Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Tuần hoàn sinh địa hoá học
các nguyên tố
Bởi:
Nguyễn Lân Dũng
buivietha
chungchithanh
Tuần hoàn sinh địa hóa học là sự di chuyển và chuyển hóa của các hợp chất hợp thành
bởi những nguyên tố xác định trong sinh quyển, khí quyển, thủy quyển, thạch quyển
(bao gồm thổ quyển) dưới các tác dụng sinh hóa học. Trong các quá trình tuần hòan này
luôn liên quan đến sự chuyển biến từ trạng thái hóa học này đến trạng thái hóa học khác,
từ trạng thái oxy hóa (hoặc trạng thái khử) này đến trạng thái oxy hóa (hoặc trạng thái
khử) khác, từ dạng khí đến dạng lỏng hoặc từ dạng rắn, lại trở về dạng khí. Nếu chỉ dựa
vào các định luật nhiệt động học, thì những phản ứng như oxy hóa-khử sẽ khó mà xẩy
ra, nên tuần hoàn sinh địa hóa học (biogeochemistry cycle) tồn tại trong hệ phức hợp
sinh vật-phi sinh vật và có ảnh hưởng sâu sắc đến việc bảo vệ môi trường tòan cầu và
xây dựng sự ổn định sinh thái. Từ khi có cuộc cách mạng công nghiệp, do họat động
tăng cường của nhân loại sẽ sinh ra nhiều vật ô nhiễm chứa C, N, P, S, do đó không thể
tránh khỏi gây xáo trộn cho vòng tuần hòan sinh địa hóa học, trực tiếp uy hiếp đến sự
sinh tồn và sức khỏe nhân loại.

1/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Khái quát về tuần hoàn sinh địa hóa học (theo L.M.Prescott và cộng sự).

Dòng năng lượng và chất dinh dưỡng trong các hệ sinh thái (Theo J.G.Black). 1- Mặt trời , Enăng lượng, N- chất dinh dưỡng; 2- Vật tiêu thụ; 3- Vật phân hủy; 4- Sản phẩm

Điều đó cũng khiến vòng tuần hoàn một số nguyên tố này tăng nhanh, vòng tuần hoàn
một số nguyên tố khác lại chậm lai hoặc ngưng hòan tòan rồi trở nên trạng thái “phi tuần
hòan”. Có học giả đã đề ra thuyết vòng tuần hoàn vật chất liên quan đến những bệnh
lưu hành ở địa phương, chẳng hạn như bệnh Keshan được giải thích là bắt nguồn từ quá
trình sinh địa hóa học thiếu selen.Vi sinh vật trong thiên nhiên phân bố rất rộng rãi, có
các quá trình trao đổi chất đa dạng, có hoạt tính enzyme mạnh mẽ. Do những biến hóa
hóa học do vi sinh vật gây ra đều có liên quan với nhau, cho nên vi sinh vật có vai trò
2/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

quan trọng trong các vòng tuần hoàn sinh địa hóa học. Mối quan hệ tương hỗ giữa Mặt
trời, các sinh vật có nhân thật đa bào ,các vi sinh vật với các chất vô cơ, chất hữu cơ
(OM) có thể trình bày trong 2 hình trên.

Đặc điểm chung của vòng tuần hoàn sinh địa hóa học
Năm 1902, nhà khoa học Nga Vladimir Vernadsky (1863-1945) lần đầu tiên nêu ra thuật
ngữ “sinh địa hóa học”. Từ lâu, tuần hoàn sinh địa hóa học vẫn được coi là một trong
các nội dung nghiên cứu hệ sinh thái, và được coi là một phần của vòng tuần hòan vật
chất. Mới đây có nhà khoa học coi đó là nội dung cốt lõi của việc nghiên cứu sinh địa
hóa học mội trường (environmental biogeochemistry).
Định nghĩa
Trong Sinh thái học, vòng tuần hoàn vật chất (cycle of material) của hệ sinh thái thường
được gọi là vòng tuần hòan sinh địa hóa học (biogeochemical cycle) với nội dung là tiếp
nhận chất dinh dưỡng khoáng từ khí quyển, nước và đất để tổng hợp thành chất hữu cơ,
sau đó lại bị sử dụng, cuối cùng bị phân giải để trở về môi trường phi sinh vật. Cũng
có nhà khoa học cho rằng tuần hòan sinh địa hóa học là tổng hợp của tuần hoàn sinh
học (biological circulation) và tuần hoàn địa hóa học (geochemical circulation). Odum
(1983) cho rằng: tuần hoàn sinh địa hóa học là tuần hòan vật chất (chủ yếu là các nguyên

tố đa lượng và nguyên tố dinh dưỡng) trong sinh quyển, bao gồm các quá trình chuyển
dịch, phản ứng, hấp thu, tiêu hóa và bài tiết.
Chiras (1991) cho rằng: tuần hoàn sinh địa hóa học chỉ quá trình trao đổi của những
nguyên tố hóa học và một số thành phần phức tạp trong hệ thống sinh học, giữa các
thành phần sinh vật trong hệ thống sinh thái và các thành phần phi sinh vật.
Có thể thấy tuần hòan sinh địa hóa học trong Sinh thái học nhấn mạnh đến tác dụng sinh
học của các nguyên tố sống, nhưng trong khoa học môi trường lại nhấn mạnh đến hiệu
ứng môi trường của các thành phần phi sinh vật.
Các lọai hình của tuần hòan sinh địa hóa học
Dựa theo các tiêu chuẩn khác nhau có thể chia thành các lọai hình khác nhau:
a - Có thể chia tuần hòan sinh địa hóa học thành 3 lọai hình: tuần hoàn nước (water
cycle), tuần hoàn khí (gaseous cycle) và tuần hoàn kiểu trầm tích (sedimentery cycle).
Tuần hoàn nước lại chia ra tuần hoàn lớn (nước tuần hòan giữa lục địa và biển) và tuần
hoàn nhỏ (tuần hòan riêng biệt trong lục địa và biển). Tuần hoàn khí chỉ sự tuần hoàn
dưới các dạng phân tử khí: O2, CO2, N2, Cl2…Vật chất trong tuần hoàn kiểu trầm tích
không có dạng khí, chủ yếu là các chất tích trữ trong đất, vật trầm tích và đá. Loại tuần
hoàn này tốc độ chậm hơn, nói chung khó điều khiển, dễ chịu ảnh hưởng bởi họat động

3/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

can thệp của con người và khiến cân bằng tổng quát bị phá họai. Những cách phân chia
nói trên chưa hòan chỉnh, chẳng hạn như tuần hòan lưu hùynh thuộc tuần hòan kiểu trầm
tích, nhưng trong tuần hòan này cũng có các thể khí tồn tại như H2S, SO2.
b- Căn cứ vào sự khác biệt về kho dự trữ và kho tuần hòan, tuần hòan sinh địa hóa học
có thể chia thành:
- Kiểu tuần hoàn khí (gaseous cycle), kho dự trữ là khí quyển và đại dương;
- Kiểu tuần hoàn trầm tích (sedimentary cycle), kho dự trữ là đất và nham thạch;

Tuần hoàn nước (theo J.G.Black )

- Kiểu tuần hoàn quá độ (transitional type), có đặc điểm của cả 2 loại tuần hoàn nói trên.
Cách phân chia này chủ yếu xét đến tác dụng methyl hóa các nguyên tố S, Si, As, Se,
Pb, Hg… có một phần đặc điểm của tuần hoàn khí.
c- Căn cứ vào mức độ điều khiển khác nhau tuần hoàn sinh địa hóa học có thể chia
thành hai hình thức: tuầnhoàn hoàn chỉnh (perfect cycling) và tuần hoàn không hoàn
chỉnh (imperfect cycling). Tuần hoàn hoàn chỉnh do kho dự trữ hữu hiệu của chất hóa
học trong phân kho phi sinh vật rất lớn, đồng thời có nhiều cơ chế điều khiển ngược, nên
dễ điều khiển và quản lý, như tuần hoàn khí nói trên. Do can thiệp của các họat động

4/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

của con người, tuần hoàn không hòan chỉnh là phương thức chủ yếu của tuần hoàn sinh
địa hóa học. Chẳng hạn trong quá trình khai thác và gia công thủy ngân, do coi thường
cơ chế tuần hoàn không hoàn chỉnh, thủy ngân thường bị methyl hóa hình thành methyl
thủy ngân(CH3Hg+), gây độc hại cho các sinh vật và gây ô nhiễm môi trường.
d- Căn cứ vào sự khác biệt của các hóa chất, tuần hoàn sinh địa hóa học có thể chia
thành:
- Tuần hoàn của các nguyên tố dinh dưỡng, gồm tuần hoàn của nguyên tố đa lượng và
tuần hoàn của nguyên tố vi lượng;

Vài dạng hợp chất carbon hữu cơ

-Tuần hoàn của nguyên tố độc hại, chủ yếu là các kim loại nặng và các nguyên tố phóng
xạ, như Hg, Pb, Cd, As, U238…

- Tuần hoàn chất ô nhiễm hữu cơ, bao gồm các loại nông dược tổng hợp, Hydrocarbua
dầu mỏ, Polychlorinated biphenyl (PCBs), Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs),
Polychlorinated dibenzo-p-dioxins ( PCDDs) v.v…
- Tuần hoàn thứ cấp, đó là sự tuần hoàn tương đối so với các vòng tuần hòan chính, như
những tuần hoàn của các khí nhà kính như CO 2, CH4, NO 2, v.v…
Các nguyên tố tuần hoàn sinh địa hóa học
Trong số hơn 90 nguyên tố hóa học tồn tại trong thiên nhiên, có 26 nguyên tố cần cho
sự sống, cho nên chúng được gọi là các nguyên tố mang tính sinh vật (bảng 23.1). Theo
nhu cầu của sinh vật, chúng được chia theo 3 nhóm:
a- Nguyên tố năng lượng (energy elements): hay nguyên tố cơ bản, gồm C, H, O, N, là
thành phần cơ bản cấu tạo nên amino acid và protein mà sinh vật không thể thiếu được,
chúng có thể chiếm trên 90% trọng lượng khô của tế bào.
Hàm lượng trung bình của các nguyên tố trong cơ thể sinh vật và
trong vỏ Trái đất
Nguyên tố đa lượng
5/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Hàm lượng tương đối %
C ơ thể sinh vật

Vỏ trái đất

Nguyên tố vi lượng
Hàm lượng tương đối %
C ơ thể sinh vật

Vỏ trái đất

O

62

46,6

Mn

Vết 0,095

C

20

0,02

Fe

Vết 5,63

H

10

0,02

Co

Vết Vết

N

3

Vết

Cu

Vết Vết

P

1,5

0,105 Zn

Vết Vết

S

1

0,205 B*

Vết Vết

K

1,5

2,09

Vết 8,23

Cl

0,5

0,013 V*

Na

0,2

2,36

Mn* Vết Vết

Ca

0,1

4,15

I*

Vết Vết

Mg

0,1

2,33

Si*

Vết 28,2

Al*

Vết 0,0135

*: chỉ tồn tại trong c ơ thể một ít sinh vật
b- Nguyên tố dinh dưỡng đa lượng (macronutriens): gồm Ca, Mg, P, K, S, Na v.v…Đó
là những nguyên tố mà sinh vật cần đến với số lượng khá lớn, nhưng ít hơn rất nhiều so
với nguyên tố năng lượng.
c- Nguyên tố dinh dưỡng vi lượng (micronutriens): gồm Cu, Zn, Mn, Mo, Co, Fe v.v…
Đó là những nguyên tố không thể thiếu được đối với sự sống, nhưng với nhu cầu rất ít.
Cũng có thể chỉ chia thành hai nhóm nguyên tố đa lượng và nguyên tố vi lượng (bảng
trên)
Các nguyên tố đó chuyển hóc và di chuyển giữa các tầng nấc khác nhau của sinh quyển,
thủy quyển, khí quyển, nhưng quá trình chủ yếu vẫn là oxy hóa, khử, khí hóa, hóa rắn,
hóa lỏng v.v…(bảng dưới).

6/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Các quá trình cơ bản trong tuần hoàn sinh địa hóa học các nguyên tố
Quá trình

Nội dung

Oxy hóa

Phản ứng mất electron của nguyên tử một chất

Kh ử

Phản ứng nhận electron của nguyên tử một chất

Khí hóa

Phản ứng biến thành thể khí của một nguyên tố

Cố định

Phản ứng của một nguyên tố từ thể khí biến thành không phải thể
khí

Hòa tan

Phản ứng của một nguyên tố trong chât khó tan biến thành chất dễ
tan trong nước

Kết tủa

Phản ứng của một nguyên tố trong chất dễ tan biến thành chất khó

tan trong nước

Ứ c chế họat
động

Quá trình một nguyên tố trở thành một bộ phận của cơ thể sinh vật

Khoáng hóa

Quá trình một nguyên tố trong cơ thể sinh vật trở thành chất vô cơ
ngoài cơ thể

Các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tuần hoàn sinh địa hóa học của các nguyên tố bao
gồm:
- Tính chất hóa học của nguyên tố và phương thức được cơ thể sinh vật sử dụng.
- Tốc độ sinh trưởng của sinh vật ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của nguyên tố trong
phức hệ sinh thái sinh vật - phi sinh vật.
- Tốc độ phân giải của cơ thể.
Những đặc trưng cơ bản của tuần hòan sinh địa hóa học
Tuần hoàn sinh địa hóa học thường miêu tả bằng các khái niệm kho (pool), phân kho
(compartement), nhịp lưu thông (flux rate). Đó cũng là những đặc trưng cơ bản của tuần
hòan sinh địa hóa học.
.

7/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Đặc trưng tuần hoàn sinh địa hóa học của các quyển - ( Theo Chameides và Perdue, 1997)

Kho còn gọi là kho dự trữ, chỉ số lượng vật chất được hạn định bởi các đặc trưng lý, hóa,
sinh. Trong kho, số lượng những vật chất đó luôn luôn vượt hơn rất nhiều số lượng kết
hợp bình thường trong các hệ thống sống và thường chỉ được giải phóng thích dần dần
từ trong kho. Ví dụ tòan bộ C trong biển gọi là kho carbon biển, CO 2 trong khíquyển
gọi là kho CO 2.

8/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Thành phần khí quyển

Phân kho chủ yếu dùng trong phân tích mội trường, chúng gồm những “kho” với quy
mô nhỏ hơn. Tốc độ di chuyển vật chất từ phân kho (hoặc kho) này đến phân kho (hoặc
kho) khác có thể diễn đạt bằng nhịp lưu thông (flow rate). Đó là lượng vật chất di chuyển
từ phân kho (hoặc kho) này đến phân kho (hoặc kho) khác trong một đơn vị thời gian
nhất định. Người ta còn sử dụng khái niệm nhịp chu chuyển(turnove rate) và thời gian
chu chuyển (turnove time):
Nhịp chu chuyển = Nhịp lưu thông/lượng chất hóa học trong kho đó
Thời gian chu chuyển = tổng số chất dinh dưỡng trong kho/ nhịp lưu thông
Những vật chất khác nhau trong các kho khác nhau sẽ có nhịp chu chuyển khác nhau,
chẳng hạn thời gian chu chuyển của nước trong khí quyển chỉ có 10,5 ngày, cũng có
nghĩa là nước trong khí quyển mỗi năm phải đổi mới 34 lần. Nguyên tố Si trong biển
có thời gian chu chuyển là 8000 năm, thời gian chu chuyển của Na kéo dài tới 206 triệu
năm. Các quyển khác nhau cũng khác về thời gian tuần hoàn hóa địa cầu sinh vật, về
thông lượng(biểu 5-3)

9/41

Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Từ nửa sau của thế kỷ 20, do sử dụng rộng rãi các lọai phân hóa học, thuốc trừ sâu,
thuốc kích thích, thêm vào đó tầng ozone bị phá hủy, rừng bị hủy họai, hiện tượng “tam
hóa” (sa mạc hóa, mặn hóa, hoang mạc hóa) đất đai, dẫn đến hệ thống sinh thái tòan cầu
không ngừng xấu đi và dẫn đến tuần hòa bất lợi của một số nguyên tố hóa học..

Tuần hoàn sinh địa hóa học của những nguyên tố cơ bản
C, H, O, N là những nguyên tố cơ bản tạo ra vật chất sống, trong tuần hòan sinh địa hóa
học chúng đều có xuất hiện pha khí, cho nên tuần hòan rất nhanh và đều thuộc dạng tuần
hòan thể khí.
Vòng tuần hoàn carbon
Carbon là nguyên tố phi kim loại, chất lương nguyên tử tương đối là 12,011. Nguyên
tử C có thể cùng với các nguyên tử C khác hoặc các nguyên tử H, O, N, P hình thành
nên các cầu nối carbon hoặc cầu nối cộng hóa trị (covalent bond) bền vững, tạo thành
bộ khung cho các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, phospho lipid, hydrat carbon, acid
nucleic).

10/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

vòng tuần hoàn carbon (theo J.G.Black).

11/41

Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Vòng tuần hoàn C trong tự nhiên (theoM.K.Cowan, K.P.Talaro)

Carbon có thể tồn tại dưới các dạng khử, ví dụ như metan (CH4) và các chất hữu cơ,
cũng có thể tồn tại dưới dạng oxy hóa - ví dụ như CO và CO2.
Chất khử (như hydro - một loại chất khử mạnh) và chất oxy hóa (như O2) có thể ảnh
hưởng đến các phản ứng sinh học và hóa học liên quan đến carbon. Trong quá trình phân
giả chất hữu cơ có thể sản sinh hydro, nhất là khi lên men trong điều kiẹn kỵ khí. Nếu
hydrro và metan sinh ra, chúng có thể chuyển từ khu vực kỵ khí sang khu vực hiếu khí.
Đây là cơ hội để oxy hoa hydro và metan. Metan trong khí quyển có tốc độ tăng lên
khoảng 1% mỗi năm, từ mức 0,7 ppm đã tăng lên đến 1,6-1,7ppm (theo thể tích) trong
vòng 300 năm qua. Nguồn metan này có nguồn gốc đa dạng.

12/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Vòng tuần hoàn carbon cơ sở trong môi trường - (theo L.M.Prescott và cộng sự)

Nếu một cột nước chứa oxy nằm trên một vùng kỵ khí chứa vi khuẩn metan thì metan
sẽ bị oxy hóa trước khi xâm nhập vào không khí. Trong nhiều trường hợp, như trong
ruộng lúa không bị che phủ bởi lớp nước chứa oxy thì metan có thể trực tiếp thoát vào
không khí, làm cho lượng chứa metan trong không khí toàn cầu tăng lên. Ruộng lúa,
động vật nhai lại, mỏ than, nhà máy xử lý ô nhiễm, bãi rác và ao hồ đều là những nguồn
quan trọng làm tăng metan trong không khí. Các vi sinh vật kỵ khí trong ruột mối (như
Methanobrevibacter) cũng có thể làm sản sinh metan.

13/41

Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Đặc trưng của các cơ chất hữu cơ phức tạp ảnh hưởng đến sự phân giải (decomposition) và hao
tổn (degradation)

Carbon được cố định thoạt đầu nhờ vi khuẩn lam, tảo lục, vi khuẩn quang hợp (như
Chromatium và Chlorobium) và các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng hiếu khí. Việc hao
tổn chất hữu cơ chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố: (1)-Sự tồn tại các chất dinh dưỡng
trong môi trường; (2)- Các điều kiện phi sinh học (pH, thế oxy hóa-khử, oxy, điều kiện
thẩm thấu); (3)- Sự tồn tại của quần lạc vi sinh vật. Phần lớn các cơ chất hữu cơ phức tạp
đều được vi sinh vật sử dụng. Các cơ chất này chứa đựng các chất dinh đưỡng cần thiết
cho sự sinh trưởng của vi sinh vật. Kitin, protein, sinh khối vi sinh vật và acid nucleic
chứa nhiều nitơ. Nếu các cơ chất này đều được dùng để sinh trưởng, lượng nitơ dư thừa

14/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

và các chất khoáng khác không được dùng để tạo sinh khối mới của vi sinh vật sẽ được
thải vào môi trường và tham gia vào quá trình khoáng hóa (mineralization). Đó là quá
trình mà chất hữu có bị phân giải và làm sản sinh ra các chất vô cơ đơn giản (như CO2,
NH4+, CH4, H2)
Các cơ chất phức tạp khác chỉ chứa C, H, O, nếu được vi sinhvật sử dụng để sinh trưởng
thì vi sinh vật cần sử dụng thêm các chất dinh dưỡng khác từ môi trường để tổng hợp
sinh khối, đó là quá trình cố định hóa (immobilization).
Mối quan hệ của việc sử dụng các cơ chất này với oxy cũng rất lý thú. Ngoài
hydrocarbon và lignin ra, đại đa số các cơ chất đều dễ bị hao tổn trong điều kiện có

oxy hoặc không có oxy. Quá trình hao tổn hydrocarbon nhờ vi sinh vật là rất đặc biệt,
nhất là với những hydrocarbo mạch thẳng hay mạch phân nhánh, đòi hỏi trước hết phải
có sự xâm nhập của phân tử O2. Gần đây người ta phát hiện thấy sự hao tổn kỵ khí
hydrocarbon với các chất oxy hóa là sulfate hay nitrate. Khi có mặt sulfate thì các vi
khuẩn thuộc chi Desulfovibrio hoạt động, sự hao tổn phát sinh rất chậm và quần lạc vi
sinh vật cần một thời gian dài để tiếp xúc với các phức chất này. Sự hao tổn này cuối
cùng sản sinh ra sulfid, chất này cùng tồn tại với dầu mỏ trong dạng “khí chua” (sour
gases).
Lignin là một loại thành phần kết cấu quan trọng trong vật liệu thực vật trưởng thành.
Đó là loại cao phân tử vô định hình phức tạp mà cơ sở là các khối phenylpropan nói với
các liên kết carbon-carbon và carbon-eter. Chúng chiếm đến 1/3 trọng lượng của gỗ. Đó
là một trường hợp đặc biệt mà sự hao tổn sinh học (biodegrability) phụ thuộc vào O2
có thể sử dụng.Sự hao tổn lignin thường không rõ rệt, vì phần lớn nấm sợi làm hao tổn
lignin tại chỗ (in situ) chỉ có thể tác dụng trong điều kiện có O2, thông qua các enzyme
oxidase làm giải phóng ra các loại oxy hoạt động. Trong điều kiện không có oxy, lignin
khó bị vi sinh vật làm hao tổn, kết quả là làm tích lũy các vật liệu lignin, bao gồm sự
hình thành than bùn và đất ải (muck soils). Việc lignin khó bị phân giải trong điều kiện
kỵ khí là điều rất quan trọng trong ngành kiến trúc. Các cấu trúc xây dựng lớn trên đầm
lầy thường đặt các tấm gỗ dưới mặt nước và xây vật kiến trúc trên các đống gỗ ấy. Nếu
duy trì điều kiện kỵ khí thì các kết cấu ấy rất ổn định. Nhưng nếu mặt nước hạ xuống
thì các tấm gỗ sẽ mục nát, các kết cấu kiến trúc có thể bị đe dọa. Một trường hợp tương
tự khác là các nậm sợi có thể tăng cường sự hao tổn thành gỗ của thuyền bè trong điều
kiện hiếu khí. Dạ cỏ là một ví dụ khác về mối liên hệ giữa lignin và oxy. Trong dạ cỏ
hầu như không có oxy do đó khó có thể làm hao tổn thành phần lignin trong thức ăn.
Sau khi sử dụng được phần đường và các hợp chất carbohydrat, thì phần còn lại trong
phân trâu bò sẽ có tác dụng tốt trong việc cải tạo đất đai.
Tại nhiều khu vực hình thức làm hao tổn nhờ vi sinh vật là rất quan trọng. Chúng tham
gia vào quá trình tích lũy các sản phẩm của dầu mỏ., sự hình thành các đầm lầy và bảo
tồn các hiện vật lịch sử .Trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí, lúc cơ chất hữu cơ bị
vi sinh vật tác động hoặc khoáng hóa, sự có mặt hay vắng mặt của oxy cũng đều ảnh

15/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

hưởng đến sự tích lũy các sản phẩm cuối cùng. Trong điều kiện hiếu khí vi sinh vật làm
hao tổn các chất hữu cơ phức tạp và làm sinh ra các chất oxy hóa như nitrate, sulfate và
CO2. Ngược lại, trong điều kiện kỵ khí sẽ dễ dàng tích lũy các sản phẩm cuối cùng dạng
khử, bao gồm ion ammon, sulfid, và metan. Các dạng oxy hóa hay khử này nếu chúng
còn lại trong môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí đã hình thành nên chúng thì thường chỉ
trở thành các chất dinh dưỡng. Nếu có sự hỗn hợp thì các loài oxy hóa sẽ di chuyển về
các khu vực có tính khử nhiều hơn, còn các loài khử sẽ di chuyển về các khu vực có tính
oxy hóa nhiều hơn. Trong những môi trường như vậy (nối với các chất oxy hóa và chất
khử) sẽ có khả năng sản sinh năng lượng ngoại sinh. Khi các chất oxy hóa và các chất
khử này bị vi sinh vật tác động sẽ dẫn đến sự xúc tiến vòng tuần hoàn dinh dưỡng.
Đặc điểm của vòng tuần hoàn carbon là:
- Rất nhiều kho C nhỏ (C dạng trong CO2 khí quyển, trong cơ thể sinh vật) chuyển hóa
với tốc độ nhanh, trong khi C trong kho C lớn (C hữu cơ trong muối carbonate và vật
trầm tích) thì chuyển hóa với tốc độ chậm và tác động tới các kho C khác.

Ảnh hưởng của oxy đối với sự phân giải các chất hữu cơ (theo L.M.Prescott và cộng sự).

16/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

- Tuần hoàn trong biển và trong đất liền tiến hành tương đối độc lập, giữa chúng có sự
trao đổi bằng CO2;
- Vi sinhvậtcó tác dụng to lớn khi khoáng hóa chất hữu cơ và phân giải C hữu cơ, nhưng

có tác dụng rất nhỏ trong việc CO2.
Vòng tuần hoàn Lưu huỳnh
Lưu huỳnh (S) là nguyên tố lớn thứ 14 trong vỏ Trái đất, phân tử lượng là 32,06. Giống
như P, hàm lượng S trong cơ thể khá thấp, chỉ vào khỏang 0,25%, nhưng lại là một thành
phần quan trọng của chất nguyên sinh. Trong thiên nhiên S hình thành 8 dạng oxy hóa,
từ hóa trị -2 đến +6, nhưng chỉ có 6 dạng oxy hóa hay gặp, xem bảng dưới

Các dạng lưu huỳnh và các trạng thái oxy hóa chính (Charlson và cộng sự, 1992)

Ghi chú: R là gốc hydrocarbon (như CH 3 ), M là ion kim loại.
Trong các loại oxid, quặng sắt vàng (FeS2) chứa nhiều S nhất, là nguồn S lớn nhất trên
trái đất. kho dự trữ S chính ở nham quyển (như quặng sulfur, S trầm tích và nhiên liệu
khoáng). Khối lượng muối sulfate hòa tan trong nước biển cũng rất lớn. S còn tồn tại
trong khí quyển với các dạng khí H2S, SO2 và sulfur methyl. Cơ thể sinh vật và chất
hữu cơ chứa rất ít S (bảng dưới), nhưng là nguồn S có tốc độ tuần hoàn nhanh.

17/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Kho S trong bề mặt trái đất (Schlesinger, 1997)
Kho S

Hàm lượng/ x 10 18 gS

Khí quyển

2,8 x 10-7

Nước biển

1280

Đá trầm tích

7440

Thực vật trên cạn

0,0085

Chất hữu cơ trong đất 0,0155
Tổng cộng

8720

Tuần hoàn S là một trong các vòng tuần hoàn phức tạp nhất của sinh quyển, vừa có tuần
hoàn thể khí, vừa có tuần hoàn trầm tích, cho nên được coi thuộc dạng tuần hoàn quá
độ. Trong tuần hòan lưu huỳnh, Vi sinh vật xúc tác các quá trình oxy hóa và khử S dưới
các hình thức khác nhau, thúc đẩy tuần hoàn sinh địa hóa học và đóng vai trò quan trọng
hàng đầu.

Vòng tuần hoàn lưu huỳnh cơ sở (theo L.M.Prescott và cộng sự).

18/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Quá trình cơ bản của vòng tuần hòan S là: tầng nham thạch sulfate và nhiên liệu hóa
thạch trong đất liền và trong đại dương bị phân hủy và phong hóa tự nhiên, cùng với sự
phun trào núi lửa…sẽ giải phóng H2 S, SO2 vào khí quyển. S trong khí quyển thông qua
tác dụng mưa và trầm lắng một phần trở về biển, phần khác trong đất biến thành muối
sulfate dành cho thực vật hấp thu, là thành phần của một số amino acid, di chuyển trong
chuỗi thức ăn. Chất bài tiết và xác động thực vật bị vi sinh vật phân hủy, S bị giải phóng
ra, lại trở về đất hoặc qua các dòng chảy trên mặt đất rửa trôi về sông hồ rồi tới biển và
trầm tích ở đáy biển sâu. Do hàm lượng S trong thiên nhiên rất phong phú, nhu cầu của
sinh vật đối với S không nhiều như đối với C, O, P, nên S rất ít khi trở thành nhân tố hạn
chế đối với sự sinh trưởng của cơ thể.

Vòng tuần hoàn lưu huỳnh (theo J.G.Black).

Vi khuẩn quang hợp dùng hợp chất lưu huỳnh làm chất cho electron để chuyển hóa lưu
huỳnh.Đó là chức năng của Thiobacillus và các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng tương tự.
Ngược lại, khi sulfate khuếch tán đến môi trường có trạng thái khử thì chúng sẽ tạo cơ
hội cho những nhóm vi sinh vật khác tiến hành khử sulfate (sulfate reduction). Chẳng
hạn, khi tồn tại một chất khử hữu cơ có thể sử dụng được thì vi khuẩn Desulfovibrio
sẽ dùng sulfate để làm chất oxy hóa, sử dụng sulfate như chất nhận electron ngoại lai
để hình thành sulfid tích lũy lại trong môi trường. Đó là ví dụ điển hình của quá trình
khử dị hóa (dissimilatory reduction) và hô hấp kỵ khí. Ngược lại, việc khử sulfate trong
quá trình sinh tổng hợp amino acid và protein được coi là một quá trình khử đồng hóa
(assimilatory reduction). Nhiều vi sinhvậtkhác cũng được biết đến là loại khử dị hóa lưu
huỳnh nguyên tố, đó là Desulfuromonas, cổ khuẩn ưa nhiệt, và cả các vi khuẩn lam trong
các trầm tích có độ muối cao .Sulfit là một dạng trung gian quan trọng khác, nó có thể bị
19/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

nhiều loại vi sinhvậtkhử thành sulfid, đó là các vi khuẩn như Alteromonas, Clostridium
và Desulfomaculum. Vi khuẩn Desulfovibrio thường được coi là loại kỵ khí bắt buộc.
Tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho biết khi chúng tồn tại trong môi trường có mức
oxy hòa tan là 0,04% thì chúng cũng có thể dùng oxy để hô hấp.
Ngoài ra, các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh thuộc nhóm tự dưỡng quang năng rất quan
trọng như Chromatium và Chlorobium có thể tác động mạnh trong điều kiện kỵ khí
nghiêm ngặt dưới chiều sâu của nước, một nhóm lớn các vi khuẩn khác nhau có thể
thực hiện quang hợp hiếu khí không sinh oxy. (aerobic anoxygenic photosynthesis).
Trong môi trường nước biển và nước ngọt phát hiện thấy các vi khuẩn quang hợp
hiếu khí không sinh oxy này sử dụng sắc tố bacterioclorophyl a và carotenoid, chúng
thường là thành phần chính của quần lạc vi sinh vật. Các chi chủ yếu là Erythromonas,
Roseococcus, Porphyrobacter và Roseobacter.
Các thành phần “nhỏ” trong vòng tuần hoàn lưu huỳnh có vai trò quan trọng trong sinh
học. Một ví dụ điển hình là dỉmtylsulfoniỏpopionat (DMSP), chúng được sử dụng bởi vi
khuẩn phù du (bacterioplankton) như nguồn lưu huỳnh để tổng hợp protein, chuyển hóa
thành dimethylsulfid (DMS) - một chất lưu huỳnh bay hơi có thể ảnh hưởng tới các quá
trình của khí quyển.
Khi điều kiện pH vàthế oxy hóa khử thích hợp, nhiều chuyển hóa quan trọng trong vòng
tuần hoàn lưu huỳnh cũng có thể thực hiện thông qua các phản ứng hóa học mà không
có sự tham gia của vi sinh vật. Một ví dụ quan trọng của quá trình phi sinh học này là sự
oxy hóa sulfid thành lưu huỳnh nguyên tố.
Những bước then chốt của vòng tuần hòan S bao gồm các quá trình sau đây:
a- Đồng hóa lưu huỳnh: Đó là quá trình vi sinh vật sử dụng sulfate và H2 S tạo nên vật
chất của tế bào. Vi sinh vật ngòai một số rất ít có thể đồng hóa trực tiếp S, phần lớn phải
dùng sulfate làm nguồn S. Sau khi chúng hấp thu sulfate sẽ khử thành sulfur, kết hợp
với các chất của tế bào như protein, quá trình đó được gọi là tác dụng khử sulfate chất
đồng hóa.Tác dụng khử sulfate cần dùng tới năng lượng. Trước khi khử sulfate cần tiêu
hao ATP để chuyển hóa thành adenosin 5’ phosphosulfate (APS); tiếp theo phải tiêu hao
ATP thứ 2 để chuyển hóa APS thành 3’ phosphoadenosin 5’-phosphosulphat (PAPS).
Sau đó khử PAPS thành sulfit, rồi khử tiếp thành sulfid. Sulfid sinh ra được serine hấp

thu, rồi tạo thành cystein.
b- Tác dụng khử lưu huỳnh (desulphuration): chỉ quá trình protein và các chất hữu cơ
chứa S khác được vi sinh vật phân hủy phóng thích H2 S. Nhiều Vi sinhvậthọai sinh
trong hồ có khả năng này, chẳng hạn các lòai sống trong những hồ nghèo dinh dưỡng
như Mycobacterium phlei, Mycobacterium filiforme; các loài sống trong những hồ giàu
dinh dưỡng như Pseudomonas fluorescens, Bacterium delicatum v.v…

20/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Các loài tảo biển thường tổng hợp dimethylsulfoniopropionat (DMSP), dùng để điều
tiết áp suất thẩm thấu tế bào. DMSP được vi sinh vật phân giải chuyển hóa thành
dimethylsulfid (DMS). DMS bay hơi vào khí quyển, rồi sẽ cùng với H2 S dưới tác dụng
của ánh sáng tạo thành sulfate.
H2 S/DMS → S2O-23 → H2SO4
Loài người đốt cháy các nhiên liệu chứa S, thải SO2 ra khí quyển, hình thành khói acid,
H2SO4 tan trong hơi nước, khiến cho pH nước mưa từ trung tính giảm xuống còn 3,5,
hình thành nên mưa acid, gây ô nhiễm mội trường và làm nguy hại đến sức khỏe nhân
loại..
c- Tác dụng lưu hóa (sulphurication): Quá trình hình thành H2SO4 từ H2S, S, FeSO4
gọi là lưu hóa hay oxy hóa lưu huỳnh (sulfur oxydation). Tham gia tác dụng lưu hóa có
vi khuẩn lưu hóa và vi khuẩn lưu hùynh.
- Vi khuẩn lưu hóa: Những lòai thuộc chi Thiobacillus có thể oxy hóa S hoặc sulfid để
thu năng lượng, sinh ra H2SO4, đồng hóa CO2 và tổng hợp nên chất hữu cơ, thường bên
trong tế bào không chứa trữ các hạt lưu huỳnh, như Thiobacillus thiooxidans chẳng hạn:
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + năng lượng
Na2S 2O 3 + 2O2 + H2O → Na2SO4 + H2SO4+ năng lượng
H2S + O2 → 2H2O + năng lượng

Vi khuẩn Thiobacillus ferrooxydans có thể thu được năng lượng từ qua trình oxy hóa
FeSO4 thành Fe 2(SO4)3:
4FeSO4 + O2 + H2SO4→ 2 Fe2(SO4)3 + H2O
Vi khuẩn Thiobacillus ferrooxydans chịu được acid mạnh, Fe2(SO4)3 lại là chất dễ hòa
tan, vì vậy có thể dùng vi khuẩn này để tách được đồng, sắt ra từ các dạng xỉ quặng hay
quặng nghèo:
FeS + 7 Fe 2(SO4)3 + 8 H2O → 15 FeSO4 + 8 H2SO4
Cu2S + 2 Fe 2(SO4)3 → 2Cu SO4 + 4 FeSO4 + S
Phương pháp tách quặng thông qua vi khuẩn được gọi là phương pháp luyện kim ướt,
các chất FeSO4, CuSO4 sinh ra sẽ qua các phương pháp hiện đại để thu hồi lại kim loại.

21/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Ngoài ra, vi khuẩn lưu hùynh màu lục và vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có thể quang hợp
trong điều kiện kỵ khí:
CO2 + H2S →(ánh sáng)→ [C H2O] +2S + 2 H2O
3CO2 + 2S + 5H2O →(ánh sáng)→ 3[CH2O] + 2H2SO4
-Vi khuẩn lưu huỳnh:Có thể oxy hóa H2S thành S và tích trữ hạt S trong tế bào. Khi môi
trường thiếu H2S, chúng sẽ oxy hóa tiếp S thành H2SO4 , năng lượng sinh ra được dùng
để cố định CO2.
2 H2S + O2 → 2S + 2 H2O+ năng lượng
2S + 2 H2O → 2 SO-24 + 4H++ năng lượng
Vi khuẩn lưu hùynh bao gồm 2 loại – vi khuẩn lưu hùynh dạng sợi và vi khuản lưu
hùynh tự dưỡng quangnăng.
d- Tác dụng khử sulfate (sulfate reduction)
Tác dụng khử sulfate có 2 dạng: dạng đống hóa và dạng dạng dị hóa. Tác dụng khử
sulfate dạng dị hóa là quá trình S hoặc sulfate dưới tác dụng của vi sinh vật được

dùng làm thể nhận electron và bị khử thành H2S. Ví dụ phẩy khuẩn Desulfovibrio
desulfuricans có thể sử dụng glucose và lactose để khử sulfate:
C6 H 12 O6 + 3H2SO4 → 6 CO2 + 6H2O + 3 H2S+ năng lượng
2CH3CHOHCOOH (acid lactic) + H2SO4 → 2CH3COOH (acid acetic) + 2CO2 + 2H2O
+ H2S+ năng lượng
Trong phản ứng trên acid lactic oxy hóa không triệt để, làm tích lũy acid acetic.Trong
các ống thóat nước thải bằng bê tông hoặc bằng gang, nếu có mặt sulfate, đáy ống
thường do thiếu oxy sẽ sản sinh ra H2S. H2S sẽ nổi lên bề mặt tàng nước thải, gặp oxy
hòa tan, H2S bị vi khuẩn lưu hùynh hoặc vi khuẩn sulfur hóa oxy hóa thành H2SO4 và
làm ăn mòn đường ống. Trong thực tế có thể chống ăn mòn bằng cách duy trì dòng nước
thải chảy thông suốt và nâng cao điện thế khử.
e- Sự khử lưu huỳnh trong than
Trong than thường có một lượng nhất định các hợp chất lưu huỳnh (chủ uếu là S hữu
cơ và S trong quặng pyrit chứa sắt). Khi đốt than sẽ xuất hiện khói H2S có hại, khí này
tham gia vào các trận mưa acid, làm ô nhiễm đất và nước, phá hoại cân bằng sinh thái.
Vì vậy việc khử S và phân hủy S trong than là một vấn đề có ý nghĩa toàn cầu, Vi sinh
22/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

vật phân giải S trong quặng pyrit theo 2 phương thức: một là, trực tiếp oxy hóa và làm
hòa tan quạng; hai là, tác dụng gián tiếp theo cơ chế như sau:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2FeSO4 +2H2SO4
Vi sinh vật
2FeSO4 + ½ O2 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2O
Vi sinh vật
FeS2 + Fe2(SO4)3 → 3FeSO4 +3S
2S + 3O2 + H2) → 2H2SO4
Vi sinh vật

S hữu cơ trong than chủ yếu là hợp chất dangh thơm của Fe, và nhóm lipid chứa Fe,
trong đó chứa hàm lượng cao là DBT- dibenzothiophene. Vi sinh vật có hai phương thức
phân giải DBT:một là, tác dụng trực tiếp lên nguyên tử S trong DBT; hai là, biến S thành
H2SO4.
Tham gia vào việc khử S trong than có nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau: Thiobacillus
thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans, Pseudomonas, Alcaligenes, Escherichia coli,
Sulfolobus acidocaldarius...

Quá trình phân hủy DBT chứa lưu huỳnh trong than

Vòng tuần hoàn nitơ
Cơ bản của vòng tuần hoàn nitơ là quá trình Nitrate hóa (Nitrification), Phản nitrate hóa
(Denitrification) và Cố định nitơ (Nitrogen fixation).

23/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Nitơ chủ yếu tồn tại ở khí quyển, chiếm tới 78% trong khí quyển, trong sinh quyển chỉ
chiếm 0,3% tổng khối lượng sinh vật. Muối vô cơ của nitơ (muối ammon, nitrate, nitrite)
có độ hòa tan trong nước cao, dễ tham gia vào vòng tuần hòan. Chất mùn (humus) trong
đất ôn đới thông qua việc khoáng hóa từ từ mà chuyển biến thành N vô cơ. Vùng nhiệt
đới do nóng và ẩm, tốc độ khóang hóa nhanh, ít tích lũy chất mùn. Khí nitrogen là khí
trơ, muốn mở nối N≡N cần dùng nhiều năng lượng, chỉ có một số ít sinh vật cố định
được Nitơ. Thông qua tia chớp phóng điện, phun trào của núi lửa, cũng có thể cố định
được một lượng ít nitơ. Ngòai ra cố định nitơ tại các nhà mnáy phân đạm hóa học (tốn
rất nhiều năng lượng) cũng có thể biến N2 thành muối ammon hoặc nitrate cung cấp cho
cây trồng. Khoảng 85% tác dụng cố định nitơ trên Trái đất là do vi sinh vật cố định nitơ
thực hiện, trong đó 60% xẩy ra trên đất liền và 40% xẩy Nitrogen ra ở đại dương.Thực

vật hấp thụ nitơ vô cơ trong đất, chủ yếu là nitrate để tổng hợp ra protein thực vật. Động
vật hấp thu protein thực vật để tổng hợp thành protein động vật. Xác động thực vật và
chất bài tiết chứa nitơ được vi sinh vật phân hủy trở lại thành nitơ vô cơ, một phần được
thực vật hấp thu, phần còn lại qua tác dụng của vi khuẩn phản nitratee hóa biến thành
khí nitơ trở về khí quyển.

Vòng tuần hoàn nitơ cơ sở (theo L.M.Prescott và cộng sự).

Vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs) cũng có thể tiến hành nitrate hóa, một số vi sinh vật
dị dưỡng còn có thể kết hợp quá trình nitrate hóa với quá trình phản nitrate hóa kỵ khí,
đó là quá trình oxy hóa NH4+ trong điều kiện mức oxy thấp và tạo ra N2O và N2. Trong
điều kiện thiếu oxy việc tồn tại quá trình oxy hóa ion ammon (anammox là một thuật
ngữ thương nghiệp) cho thấy quá trình nitrate hóa không chỉ là quá trình hiếu khí. Vì

24/41


Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

vậy khi chúng ta tìm hiểu vòng tuần hoàn sinh địa hóa học, bao gồm cả vòng tuần hoàn
nitơ, trong các sách trước kia những vòng tuần hoàn đơn giản đã không phản ánh chính
xác các quá trình sinh địa hóa học.

Vòng tuần hoàn nitơ (theo M.K.Cowan, K.P.Talero).

Nitrate hóa là một quá trình hiếu khí , oxy hóa ion ammon (NH4+) thành nitrite
(NO2-), rồi sau đó oxy hóa thành nitrate (NO3-). Chẳng hạn, vi khuẩn thuộc các chi
Nitrosomonas và Nitrosococcus đóng vai trò quan trong trong giai đoạn trước, còn vi
khuẩn thuộc chi Nitrobacter và các vi khuẩn dị dưỡng hóa năng tương ứng sẽ thực hiện
giai đoạn sau. Gần đây người ta phát hiện thấy vi khuẩn Nitrosomonas eutropha trong

phản ứng phản nitrate hóa tương quan, sẽ dùng NO2 làm chất oxy hóa, trong điều kiện
25/41