kitin là hợp chất cao phân tử bền vững. Cấu trúc của kitin gần với cấu trúc của
xenlulose, nhưng trong phân tử các gốc gluco, người ta thấy gốc hydroxin ở nguyên tử
cacbon thứ 2 được thay thế bằng những gốc amin đã được axetin hóa.
Kitin có mặt trong thành tế bào của nhiều loại nấm(nhất là Acomycetes và

Basidimomycetes), trong vỏ nhiều loại côn trùng.
Hàng năm có tới vài triệu tấn kitin của giáp xác hình thành trong các đại đương.
Kitin cũng có số lượng không nhỏ trong đất.
Với khối lượng lớn như vậy, nhờ có các vi sinh vật, kitin được phân giải và chuyển
hóa để thành các chất hữu cơ đơn giản, sau đó tiếp tục phân giải để cho ra các dinh
dưỡng cung cấp cho cây trồng.
*Cơ chế phân giải kitin
Dưới tác dụng của enzym kitinaza phân giải kitin thành N-acetyl-glucozamin.
*Những vi sinh vật phân giải kitin.
Có rất nhiều loại vi sinh vật phân giải kitin như:
- Vi khuẩn gồm: Achoromobacter, Flavobacterium, Bacillus, Cytophaga,
Pseudomonas, Nocardia, Micromonospora.
- Nấm gồm: Aspergillus, Mortierella.
- Xạ khuẩn gồm: Steptomyces gricecus.
c.Quá trình nitrat hoá (Nitrification)
19
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Quá trình biến đổi của NH
3
, NH
4
+
thành NO
2
-
, NO
3
-
được gọi là quá trình nitrit
hoá và nitrat hoá hay gọi chung là quá trình nitrat hoá. Quá trình này phụ thuộc vào pH

của môi trường và xảy ra chậm chạp
Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa gồm có 2 nhóm:
• Vi khuẩn nitrit: oxy hóa amoniac thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ nhất;
• Vi khuẩn nitrat: oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai.
Các phản ứng được biễu diễn qua các phương trình sau:
- Bước đầu: Biến đổi amôn hay amoniac thành nitrit
2NH
4
+
+ 3O
2
Oxi hoá nhờ Nitrosomonas > 2NO
2
+ 4H
+
+ Năng lượng
- Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat
2NO
2
+O
2
Oxi hoá nhờ Nitrobacter > 2NO
3
+ Năng lượng
Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoạn hai. Bằng
thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg nitơ của
muối amon ở giai đoạn tạo nitrit là 343 mg O
2
, còn ở giai đoạn tạo nitrat là 4,5 mg O
2

.
Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất
bẩn hữu cơ.
Những đại diện của chủng vi sinh vật Nitrosomonas có thể biến đổi amoniac thành
nitrit, một chất độc thậm chí với hàm lượng rất nhỏ. Những vi sinh vật
khácnhư Nitrobacter lại dinh dưỡng bằng nitrit, tiếp tục biến đổi nó thành
nitrat. Những vi sinh vật nitrit hoá đều là những sinh vật tự dưỡng hoá tổng hợp, lấy
năng lượng từ quá trình oxy hoá. Chẳng hạn, Nitrosomonas khi chuyển hóa
amoniac thành NO
2
-
sinh ra năng lượng 65 Cal/mol, còn Nitrobacter tạo ra năng
lượng 17 Cal/mol. Chúng sử dụng một phần năng lượng này để kiếm nguồn
cacbon từ việc khử CO
2
hay HCO
3
- Như vậy, khi thực hiện điều này để tự tăng
trưởng, chúng đã sản sinh ra một lượng đáng kể nitrit hoặc nitrat cho môi trường.
Nitrat (cũng như nitrit) dễ dàng lọc khỏi đất, đặc biệt trong đất chua. Nếu
không được thực vật đồng hoá, chúng có thể thoát ra khỏi hệ sinh thái này để đến hệ
sinh thái khác qua sự chu chuyển của nước ngầm.
Quá trình nitrat hóa có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Trước
tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên. Nhưng
quan trọng hơn là quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng
để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nito
20
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
d. Quá trình phản nitrat hoá (Denitrification)
Con đường chuyển hoá của nitrat qua các quá trình đồng hoá - dị hoá để trở về các

dạng như N
2
, NO, N
2
O được gọi là quá trình phản nitrat. Những đại diện của vi khuẩn
đóng vai trò quan trọng trong quá trình này là Pseudomonas, Escherichia và nấm.
Chúng sử dụng nitrat như nguồn oxy với sự có mặt của glucose và photphat. Phần
lớn những vi khuẩn phản nitrat chỉ khử nitrat đến nitrit, các loài khác lại khử
nitrit đến amoniac. Trong điều kiện kỵ khí, sự phản nitrat đến dạng N
2
O khi
có mặt của glucose là 1 phản ứng ngoại nhiệt, giải phóng 1 lượng nhiệt 545 Cal/mol.
Còn phản nitrat đến nitơ phân tử cho 570 Cal/mol. Ngược lại, các phản ứng oxy hoá
glucose trong điều kiện hiếu khí cho 686 Cal/mol. Trừ khi bị bắt trở lại trong quá trình
cố định nitơ. Nitơ phân tử được giải phóng trong quá trình phản nitrat hoá có thể trở
lại nguồn dự trữ trong khí quyển, song dù là 1 dạng oxyt hay nitơ phân tử có được tạo
thành hay không đều tuỳ thuộc vào pH của môi trường. Sự gia tăng oxyt nitơ (NO)
xuất hiện ở pH < 7. Nếu pH > 7,3 thì dinitơ oxyt (N
2
O) có xu hướng bị tái hấp thụ và
tiếp theo bị khử trong quá trình phản nitrat trở thành nitơ phân tử.
Do quá trình phản nitrat đến nitơ phân tử chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí hay kỵ
khí một phần, nên quá trình này thường gặp trong đất yếm khí và trong đáy sâu của
các hồ, các biển không có oxy hoặc giàu các chất hữu cơ đang bị phân huỷ.
21
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
4.Chu trình phốt pho
Như một thành phần cấu trúc của axit nucleic, lipit photpho và nhiều hợp chất có
liên quan với phot pho, phốt pho là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng bậc
nhất trong hệ thống sinh học. Tỷ lệ phốt pho so với các chất khác trong cơ thể thường

lớn hơn tỷ lệ như thế bên ngoài mà cơ thể có thể kiếm được và ở nguồn của chúng.
Do vậy, photpho trở thành yếu tố sinh thái vừa mang tính giới hạn, vừa
mang tính điềuchỉnh. Ta có thể hình dung, sựphát triển của thực vật phù du
(Phytoplankto) trong các hồ biến động rất lớn, phụ thuộc vào sự biến thiên rất
mạnh của hàm lượng phốt pho tổng số, đặc biệt vào tỷ lệ hàm lượng giữa phốt pho,
nitơ và cacbon. Ngay những hồ mà có tỷ lệ nitơ thấp hơn so với phốt pho thì dù phốt
pho có giàu, thực vật phù du cũng không thể phát triển mạnh. Như vậy, nitơ trở thành
yếu tố giới hạn. Tỷ lệ tương đối của các muối dinh dưỡng cho sự phát triển của thực
vật phù du liên quan chặt chẽ với một phức hợp của quá trình sinh học, địa chất và vật
lý, bao gồm cả sự quang hợp, sự lựa chọn của các loài tảo có khả năng sử dụng nitơ
của khí quyển, cả độ kiềm, việc cung cấp muối dinh dưỡng, tốc độ đổi mới và xáo trộn
của nước.
Thực vật đòi hỏi photpho vô cơ cho dinh dưỡng. Đó là orthophotphat (PO4). Trong
chu trình khoáng điển hình, photphat sẽ được chuyển cho sinh vật sử dụng và sau
22
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
lại được giải phóng do quá trình phân huỷ. Tuy nhiên, đối với photpho trên con
đường vận chuyển của mình bị lắng đọng rất lớn. D.R. Lean (1973) nhận ra rằng, sự
“bài tiết” phốt pho hữu cơ của thực vật phù du cũng dẫn đến sự tạo thành các chất keo
ngoài tế bào mà chúng xem như các phần tử vô định hình chứa phốt pho trong nước
hồ. Ở biển, sự phân huỷ sinh học diễn ra rất chậm, khó để phốt pho sớm trở lại tuần
hoàn. Tham gia vào sự tái tạo này chủ yếu là nguyên sinh động vật (Protozoa) và
động vật đa bào (Metazoa) có kích thước nhỏ.
Sự mất phốt pho gây ra bởi 2 quá trình diễn ra khác nhau: một dài, một ngắn. Sự
hấp thụ vật lý của trầm tích và đất có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra
hàm lượng photpho hoà tan trong đất và các hồ. Ngược lại, sự lắng đọng, thường
kết hợp photpho với nhiều cation khác như nhôm, canxi, sắt, mangan do đó, tạo
nên kết tủa lắng xuống. Trong các khu vực nước có sự xáo động mạnh hoặc nước trồi,
photpho mới được đưa trở lại tầng nước. Lượng photpho quay trở lại còn nhờ chim
hoặc do nghề cá, song rất ít so với lượng đã mất. Những thực vật sống đáy ở vùng

nước nông được ví như một cái bơm động lực có thể thu hồi lượng photpho ở sâu
trong trầm tích đáy. Người ta đã thống kê được 9 loài thực vật lớn
(Macrophyta) phổ biến tham gia vào việc tìm kiếm và khai thác photpho trong các
“mỏ” như thế thuộc các chi Myriophyllum, Potamogeton, Callitriche, Elodea và
Najas
Sự lắng chìm của phốt pho còn gắn với các hợp chất của lưu huỳnh như FeS,
Fe
2
S
3
trong chu trình lưu huỳnh và cả với quá trình phản nitrat.
Xương, răng động vật chìm xuống đáy sâu đại dương cũng mang đi một lượng phốt
pho đáng kể. Song sự tạo thành guano (chất thải của chim biển) hàng nghìn năm dọc
bờ tây của Nam Mỹ (Chi lê, Peru) lại là mỏ phân photphat cực lớn. Trên đảo
Hoàng Sa, Trường Sa, phân chim trộn với đá vôi san hô trong điều kiện “dầm”
mưa nhiệt đới cũng đã hình thành mỏ phân lân quan trọng như thế.
5. Chu trình lưu Huỳnh
23
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Lưu huỳnh, một nguyên tố giàu thứ 14 trong vỏ Trái Đất, là thành phần rất quan
trọng trong cấu trúc sinh học như các axit amin, cystein, metionin và chu trình của nó
đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa các muối dinh dưỡng khác như oxy, phốt
pho Trung tâm của chu trình lưu huỳnh có liên quan với sự thu hồi sunphat (SO2-)
của sinh vật sản xuất qua rễ của chúng và sự giải phóng và biến đổi của lưu
huỳnh ở nhiều công đoạn khác nhau, cũng như những biến đổi dạng của nó, bao gồm
sunphua hydryl (-SH), sunphua hydro (H2S), thiosunphat (SO2-) và lưu huỳnh
nguyên tố. Tương tự như chu trình nitơ, chu trình lưu huỳnh rất phức tạp, song lại
khác với chu trình ni tơ ở chỗ nó không lắng đọng vào những bước "đóng
gói" riêng biệt như sự cố định đạm, amon hóa
24

Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
- Sự đồng hóa và giải phóng lưu huỳnh bởi thực vật
Lưu huỳnh đi vào xích dinh dưỡng của thực vật trên cạn qua sự hấp thụ của rễ
dưới dạng sunphat (CaSO4, Na2SO4) hoặc sự đồng hóa trực tiếp các axit amin được
giải phóng do sự phân hủy của xác chết hay các chất bài tiết. Sự khoáng hóa của
vi khuẩn và nấm (Aspergillus và Neurospora) đối với các chất sunphuahydryl hữu
cơ trong thành phần các axit amin. Kèm theo sự oxy hóa dẫn đến sự hình thành
sunphat làm giàu nguồn khoáng cho sự tăng trưởng của thực vật.
Trong điều kiện yếm khí, axit sunphuric (H2SO4) có thể trực tiếp bị khử cho
sunphit, bao gồm hydrosunphit do các vi khuẩn Escherichia và Proteus (SO
4
2+
+
2H
+
= H
2
S + 2O
2
).
Sunphat cũng bị khử trong điều kiện kỵ khí để cho lưu huỳnh nguyên tố
hay sunphit, bao gồm hydrosunphit, do các vi khuẩn dị dưỡng như Desulfovibrio,
Escherichia và Aerobacter. Những vi khuẩn khử sunphat yếm khí là những loài
dị dưỡng, sử dụng sunphat như chất nhận hydro trong oxy hóa trao đổi chất, tương tự
như vi khuẩn phản nitrat sử dụng nitrit hay nitrat.
Cho đến nay, người ta thừa nhận rằng sự khử sunphat xảy ra trong điều kiện kỵ
khí, song cũng phát hiện thấy phản ứng này xuất hiện cả ở nơi có “vết” oxy, nitrat hay
25