Bài giảng sinh thái học công nghiệp chương 2 PGS TS nguyễn thị kim thái

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (286.06 KB, 26 trang )

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chơng 2
các chu trình sinh địa hóa học
2.1. Các chu trình sinh địa hoá ( Vòng tuần hoàn vật chất )
2.2.1. Khái niệm về các chu trình sinh địa hoá
Trái đất của chúng ta là một hành tinh khá lớn trong hệ mặt trời. Trái đất giống nh
một quả cầu đồng tâm gồm các lớp sau:
Khí quyển ( Atmosphere) : Là lớp mỏng ngoài cùng bao quanh trái đất và rất cần thiết cho sự
sống: Oxy cần thiết cho sự hô hấp của động vât và thực vật; Cacbonic cần thiết cho quá trình
quanh hợp; Nitơ là một trong những nguyên tố cơ bản của protein và ozon bảo vệ chúng ta
tránh các tia tử ngoại có hại của ánh sáng mặt trời.
Tầng khí quyển ở độ cao khoảng 2.000 km phía trên bề mặt trái đất và thờng xuyên chịu ảnh
hởng của vũ trụ và mặt trời. Tầng khí quyển đợc chia thành 4 vùng chính ( tầng đối lu,
bình lu, tầng giữa và tầng nhiệt lu).
Tầng đối lu (Troposphere) ở trong cùng có bề dầy khoảng 17 km hầu hết chứa chứa tới 90 %
các phân tử không khí , gồm 78% N , 21% O2 , 0,03% CO2 và còn lại là các khí khác. Tại
vùng này , các phản ứng hoá học thờng diễn ra nhanh trong đó bao gồm cả quả trình quang
hợp và cố định ni tơ. Tầng bình lu (Stratosphere) dầy khoảng 17-18km; phần thấp của tầng
này là lớp ozon (O3). Ozon tạo thành một lớp màng mỏng hấp thụ các bức xạ tử ngoại có hại
của ánh sáng mặt trời, bảo vệ sự sống trên trái đất.
Thuỷ quyển ( Hydrosphere): Gồm toàn bộ nớc có trên trái đất có cả ba thể rắn ( băng và các
núi băng), lỏng ( nớc) và khí ( hơi nớc ).
Thạch quyển ( Lithosphere): Gồm lớp đá cứng ở dới và lớp vỏ. Lớp vỏ có chứa các hoá
thạch, khoáng vật và các chất dinh dỡng cần thiết cho cây xanh.
Sinh quyển ( Biosphere) hay còn gọi là quyển sinh thái: là phần của trái đất mà ở đó các cơ
thế sống ( thành phần hữu sinh) tơng tác lẫn nhau và tơng tác với môi trờng (thành phần vô
sinh).
Thuỷ quyển, thạch quyển và sinh quyển hình thành nên lớp vỏ trái đất. Sự sống của trái

đất phụ thuộc vào ba nhân tố tơng tác lẫn nhau: Năng lợng mặt trời, các chu trình dinh
dỡng (vòng tuần hoàn vật chất) và trọng lực.
Năng lợng bức xạ mặt trời dới dạng ánh sáng và nhiệt đợc truyền đến các hành tinh của
nó. Nguồn năng lợng này chính là động lực chủ yếu của nhiều quá trình xảy ra trên các
quyển của trái đất. Trái đất chỉ nhận đợc một phần rất nhỏ của nguồn năng lợng này. Một
tỷ lệ vô cùng nhỏ ( 0,023 %) của năng lợng mặt trời đợc vật sản xuất sử dụng để quang hợp
, tạo ra các chất hữu cơ cần thiết cho đa số các cơ thể sống khác.
Trọng lực : tạo ra do lực hấp dẫn giữa trái đất và mặt trời gây ra. Trọng lực giữu cho trái đất
tồn tại trong bầu khí quyể của nó và tất cả các chất của chu trình vật chất đều rơi trở về trái
đất.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

10

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chu trình dinh dỡng: Các chất dinh dỡng là tất cả các nguyên tố hoặc các chất mà một cơ
thể sống phải hấp thụ để tồn tại, sinh trởng và phát triển. Các cơ thể sống cần một lợng khá
lớn các nguyên tố cácbon, oxy, nitơ, phốt pho, lu huỳnh.. và cần một lợng không nhiều các
nguyên tố khác nh sắt, natri,đồng, iốt..
Các chất dinh dỡng này liên tục quay vòng từ môi trờng vào các cơ thể sống và sau đó lại
quay trở lại môi trờng và đợc gọi là chu trình dinh dỡng; chu trình sinh địa hoá hay vòng
tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.
Nh vậy chúng ta có khái niệm:
Các nhân tố hóa học tham gia vào thành phần của hệ sinh thái luôn luôn có sự tuần hoàn từ
bên ngoài môi trờng vào bên trong cơ thể rồi sau đó lại trở lại môi trờng theo các con đờng
khác nhau. Trong hệ sinh thái các con đờng này khép kín và tạo thành các chu trình gọi là

các chu trình sinh-địa --hóa của các nguyên tố.
Dòng ra bức
sóng

Dòng đến bức
sóng

M
Năng lợng
Mặt

Bay

O2
Bốc
sinh
Năng lợng
do hô
C

2

Dòng chảy

Đấ
Biển - Đại
Chất dinh dỡng
v
Đ
Nớc

Năng lợng địa

Chuyển vận
Dòng năng
Dòng vật

Giới hạn của vòng đại
tuần hon địa chất
Giới hạn của vòng tiểu
tuần hon sinh

Hình 2.1. Quan hệ giữa vòng đại tuần hoàn địa chất và tiểu tuần hoàn sinh học

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

11

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hoạt động của các chu trình sinh - địa hóa đợc thể hiện qua chuỗi thức ăn, màng lới thức
ăn và dòng chuyển hoá năng lợng giữa các thành phần trong hệ. Dòng chuyển năng lợng
qua hệ sinh thái đợc thể hiện ở Hình 2.2.
Năng lợng mặt trời

Vật sản xuất
(thực vật)

S
Vật tiêu thụ bậc I
(loài ăn thực vật)
S
Vật tiêu thụ
bậc II

Các chất bài tiết
Xác chết

Vật chất
Khí
Chất hòa tan đợc

S
Vật tiêu thụ
Bậc III

S
Vật phân hủy
(vi sinh vật)
Hình 2.2. Dòng chuyển năng lợng qua hệ sinh thái
Năng lợng
Vật chất
Entropy
S
Nh vậy, trong hệ sinh thái, các vật chất tạo nên thức ăn sẽ đi qua toàn bộ lới thức ăn
của quần xã rồi nhờ các sinh vật phân giải trở về đất ở trạng thái ban đầu, sau đó lại tham gia
vào quá trình tổng hợp nhờ các sinh vật sản xuất. Vì thế trong quần xã luôn luôn có sự tuần
hoàn vật chất (kèm theo năng lợng).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

12

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chu trình vật chất đợc thực hiện trên cơ sở tự điều hòa của quần xã. Về nguyên tác ,
các chu trình sinh địa hóa tuân theo qui trình sau:

Nguồn vật chất

Môi trờng

Cơ thể sống

Tất cả mọi dây chuyền dinh dỡng đều đợc đặc trng bởi sự luân chuyển vật chất, vật
chất sẽ chuyển đổi ở mỗi giai đoạn thành vật chất mới, tất nhiên với sự cần thiết có công năng.
Một trong những hậu quả của hoạt động này xuất phát từ sự cỡng bách của nguyên lý thứ hai
của nhiệt động học kéo theo là sự giảm sút năng lợng tự do hiện diện ở mỗi một bậc của
chuỗi khi ngời ta đi lên theo chuỗi đó.
Theo quy luật hình tháp sinh thái Trong hệ thống mạng lới thức ăn của hệ sinh thái,
các loại sinh vật ở mắt lới càng xa vị trí của sinh vật sản xuất thì có sinh khối trung bình
càng nhỏ.
Thực vật có diệp lục tố là yếu tố ban đầu trong quần xã đã sử dụng năng lợng mặt trời
và tiếp nhận chất dinh dỡng từ khí quyển và đất. Các chất dinh dỡng và năng lợng của ánh
sáng mặt trời đợc tích luỹ trong thực vật, qua toàn bộ lới thức ăn sẽ đợc phân phối dần ở

mỗi bậc theo các mắt xích.. Và vì thế sinh khối của sinh vật sản xuất bao giờ cũng lớn hơn
sinh khối của sinh vật tiêu thụ bậc 1 và sinh khối của vật tiêu thụ bậc 1 lại lớn hơn của vật tiêu
thụ bậc 2. Hình tháp sinh khối có thể minh họa nh ở Hình 2.3.

Vật tiêu thụ III
Vật tiêu thụ II

B4
B3

Vật tiêu thụ I

B2

Vật sản xuất

B1
B1 ằ B2 ằ B3 ằ B4
Hình 2.3. Sơ đồ hình tháp sinh khối

Phân huỷ sinh học của các hợp chất hữ cơ: Tất cả những chất hóa học tự nhiên đều tham
gia vào quá trinhg chuyển hoá sinh học (còn gọi là phân huỷ sinh học). Sự phân huỷ sinh học
đợc coi là một tham số quan trọng phải tính đến để dự báo tiến diễn các phế liệu hữu cơ
trong môi trờng.
Thí dụ về sự phân giải các hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật ở Hình 2.4 và Hình 2.5.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

13

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Các hợp chất
hữu cơ dạng hoà
tan hoàn toàn

Các hợp cht
hữu cơ
dạng rắn

Thuỷ phân

Các hợp chất hũ cơ
dạng hoà tan

Sunphát
hoá

Khử sunphát

Sunphuarơ
(H2S)

Lên men

axit béo +
alcohol

Carbonic

(CO2)

Axeton hoá

Hydro
(H2)

Axetát

Metan hoá
( gđ a xít)

Hình 7.9b. Cơ chế sinh hoá của quá trình phân huỷ sinh học
trong các bãi chôn lấp [10].
Metan hoá
(gđ thuỷ phân)

Metan
(CH4)

Hình 2.4. Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật yếm khí

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

14

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Vật phân huỷ (vi sinh vật) có khả năng chuyển hóa toàn phần hoặc một phần những
chất hóa học khác nhau ở trình độ khác nhau (môi trờng thủy sinh, đất tầng trầm tích, trạm
làm sạch bằng sinh học...). Các cơ chế hoạt động phụ thuộc rất lớn vào bản chất các chất, các
điều kiện môi trờng và các vi khuẩn có liên quan. Có thể nói một cách tổng quan, sự phân
giải sinh học đợc biểu hiện bằng sự đơn giản hóa dần của cấu trúc hóa học, với sự khoáng
hóa cacbon (dới dạng CO2) và sự hình thành các thể chuyển hóa có trọng lợng phân tử nhỏ,
sẵn có cho sự tổng hợp các thành phần tế bào.

Nitơ khí quyển

Chất hữu cơ thực vật

Cố định
Pectit và
polypeptit

Linin

Xenlulô

Cố định
Nhân đã bị phân huỷ

Cố định

Đờng đa phân
tử

`

Glucoza

Xenlobioza

Vi sinh vật

+ Nhân polyphenol

Axit hữu cơ

Rợu

CO2

+ Nhóm gluxit
+ Nhóm chất có Nitơ
Vô cơ hoá

Mùn
CO2 + H2O

Quá trình phân huỷ háo khí ( Vô cơ hoá )

Hình 2.5. Sơ đồ quá trình phân giải hiếu khí
Phân huỷ sinh học của các hợp chất chứa lu huỳnh: Các sunfat (SO42-) là nguồn chính
của lu huỳnh có sẵn cho các sinh vật. Những sunfat đó đợc các cây hấp thụ để tạo ra các
axit amin lu huỳnh (metionin, xis-tê-in...). Những chất thải hữu cơ tạo ra bởi chu trình sống
của các cây đó bị phân hủy bởi các vi khuẩn chúng phóng thích sunfua hydro (H2S). Ngoài ra,
các vi huẩn (thuộc chủng sunfovibrio) có thể sản sinh ra H2S từ sunfat. Một số vi khuẩn khác

việc áp dụng các kỹ thuật sinh học hiện đại ở 2 phơng thức:
1) Cho vào trong môi trờng vi sinh, sử dụng công nghiệp trong hệ thống kín (Hình 2.7a.)
Nguyên liệu
bù thêm chất dinh dỡng
Vi sinh mới đa thêm vào

Sản phẩm
Công nghệ
Sinh học
công nghiệp

Chất thải ra trong
Nớc, không khí, đất
Phân thải vi sinh vật
vào môi trng

2) Sử dụng những vi khu n mới trong các kỹ thuật xử lý ch t thải (Hình 2.7b.)
Vi khuẩn tiêu thụ
ô nhiễm

Chuyển hoá chất ô nhiễm
Hợp chất CO2, H2O, N2
Chất chuyển hoá dạng phân
giải của phân tử ô nhiễm
Vi khuẩn mới phát thải vào trong môi trờng

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

16

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Quá trình khử ô nhiễm đất bằng cách sử dụng các vi khuẩn đặc dụng cho sự phá hủy các phân
tử hữu cơ mà khởi đầu là không phân hủy nh các chất clo hữu cơ chính là quá trình chuyển
hoá chất thải theo phơng thức thứ hai.
Mối quan hệ giữa sinh khối và nồng độ sinh học đợc thể hiện ở Hình 2.8.

B4

C4

B3

C3

B2

C2
C1

B1

Hình tháp sinh khối

Hình tháp của nồng độ

B1 ằ B2 ằ B3 ằ B4

C4 ằ C3 ằ C2 ằ C1

Hình 2.7. Sơ đồ minh hoạ về nồng độ sinh học trong mối quan hệ với hình tháp sinh khối
Sinh khối ban đầu (của đối tợng sinh sản ra) hay một mắt xích trung gian (thí dụ động
vật ăn cỏ) có thể bị nhiễm độc bởi một chất hóa không thể hủy sinh học mà đợc lu chuyển
theo vật lý học trong chuỗi thức ăn (thí dụ hòa tan trong mỡ).
Hiện tợng xâm nhập và tích tụ sinh học đợc nhiều loại chất tự nhiên là nguồn gốc
của nhiều vấn đề ngộ độc (thủy ngân, DDT, pyralen...) gắn liền với sự phân tán trong không
khí, nớc hay trên đất của các chất ô nhiễm hữu cơ tổng hợp hay các chủng loại kim loại theo
các nồng độ sinh học khác nhau. Thí dụ sự kiện ở vịnh Mianamata ở Nhật Bản về ô nhiễm
gây ra bởi thuỷ ngân ( hàng trăm ngời chết và hàng ngàn ngời bị tàn phế) . Thuỷ ngân đợc
thải vào biển từ nguồn thải công nghiệp đã đợc tích tụ lại trong các chuỗi dinh dỡng biển.
Sự tích tụ trong cá là 500.000 cao hơn trong nớc biển. Các ng dân ăn phải cá đánh bắt trong
vùng vịnh bị ô nhiễm thuỷ ngân và bị ngộ độc.
2.2.2. Các chu trình sinh địa hoá học ( vòng tuần hoàn vật chất ) trong tự nhiên
Vòng tuần hoàn của nớc, cácbon và oxy : Bản chất của chu trình nớc là quá trình bay hơi
và ngng tụ.
Dới tác động của ánh sáng mặt trời, nớc từ ao, hồ, sông, suối, biển bốc hơi vào khí quyển.
Hơi nớc khi gặp không khí lạnh ngng tụ lại thành mây, mây tập trung lại đến một mức nào
đó gây ra ma, nớc ma rơi xuống một phần ngấm vào đất một phần đổ vào các dòng chảy,
sông hồ và quá trình bốc hơi lại tiếp tục. Cứ nh vậy nớc luân chuyển thành vòng tuần hoàn.
Nớc tham gia vào chuỗi thức ăn, cây hút nớc từ lòng đất, các sinh vật cũng đều phải sử dụng
nớc trong các hoạt động sống của mình và thông qua quá trình trao đổi chất một phần nớc
lại trở về khí quyển hoặc đất. Trong cơ thể sinh vật dị dỡng cảu các sinh vật dị dỡng yếm
khí thì các hợp chất hữu cơ đợc phân giải thành nớc, CO2 và muối khoáng, chúng lại tiếp
tục đợc sử dụng bởi các sinh vật tự dỡng ( Hình 2.8).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

17

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 2.8. Sơ đồ tuần hoàn của nớc cacbon và ôxi
Vòng tuần hoàn của Nitơ ( Chu trinh Ni tơ ) : Ni tơ là nguồn dinh dỡng có khả năng gây
ra hiện tợng phì dỡng ( Eutrophication) gây ô nhĩêm nguồn nớc. Mặt khác ni tơ là một
thành phần cơ bản của protein trong tế bào của các sinh vật. Các sinh vật tiếp nhận năng lợng
từ thực vật, nhng thực vật chỉ có thể hấp thụ ni tơ dới dạng NO3- để làm nguồn dinh dỡng.
Nh vậy trong hệ sinh thái, các loài tồn tại và phát trỉên tơng hỗ với nhau. Nếu nh trong hệ
sinh thái ( chẳng hạn hệ sinh thái thuỷ vực, hàm lợng ni tơ lớn sẽ làm cho các loài rong , tảo
phát triển mạnh và gây nên hiện tợng ô nhĩêm lần hai cho bản thân nguồn nớc. Sơ đồ tuần
hoàn của ni tơ đợc trình bày ở Hình 2.9. Vòng tuần hoàn của ni tơ bao gồm các quá trình cơ
bản sau:
Quá trình cố định nitơ: ở giai đoạn đầu , một lợng nhỏ của nitơ trong khí quyển đợc cố
định nhờ ánh sáng và sự bức xạ vũ trụ. ở giai đoạn hai, một phần không ngừng tăng lên đợc
cố định bởi các quá trình công nghiệp nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn cố định nitơ
thông qua con đờng cố định sinh học.
vi khuẩn nốt sần
Các vi khuẩn cố định nitơ
vi khuẩn tảo lam

Thông qua quá trình cố định nitơ, nitơ phân tử đợc chuyển hoá tới mức amonia (NH3)
hoặc amino (- NH2), các dạng này tiếp tục đợc chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ chứa
cácbon (các hydrat carbon) theo con đờng sinh học.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

18

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Quá trình nitơrát hóa: Các chất hữu cơ dạng NH3 đợc chuyển hoá thành dạng NO2- và NO3bởi các vi khuẩn tự dỡng hiếu khí nh Nitromonas, Nitrobacteria. Quá trình chuyển hoá này
đợc gọi là quá trình nitơrat hoá. Vòng vật chất đợc khép kín và hoàn thiện bởi quá trình khử
nitorat để giảm lợng NO3 chuyển hóa thành dạng ni tơ phân tử.

Không khí

N2

Khử nitrat hoá

Cố định trong
khí quyển

N2O

NO, NO2

Cố định
trong CN

Cố định SH

N
Trong chất vô cơ

NO3
NO- 2

NH3

đ

Hình 2.9. Sơ đồ chu trình Ni tơ
Chu trình phốt pho: Phốt pho cũng là một trong những nguyên tố rất cần thiết cho sự sống,
và là nguồn gốc của sự ô nhiễm nguồn nớc mà chúng ta sẽ thảo luận về sau này. Việc sử
dụng quá nhiều các chất tẩy rửa, các phân hoá học gây ra việc phát triển quá tốt của các loại
thực vật trong vực nớc và vì thế gây ô nhiễm lần 2 cho bản thân nguồn nớc. Sơ đồ vòng tùân
hoàn của phốt pho đợc trình bày ở Hình 2.10.
Nguồn xuất phát chính của phốt pho là từ các tảng đá phốt phát, các chất lắng đọng
phốt phát tự nhiên của cá và các loại động vật hoá thạch. Phốt pho đợc chuyển từ các dạng đá
tảng bởi sự xói mòn hoặc khai mỏ vào vòng tuần hoàn của nớc và các chuỗi thức ăn nơi mà
nó có thể đợc tuần hoàn / quay vòng trong giai đoạn ngắn ngủi nhng rồi sau đó nó bị kết
thúc ở trong các chất bồi lắng dới đáy biển sâu nơi mà nó bị mất mát cho đến khi các hoạt
động địa chất có thể nâng/kéo nó lên lần nữa. Một lợng phốt pho đợc quay trở lại mặt đất
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

19

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

bởi phân / chất bài tiết của các loài chim biển hoặc các loài cá nhng hầu hết là lợng phốt

pho bị mất mát.
Vì phốt pho là nguồn không thể tái tạo lại đợc nên điều quan trọng là nó có thể kéo
dài trong bao lâu trớc khi nguồn dự trữ bị cạn kiệt.
Nếu nh thế giới liên tiếp tiêu thụ một lợng đá phốt phát nh tốc độ của 1970
(khoảng 94 triệu tấn / năm) thì nguồn dự trữ của thế giới có thể kéo dài đợc 100 năm (theo
thông tin của bộ nội vụ Mỹ)
Đá phốt phát
hoá thạch

Chuỗi
thức ăn

Xói mòn
khai khoáng

Chim biển
Cá

Tổng hợp nên
các nguyên sinh
chất của tế bào

Phốt phát
hoà tan

Các vi khuẩn phốt phát hoá

Các chất
bồi lắng ở
cácvực nớc cạn (biển cạn)

Bị mất mát ở các vực sâu
Hình 2.10. Sơ đồ Chu trình Phốt pho

Các con đờng hoàn lại vật chất cho tự nhiên: Trong chuỗi thức ăn, sinh vật sử dụng các
chất tự nhiên tạo nên sinh khối của chúng và theo chu trình khép kín chúng lại hoàn lại các
chất cho tự nhiên bằng các con đờng khác: con đờng bài tiết, xác chết (Hình 2. 11).
+ Con đờng bài tiết : sự bài tiết sơ cấp của động vật và sự phân giải phế liệu của vi khuẩn.
Đây là con đờng chính đối với chuỗi thức ăn chăn nuôi.
+ Phân giải phế liệu : Còn đối với chuỗi thức ăn phế thải thì con đờng thứ 2 (phân giải phế
liệu) là con đờng chủ yếu.
Ngoài ra còn 1 số con đờng khác : Ví dụ : con đờng vận chuyển trực tiếp từ sinh vật
này sang sinh vật khác nhờ vi sinh vật cộng sinh.
Các con đờng tạo chu trình khép kín để thực hiện các điều kiện cân bằng cho các hệ
sinh thái khác trong tự nhiên, để hệ sinh thái ổn định quá trình hoàn vật chất phải nhanh (càng
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

20

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

nhanh càng ổn định). Hiện nay, dùng phơng pháp cỡng bức (nhờ tác động của con ngời) để
tăng cờng sự hoàn lại vật chất cho tự nhiên.
Ví dụ : Các công trình xử lý nớc thải, các biện pháp vớt rác, nghiền rác là biện pháp
nhân tạo tăng cờng sự hoàn lại vật chất cho tự nhiên).

Chất hòa tan

Con đờng
I

Thực vật

Động vật ăn cỏ

Bài tiết
Con
đờng

Động vật ăn thịt

Bài tiết

Phế liệu hữu cơ

Sinh vật ăn phế liệu

CHC

Oxi hóa của VSV

VSV

Sinh vật ăn sinh vật

II

Bài tiết

Hình 2.11. Sơ đồ các con đờng hoàn lại vật chất cho tự nhiên
2.2. Chu trình Carbon và những rối loạn vận hành
2.2.1. Chu trình cacbon trong sinh quyển
Carbon luôn tồn tại dới hai dạng:
1) ở trạng thái rắn dới dạng cacbonat. Đó là trờng hợp đặc biệt của đá vôi (CaCO3) có một
trữ lợng vô cùng lớn ở nhiều vùng.
2) Thể khí dới dạng khí cacbonic (CO2): Mặc dầu nồng độ của Carbon trong khí quyển rất
nhỏ (trung bình là 320 ppm) nhng khí cacbonic, do cơ chế của quá trình quang hợp, là
nguồn nguyên liệu sản xuất ra chất hữu cơ sống do thực vật hiện. Ngời ta ớc lợng
khoảng hơn 160 tỷ tấn chất hữu cơ khô đợc sản sinh ra hằng năm trên toàn lục địa, tơng
ứng với nhiều chục tỷ tấn cacbonic. Vì rằng hàm lợng cacbonic hầu nh cố định trong
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

21

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

khí quyển (chỉ trong vài chục năm gần đây có dấu hiệu tăng lên gây ra hiệu ứng nhà kính)
ngời ta cho rằng khí cacbonic còn bị một bể hấp thụ khác cuôns hút, đó là biển. Hàm
lợng cacbonic hòa trong nớc đại dơng cao gấp 50 lần so với khối lợng cacbonic trong
khí quyển.
CO2 + H2O + CaCO3
Hòa tan

Ca(HCO3)
hydro cacbonat canxi

Hydro cacbonat canxi bị cuốn trôi ra biển bởi dòng nớc bào mòn mặt đá và sẽ hoàn nguyên
dới dạng can-xit và đá vôi CaCO3 trong vỏ các loài sò hến và xơng các động vật biển, và đó
là nguồn gốc của sự hình thành trữ lợng vô tận của các trầm tích.
Hai quá trình sinh học cơ bản tạo điều kiện cho quá trình chu chuyển cacbon trong
sinh quyển, đó là quá trình quang hợp và hô hấp:
Quá trình quang hợp đợc thực vật thực hiện dới tác dụng của năng lợng mặt trời với sự
tham gia của diệp lục tố.
Ví dụ trờng hợp tạo gluxit:
n kcal (h)
nCO2 + nH2O

n O2 + Cn(H2O)n
monosaccarit

Hô hấp là hiện tợng ngợc lại với quá trình quang hợp. Quá trình này tạo nên nguồn năng
lợng đảm bảo cho duy trì, phát triển và tái sản xuất của thực vật, động vật:
nkcal
nO2 + Cn(H2O)n
nCO2 + nH2O
Quá trình hô hấp gây ra hiệu ứng hoàn toàn đối nghịch với quá trình quang hợp.
Thực tế không phải tất cả chất hữu cơ quang hợp đợc đều đợc trực tiếp tiêu thụ trong
quá trình hô hấp và dây chuyền thực phẩm. Những rác rởi, chất thải bài tiết, những cây chết,
xác động vật tích tụ lại trong nhiều thời kỳ dài ngắn, đặc biệt là ở các lớp đất và môi trờng
nớc.
Trong nhiều trờng hợp, xác và mảnh vụn của thực vật tích tụ gây ra sự trì trệ của
cacbon vì những chất đó, một phần bị động vật thực vật trong đất biến thành một chất hữu cơ
mới, đó là chất mùn, mà sự phân giải chất này ít nhiều bị chậm lại.
Sơ đồ đơn giản hoá của chu trình tự nhiên và bán chu trình tác nhân của carbon đợc thể hiện
ở Hình 2.12.

ximăng

Vô cơ hoá

Dây chuyền thức ăn

Núi lửa
Hấp thụ lại
bởi Clo đá vôi

Nguồn năng lợng
Cacbon mỏ

CHu trình tự nhiên

Bán chu trình nhân tác

Hình 2.12. Sơ đồ đơn giản hoá của chu trình tự nhiên và bán chu trình tác nhân của carbon
Carbon
di động

Carbon
dới dạng khoáng

Các rối loạn
chức năng khả dĩ

2.2.2. Sự trì trệ của chu trình: Nhiều khi dây chuyền không hoạt động đợc do thiếu không
khí hoặc do độ axit quá cao, lúc đó những mảnh chất hữu cơ tích tụ lại dới dạng than nâu.
Ngời ta coi đó là sự trì trệ của chu trình. Những hiện tợng nh vậy chính là phơng cách

hình thành những mỏ than, dầu lửa, khí đốt thiên nhiên (và đá vôi trong môi trờng nớc).
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

23

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Các chu trình nhánh của sự chu chuyển cacbon nói chung đóng vai trò cơ bản trong những
vấn đề môi trờng hiện tại và ở một mức độ nào đó, việc phát hiện và khai thác các mỏ sẽ là
nguồn gốc gây nên sự rối loạn chức năng của các chu trình tự nhiên.
2.2.3. Những rối loạn vận hành của chu trình cacbon.
Những rối loạn vận hành chu trình cacbon do hoạt động của con ngời tác động tới có 4 lĩnh
vực chính :
1) Phát triển mạnh canh tác nông nghiệp và chăn nuôi trong bối cảnh của sự tăng
dân số toàn cầu , sự tập trung dân cơ đô thị. Điều này tạo ra một khối lợng
khổng lồ của các phế thải ( nớc thải và phân thải chứa nhiều chất hữu cơ );
2) Việc phá rừng tác động đến nhiều vùng trên hành tinh dẫn đến hậu quả là làm
mất cân bằng sinh thái ở mức độ cao (nh hiệu ứng nhà kính) hoặc làm gia tăng
xói mòn đất (2);
3) Việc khai thác những tài nguyên mỏ nh than, dầu mỏ, khí thiên nhiên hay kể
đến đá vôi, dẫn tới những hậu quả nh:
Gây ra nạn thuỷ triều đen do khai thác và vận chuyển dầu mỏ (3).
Sinh ra những khí ô nhiễm (CO, CO2, NOX, SO2,...)
Sinh ra những chất ô nhiễm thể rắn (nh bụi, bồ hóng...) do đốt cháy
(sởi, giao thông, sản xuất năng lợng nhiệt, điện...) (4), (6).
Việc phát triển hoá học than và hoá học dầu mỏ từ ban đầu ngời ta đã sản xuất hàng loạt chất
hữu cơ tổng hợp khác nhau (các dung môi, chất dẻo, chất mầu, thuốc trừ sâu, dợc phẩm,...)

mà không tính đến cơ chế tự nhiên của quá trình phân huỷ (do đặc tính không bị tác động huỷ
hoại bởi vi sinh vật) đã dẫn tới những hậu quả độc hại sinh thái (5). Mặt khác, sự phân tán
trong khí quyển của những sản phẩm sinh ra do đốt cháy chúng cũng tham gia gây ô nhiễm
bầu không khí Trái Đất.
2.2.4. Những hậu quả của sự rối loạn vận hành carbon
Toàn bộ những rối loạn vận hành dẫn tới 3 loại hậu quả lớn:
1) Những ô nhiễm cục bộ: ô nhiễm hữu cơ các dòng nớc và ao hồ, bảo dỡng hoá
môi trờng, ô nhiễm oxy hoá các lớp dới của khí quyển, thuỷ triều đen, phân tán
thuôc trừ sâu trong đất và nguồn nớc, làm bẩn dây truyền thức ăn...;
2) Những ô nhiễm toàn cầu: hiệu ứng nhà kính đợc xếp vào hàng đầu trong loại ô
nhiễm này do sự tham gia của khí cacbonic và mêtan. Cũng cần phải cảnh báo rằng
khí CFC, thành phần chủ yếu của các cơ chế phá hoại tầng ôzôn, là sản phẩm tổng
hợp trên cơ sở dầu mỏ;
3) Sự cạn kiệt thấy trớc của các mỏ: là hậu quả của những rối loạn chức năng chu
trình cacbon, những ô nhiễm không phải là những hậu quả duy nhất phải đợc tính
đến. Từ nhiều thập niên, sự cạn kiệt của các nguồn tài nguyên dới đất nh dầu mỏ,
khí đốt và than đã trở thành môi lo ngại lớn. Chính là trong bối cảnh đó hình thành
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

24

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

những chiến lợc tiến bộ nhằm quản lý những phế liệu đã cacbon hoá có nguồn gốc
thiên nhiên:
- Khai thác năng lợng từ những năng lợng đó (đốt, metan hoá,...)
- Tái sinh chất dẻo (tiết kiệm nguyên liệu cơ bản dầu mỏ)

Cùng với vấn đề phế liệu, hai chiến lợc có tính chất toàn cầu hơn đợc xem là cùng mục tiêu.
Đó là những chính sách tiết kiệm năng lợng và mặt khác, trở lại cùng sinh khối thực vật (tái
sinh đợc) nh một nguồn nguyên liệu cho năng lợng (gỗ, nhiên liệu sinh vật, khí metan)
hay nguyên liệu sản xuất các vật liệu (chất dẻo...)
Ví dụ 1: Ô nhiễm biển cacbua hydro (thủy triều đen)
Có những nguyên nhân tự nhiên đa cacbua hydro vào môi trờng biển:
- Tổng hợp bởi sinh vật biển.
- Phun tự nhiên do nứt địa chất.
- Sự phân giải của đất và các chất trầm tích.
Những mất mát đó ớc lợng khoảng 200.000 tấn/năm coi nh không đáng kể so với con số từ
3 - 5 triệu tấn do hoạt động của con ngời làm ô nhiễm biển (tai nạn khi sản xuất dầu, đắm tầu
chở dầu, các động cơ tầu biển phóng ra, dầu phế thải...).
Dầu mỏ thô chủ yếu bao gồm các chất sau đây:
- 90% cacbua hydro
- 6% hợp chất có lu huỳnh
- 2% hợp chất có oxy
- 1% hợp chất có kim loại và muối.
Phân loại cacbua hydro gồm có:
- Alcan hay parafin (chuõi mở của cacbon no).
- Naphten với 1 hay nhiều vòng 5 hoặc 6 cacbon.
- Các hợp chất thơm, hàm lợng không lớn nhng độc hại rất rx (toluen, benzen,
benzopyren).
Ngay sau khi dầu mỏ đợc đa vào môi trờng biển, cacbua hydro bị biến đổi dới tác dụng
của thiên nhiên theo các quá trình:
a) Quá trình vật lý
Lan truyền - Di chuyển: Dầu mỏ lan truyền cho đến khi hình thành một màng mỏng trên bề
mặt nớc. Sức chống lại lan truyền tăng lên cùng thời gian và tính chất đặc trng của dầu mỏ
(tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt).
Bay hơi: Cho phép làm giảm rất nhanh từ 30 đến 40% cacbua hydro từ dầu thô.Gió và sóng
tạo ra sự hình thành những bọt khí và mang đi xa hàng trăm km.

Hòa tan: Mặc dầu độ hòa tan của dầu mỏ trong nớc rất ít, song một thể tích rất lớn cho phép
hòa tan cacbua hydro nhẹ nhất.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

25

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Trong quá trình phân giải, những dẫn xuất oxy hóa đợc tạo ra dễ hòa tan hơn chất ban đầu.
Sự tạo huyền phù: Tính chất không trộn lẫn của dầu với nớc tạo ra một sự phân mảnh trên
mặt nớc và hình thành huyền phù khi mặt biển xao động. Bọt đó có thể chứa tới 80% nớc.
Đó là một hỗn hợp rất bền và ít bị phân giải sinh vật.
Trầm lắng: Dầu mở khi chuyển xuống gần đáy biển sẽ xảy ra chủ yếu quá trình hấp thụ của
những giọt dầu nhỏ bởi các hạt lơ lửng trong nớc (ohù sa, đất sét, canxi) và làm tăng lên dần
của tỷ trọng của những dầu vốn rất nhẹ ban đầu.

Hạt lơ lửng
trong không khí

Bốc hơi
O2
Màng trên bề mặt nớc

Mạch nớc
Kết vón của hắc ín
Huyền phù
Phân tán

Phù du
Sinh vật đáy
Quay trở lại
bề mặt

Các hạt nặng

Trầm tích

Hình 2.13. Quá trình chuyển hoá của carbuahydro trong môi trờng biển
b) Quá trình hóa học: Là những phản ứng oxy hóa xảy ra với tác dụng xúc tác của ánh sáng
và các kim loại. Những phản ứng đó dẫn tới sự tạo thành các aldehyd, xeton, axit
cacboxilic.Thêm vào đó, những hiện tợng cao phân tử hóa tham gia vào sự tạo ra những đám
nhựa đờng.
c) Quá trình sinh học: Trong nớc, lớp trầm tích có các vi sinh vật, nấm tấn công cacbua
hydro, biến dần chất này thành những chất đơn giản (rợu, axit, kèm theo đó là khí cacbonic
và nớc) bằng những quá trình oxy hóa háo khí.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

26

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Các tác động của ô nhiễm cacbua hydro: Động vật và thực vật là những nạn nhân đầu tiên
của dạng ô nhiễm đó. Nhiều cuộc quan sát tiến hành nhân dịp các vụ tai nạn khác nhau cho
thấy thực vật phù du ít biểu hiện những điều bất thờng nhng còn sự thiếu hụt động vật phù
du ban đầu rất nghiêm trọng nhng nhanh chóng đợc lấp đầy.

Những h hại đối với lớp đá (tảo, động vật) có sự trái ngợc nhau: rất nhiều tảo xanh, các loại
động vật ăn thực vật biến mất phần lớn... Việc sử dụng những chất tẩy rửa để rửa đá đa tới sự
nhiễm chất độc đối với các loài đó. ở tầng của quần thể những loài dới đáy, các loài cầu gai
(nhím biển), những loài vỏ kén, trai, sò (đốm), sò cát.
Đối với loài cá và tôm cua, ngời ta nhận xét thấy rằng sau một loạt chết ban đầu, các quần
thể loài đó lại phục hồi nhng có những hậu quả lâu dài: gầy, ốm, lở loét... Sự tích tụ cacbua
hydro ở lớp đáy gây ra những hậu quả nghiêm trọng trung và dài hạn.
Một trong những hiện tợng bi đát nhất của sự ô nhiễm là cái chết của các loài chim bị dính
vào nhựa đờng/hắc ín, đặc biệt là những loài chim bổ nhào tìm mồi và những loài chim sống
trên biển (chim cánh cụt, cò, vạc...). Thêm vào đó, cần phải kể tới sự mất mát các loài có vú
sống ở biển (hải cẩu, cá voi, cá heo...). Cuối cùng cần phải chú ý rằng ô nhiễm cacbua hydro
khối lợng lớn trong một số trờng hợp có thể gây độc cho ngời về đờng hô hấp. Nhng
hợp chất bay hơi, tan mạnh trong chất béo, tấn công vào màng phổi. Có những triệu chứng
khác nhau đã đợc phát hiện, đặc biệt là ở những ngời có nhiệm vụ chống thủy triều đen:
buồn nôn, chóng mặt...
Xử lý những chất thải gây ô nhiễm bởi cacbua hydro: Những chất thải thu đợc trong các
khâu tuỳ từng vụ tai nạn là một vấn đề kỹ thuật ở trình độ khác nhau:
- Thu gom trớc khi xử lý vào những địa điểm tạm thời và bịt kín gần nơi bị ô
nhiễm;
- Vận chuyển đến gần các trung tâm xử lý bằng tàu thuỷ hay xe lửa (dùng xitéc cho
chất lỏng và toa chở hàng cho các vật liệu thải rắn);
- Việc xử lý các chất lỏng thờng đợc thực hiện trong những trạm tháo dỡ có các
trang thiết bị chi phép tách chất thải dầu và nhão ra khỏi pha lỏng. Pha dầu do
những đặc tính riêng, thờng gây ra nhiều trục trặc cho thiết bị, bít, tắc,...
- Việc xử lý các chất thải rắn. Vì nhiều lý do khác nhau (khi bốc dỡ đòi hỏi rất thận
trọng và cho thấy rất nguy hiểm) quá trình phân giải sinh học của những chất rắn
cặn dầu mỏ (rất bẩn) hãy còn cha chấm dứt. Quá trình đốt cho đến ngày nay vẫn
cha đợc dùng một cách có hiệu quả với số lợng lớn trong những trạm xử lý tại
chỗ chủ yếu vì những khó khăn trong việc cho vào lò đốt và vì hàm lợng muối
quá lớn trong chất thải.

Một trong những giải pháp có hiệu quả nhất có thể thực hiện đợc là làm đặc các chất
thải bằng thêm chất liên kết (vôi chẳng hạn) hoặc làm tách thành 3 pha (dầu, nớc, chất rắn)
sau đó xử lý từng pha.
Ví dụ 2: Công nghiệp hoá dầu và các chất hứu cơ tổng hợp
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

27

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hóa học dầu mỏ hay gọi tắt là hóa dầu đã trải qua một quá trình phát triển cực kỳ
nhanh từ những năm 1960 và đã cho phép ngành hóa học đa ra đợc một loạt những sản
phẩm mới (chất dẻo, dung môi, chất màu, thuốc trừ sâu, keo dính, vecni...).
Những chất hóa học trung gian thu đợc bằng con đờng chng crac-kinh (quá trình làm đất
mạch các phân tử lớn có xúc tác) dầu thô đợc phân làm 2 loại:
- Các olefin (cacbua hydro không no, có một liên kết -C=C-) (etylen, propylen,
butadien).
- Những hợp chất thơm (benzen, toluen, xylen...)
Những chất hóa học trung gian đó đợc dùng để sản xuất rất nhiều sản phẩm tiêu dùng trong
các ngành và trong đời sống hàng ngày (Hình 2.14 ). Sản xuất, sử dụng, thải bỏ tất cả những
hợp chất đó đều gây ô nhiễm hoặc cho đất, hoặc cho môi trờng nớc, và không khí cũng nh
cho động, thực vật.

Hoá học dầu mỏ và khí thiên nhiên

Các hợp chất trung gian

Etyle Propylen

Butadien

Benzen

Toluen

Xylennyle

Amoniac

n

Các phản ứng chính
- Sợi tổng hợp
- Cao su
- Chất dẻo
- Các dung môi
- Phân bón

Các sản phẩm khác
- Thuốc trừ sâu, diệt nấm,
diệt côn trùng
- Chắt mầu
- Dợc phẩm
- Chất thơm
- Chất chống keo tụ

Hình 2.14. Các sản phẩm dẫn xuất của dầu mỏ

Những hợp chất hữu cơ bay hơi: Nói một cách đơn giản, những hợp chất hữu cơ bay hơi là
những chất gây ô nhiễm thu hút sự chú ý của nhà lập pháp. Các chất này đợc dùng chủ yếu
làm nhiên liệu, dung môi hòa tan các sản phẩm để khuyếch tán ra môi trờng (nh trong công
việc in) những chất dẫn xuất cacbua hydro.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

28

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Các phơng tiện giao thông vận tải sản sinh ra ở Pháp khoảng 1 triệu tấn chất hữu cơ bay hơi
hàng năm, phân bố nh sau:
- Khí xả (khoảng 82%)
- Khí bay hơi (các bồn chứa và chế hòa khí) khoảng 14%
- Nạp các bồn chứa, khoảng 3%.
- Các phơng tiện vận tải ngoài đờng bộ khoảng 1%.
Các dung môi có trong các loại sơn và vecni đều bay hơi ngay trong khi sử dụng, chiếm gần
nửa tổng lợng các dung môi bay hơi. Các loại sơn mỗi năm sinh ra khoảng 300.000 tấn dung
môi tỏa vào khí quyển. Vì vậy ngời ta hiểu rất rõ lợi ích của việc dùng các loại sơn không
dung môi hữu cơ (sơn nớc) và tầm quan trọng, về phơng diện sinh thái, của những thiết bị
hút, tái sinh dung môi trong các xí nghiệp sơn.
Cùng tồn tại những nguồn chất hữu cơ bay hơi quan trọng khác. Những nhà máy in sinh ra
khoảng 30.000 tấn/năm; việc tinh chế và cất trữ cacbuahydro 45.000 tấn/năm và sự cháy
không hết ở các lò sởi gia dụng hay công cộng ở đô thị. Những chất cacbua hydro gây hậu
quả đối với môi trờng, thuộc về các hợp chất cacbua hydro thơm và cacbua hydro thơm nhiều

vòng, bao gồm tất cả những hợp chất bay hơi chứa một vòng trong phân tử (benzen, phenol,
naphtalin...). Có hai hậu quả đối với môi trờng là:
- Nhng hậu quả gây độc hại (rối loạn di truyền, ung th) đối với ngời và động vật.
- Giữ vai trò quan trọng trong sự hình thành sơng mù gây oxy hóa. Những chất này
can thiệp vào chuỗi phản ứng hóa học dẫn tới sự tạo thành sơng mù dới dạng peroxyaxetyl
nitrat (PAN).
Những sản phẩm khác của Hóa dầu: Cùng với những hợp chất hữu cơ bay hơi, các sản
phẩm dầu mỏ khác cũng có một tác động quan trọng lên môi trờng. Đó là các loại chất dẻo,
PCB, các chất tẩy rửa, các loại thuốc trừ sâu, các loại phenol...
Ta hãy xem xét trờng hợp các loại thuốc trừ sâu làm ví dụ. Thuốc trừ sâu chiếm một vị trí
độc đáo trong số những chất gây ô nhiễm môi trờng. Ngợc lại với những chất gây ô nhiễm
khác nh thuốc trừ sâu đợc con ngời sử dụng để diệt một số loài sâu hại. Diện tích đất bị
các loại hoá chất này rải lên trên trái đất là khá lớn (ở nớc Pháp 39% lãnh thổ bị rải).
2.3. Chu trình nitơ và những rối loạn vận hành
2.3.1. Sự chuyển hoá của Nitơ
Khí nitơ (N2) là một loại khí không màu, không mùi, là thành phần cấu tạo chủ yếu
của khí quyển, chiếm tới 3/4 thể tích. Về phía địa quyển và thuỷ quyển: tầm quan trọng đính
tính không đáng kể. Vai trò của N ở đây luôn luôn là chủ yếu, bởi vì nó là thành phần cấu tạo
cơ bản của vật chất sống: các prôtêin, axit nuclêic,v.v..
Những sự trao đổi phức tạp và thuận nghịch xảy ra liên tục giữa thể khí (N2), thể vô cơ (ion
ammon NH4+, nitrit NO2- và nitrat (NO3-) và những thể hữu cơ (protein) phân tử lớn và vi phân
tử. Chu trình sinh-địa-hóa học của N là tập hợp của những sự chuyển hóa đó.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

29

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Khí Nitơ của khí quyển chỉ có thể bị đồng hóa trực tiếp bởi một số hạn chế sinh vật. Do đó, sự
can thiệp của những sinh vật này trong chu trình N là cơ bản.
Chu trình đó đợc đặc trng bởi một sự phân biệt thứ bậc rất cao. Hoạt động của các sinh vật
chủ yếu là chuyển hóa nitơ khí quyển thành dạng NH4+ và NO3-, những chất này ở trong đất sẽ
bị thực vật (có diệp lục hay không) hấp thu và sau đó sẽ kết hợp thành N trong các phân tử hữu
cơ (protein chẳng hạn). Động vật không thể tổng hợp, nhng ăn các loài thực vật có đạm hữu
cơ, chủ yếu là dới dạng protein.
Quá trình vô cơ hoá các chất phế thải ( dây chuyền của các nhân tố phân giải): Các sinh
vật chết hay không đợc dùng đến (thực vật và động vật) và cả những chất thải của chúng đều
là đối tợng của một quá trình phức tạp làm cho nitơ hữu cơ trở lại khí quyển dới dạng khí
N2. Quá trình này đợc gọi là quá trình vô cơ hoá.
Đôi khi một lợng không nhỏ N có thể bị rửa trôi dới dạng nitrat hoặc chất hữu cơ hoà tan.
Những hợp chất đó bị các dòng sông cuốn đi, ra các đại dơng sẽ bị tụ lại trong lớp trầm tích
sâu (sự hình thành của các mỏ) và một phần bị lấy đi do những dây chuyền thực phẩm của
thực vật thuỷ sinh và các loài chim ( trờng hợp phân bón gốc động vật, phân động vật đã từ
lâu đợc coi là nguồn phân bón có đạm duy nhất).
Quá trình rửa trôi đó cũng là nguồn gốc của quá trình ô nhiễm làm chúng ta phải quan tâm
nhiều trong thời gian hiện tại, do quá trình tích tụ các nitrat, chủ yếu là nitrat trong nớc dùng
để sinh hoạt và trong một số thức ăn (đặc biệt là rau).
2.3.2. Những rối loạn chức năng của chu trình Ni tơ
Rối loạn do các quá trình sản xuất các sản phẩm chúa ni tơ
Sự rối loạn chính liên quan trực tiếp với sự tăng lên của các dạng ammon, nitrat và
nitrit trong những môi trờng thuỷ sinh, đều đợc thể hiện bằng những rối loạn sinh thái xảy
ra ở nơi tiếp nhận các chất đó và bằng những sự cố độc hại đối với ngời và độc vật qua nớc
uống. Đầu vào của nitơ ở Pháp (Mt/năm) đợc thể hiện ở Hình 2.15.
Sự rối loạn vận hành thứ hai không liên quan trực tiếp với chu trình trong bộ phận
sống nhng cũng không kém phần rất quan trọng. Đó là sự nảy sinh khối lợng lớn, dới dạng
khí, những oxyt nitric (những khí kiểu NOx), gắn liền với quá trình đốt cháy (sởi, giao thông

bằng ô tô và đờng không, sản xuất năng lợng, thiêu huỷ rác v.v..) và một số sản xuất công
nghiệp. Trong mọi trờng hợp, chính việc sử dụng không khí (80% là N) nh một chất đốt
(20% oxy) là nguyên nhân sản sinh ra oxyt nitric ở nhiệt độ cao. Hiện tợng đó tham gia vào
các trận ma axit, sản sinh ra các chất gây oxy hoá quang hoá học độc hại và là một trong
những nguyên nhân làm biến mất ôzôn của khí quyển.

Chất thải của ngời 0,25 0,3 Mt/năm
1
Từ khí quyển 0,5 Mt/năm
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

30

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2
Cố định bởi vi khuẩn họ đậu 1,3 Mt/năm
3
Phânđộng vật 2,0 Mt/năm
4
Phân bón công nghiệp 2,6 Mt/năm
5
Vô cơ hoá các chất hữu cơ trong đất 3,0 Mt/năm
6
Tổng số : 9,7 Mt/năm

Hình 2.15. Đầu vào của nitơ ở Pháp (Mt/năm)

Ngời ta đã ớc lợng đầu vào hàng năm của nitơ ở Pháp, với những con số (tính bằng
tấn/năm) sau đây:
1. Những chất thải của ngời:
0,25 - 0,3 Mt/năm
2. Từ khí quyển trở lại:
0,5 Mt/năm
3. Do thực vật cố định:
1,3 Mt/năm
4. Chất thải động vật:
2,0 Mt/năm
5. Phân bón công nghiệp:
2,6 Mt/năm
6. Vô cơ hoá của các chất hữu cơ trong đất:
3,0 Mt/năm
Tổng cộng:
9,7 Mt/năm
Nitơ chiếm một vị trí quan trọng trong số những phần tử làm tốt đất cần thiết cho sự
tăng trởng của thực vật. Nitơ chiếm 2% khối lợng trong vật chất khô của một cây, sau khi
đã loại bỏ những phần tử có nguồn gốc từ nớc vá không khí (C: 42%; H: 6%; O: 44%). Phân
đạm là loại phân đợc sản xuất nhiều trong công nghiệp:
- Sản lợng toàn cầu hàng năm phân đạm, photphat và kali: 140 triệu tấn (tính bằng
phần tử hiệu dụng), tức là 340 triệu tân sản phẩm hoá học (nếu tính cả các phụ gia và
tạp chất kèm theo).
- Sản lợng toàn cầu hàng năm riêng phân bón đạm: 80 triệu tấn (tính bằng hàm lợng
đạm);
- Những loại phân đạm chính (theo thứ tự tầm quan trọng giảm dần) bao gồm :
Ammnonitrat ( NH4NO3) ; Dung dịch urê, nitrat ammon; Sunphat ammon -(NH4)2SO4;
Ammoniac dới dạng dung dịch lỏng.
Hoạt động sản xuất công nghiệp các sản phẩm của Ni tơ gây hậu quả môi trờng sau:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

31

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-

Đa vào chu trình nitơ tự nhiên một lợng rất lớn nitrat và các dạng sản phẩm chứa
nitơ khác.
Tiêu thụ năng lợng (kèm theo là gây ô nhiễm) của các đơn vị công nghiệp khác nhau.
Tiêu thụ, với tính cách nguyên liệu, các sản phẩm mỏ nh khí thiên nhiên, than, hay
naphta (dầu mỏ nhẹ).
Sử dụng, kèm theo là tái sinh hay hủy bỏ, các chất xúc tác, thờng là kim loại.
Sản sinh ra các sản phẩm phụ, đặc biệt là nớc thải chứa khí nh oxyt nitric, đều là
những chất gây ô nhiễm khí quyển.
Sử dụng một lợng nớc lớn, đặc biệt là nớc để làm nguội thiết bị.

Cần nhấn mạnh rằng, hiện nay chúng ta đang cố gắng hớng tới tối u hóa các phơng
pháp sản xuất (năng lợng, hiệu suất hóa học) và xử lý ô nhiễm công nghiệp. Đó là cái giá
phải trả đối với những cộng đồng ngời muốn thúc đẩy năng lực sản xuất lơng thực, thực
phẩm.
Rối loạn do các loại chất thải của động vật: Sự tập trung chăn nuôi, sự tăng số lợng, sự phát
triển những phơng thức vợt mức đặt ra những vấn đề cho quản lý các chất phế thải của quần
thể súc vật do có sự xảy ra mất cân đối giữa chăn nuôi và nông nghiệp, vốn thờng đảm bảo
rất tốt chu trình tái tạo. Thí dụ nh nửa đàn bò chăn nuôi ở Pháp tập trung ở vùng Bretagne.
Bảng 2.1. Chăn nuôi (tính bằng triệu đầu gia súc)

Bò
Lợn
Gia cầm

Toàn nớc Pháp
21,2
12,2
240

Lu vực Loire-Bretagne
10
8,2
157

Bretagne
2,6
6,2
89

Các loại phân gia súc gia cầm có giá trị hiển nhiên đối với nông nghiệp do chứa hàm lợng
cao nitơ, photphat, và kali.
Bảng 2.2. Giá trị đối với nông nghiệp của phân súc vật

Chất thải
Phân bò (kg/t)
Nớc phân chuồng bò (kg/m3)
Nớc phân chuồng lợn (kh/m3)

Hàm lợng tính bằng đơn vị chất có giá trị bón trong

phân gia súc
Nitơ (N)
Photpho (P2O5)
Kali (K2O)
5,5
3,5
8,0
4,5
2,0
5,5
5,5
4,5
3,0

Chúng ta đã thấy xuất hiện từ đây những sự rối loạn vận hành một mặt liên quan tới sự
dùng phân bón thâm canh, dới dạng nitrat, chất này không sử dụng hết trong quá trình sinh
trởng của thực vật và do đó bị phân tán trong môi trờng nớc sau khi bị rửa trôi và mặt
khác, do sự tích tụ trong môi trờng thiên nhiên những lợng lớn chất phế thải hữu cơ có đạm
ở nơi chăn nuôi công nghiệp và nơi nớc cống thải từ đô thị thu gom lại.
Rối loạn do các loại nớc thải đô thị và công nghiệp : Đối với nớc thải đô thị, nh trong
trờng hợp ở Pháp , ngời ta ớc lợng khoảng 51% phần gây ô nhiễm đợc thực chuyển đến
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

32

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

những trạm làm sạch. Nếu ngời ta chấp nhận rằng hiệu quả toàn bộ của các trạm lọc là 69%
thì tỷ lệ nớc thải đợc xử lý chỉ là 35%.
Nớc đã qua sử dụng ở đô thị hay từ các ngành công nghiệp nh chế biến thực phẩm
mang theo những chất ô nhiễm phân giải đợc bởi sinh vật. Một trong những đặc điểm của các
trạm xử lý nớc thải và hầu hết những điều kiện của việc hoạt động của chúng ta chủ yếu chỉ
loại bỏ ô nhiễm có cacbon và không động chạm tới những hợp chất có ni tơ và photpho của
chất ô nhiễm phân giải sinh vật. Đây chính là nguồn gốc của một quá trình mang đi một số
lớn nitơ vàphotpho đa vào những môi trờng thủy sinh.
Những sự cố ô nhiễm nớc mặt (sông, hồ...), nớc dới mặt đất đặc biệt dễ nhiễm bẩn
là những nguồn hình thành nên nguồn dự trữ quan trọng nớc sinh hoạt và cả nớc mạch ở
sâu. Những mạch nớc ngầm ở sâu mặc dầu đợc lớp địa chất che chở, phục hồi một cách rất
chậm và do đó rất nhanh chóng trở nên không dùng đợc trong trờng hợp bị ô nhiễm. Những
phát thải tự nhiên và phát thải liên quan đến hoạt động của con ngời đợc thể hiện ở Bảng
2.3.
Bảng 2.3. Những phát thải tự nhiên và phát thải liên quan đến hoạt động của con ngời
Hợp chất
Dioxyt lu huỳnh (SO2)
oxyt nitơ (NOx)
Dioxyt cacbon (CO2)
Metan (CH4)
Chì (Pb)

Các phát thải thiên nhiên
trên thế giới (triệu tấn/năm)
50-130
3-25
200.000
180
0,019

Những phát thải liên quan đến hoạt
động của ngời (triệu tấn/năm)
100
20-50
5.500
360
0,33

Một đặc trng của các chất thải đó là có nhiều phản ứng lẫn nhau và với các thành
phần của không khí (oxy) và dới tác dụng của tia mặt trời.
Những sự rối loạn sinh ra cho những chu trình thiên nhiên do các ô nhiễm đó có thể
thấy ở quy mô khác nhau trong không gian (địa phơng, vùng, toàn cầu) và trong khuôn khổ
thời gian khác nhau (giờ, ngày, năm). Điều đó giải thích sự lẫn lộn thờng xảy ra trong việc
xác định các rủi ro.
2.3.Các chu trình khác:
Chu trình lu huỳnh ( Hình 2.16) : Trong chu trình này, các hợp chất hữu cơ chứa lu huỳnh
đợc chuyển hoá thông qua quá trình lên men sulfuahydric với sự tham gia của các vi sinh vật
yếm khí.
Các vi khuẩn hiếu khí tham gia vào quá trình chuyển hoá H2S để tạo ra lu huỳnh và sau đó là
phản ứng a xid sunfuaric.
H2S + 3 O2
2 S + 3 O2 + H2O

H2O + 2S
2 H2SO4

Trong môi trờng yếm khí, các vi sinh vật chuyển hoá a xid sunfuaric thành sulfuahydro:
2 H2SO4 + 4 H2
H2S + 4 H2O
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

33

Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp
Chơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Một số loài vi sinh vật khử sulfit gây hiện tợng ăn mòn trong các ống dẫn nớc bằng bê rông
hoặc ống gang.

Động vật, thực vật
các nguồn dị dỡng sunfat

khí quyển

H2S

quá trình khử

Phân,
Nớc thải

SO4 --

H2SO3 --

SO --

O xy hoá

S

Kết tủa
sunfua

Hình 2.16. Chu trình lu huỳnh
Các vi khuẩn sunfat màu hồng tía hoặc màu xanh tham gia vào các phản ứng quang hợp để
tạo ra lu huỳnh phân tử:
( quang năng)
H2S + CO2
( CH2O) * + H2O + 2S
Lu huỳnh sản sinh ra đợc trữ trong tế bào vi khuẩn hoặc đợc bài tiết ra bên ngoài tuỳ theo
từng loại và cuối cùng đợc chuyển hoá thành a xid sunfuaric :
( quang năng)
3 S + 3 CO2 + 5 H2O
3 (CH2O) + 2H2 SO4
Trong phản ứng chuyển hoá (CH2O) là ký hiệu chất hứu cơ đã đợc tổng hợp thành.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ngời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng

34

Bài giảng sinh thái học công nghiệp chương 2 PGS TS nguyễn thị kim thái

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về