Bài giảng chu trình tuần hoàn vật chất và hệ sinh thái môi trường

9/14/2014

SỨC KHOẺ MƠI TRƯỜNG-BỆNH NGHỀ NGHIỆP

Chương 9: Chu trình tuần hồn vật
chất và hệ sinh thái mơi trường

1, Khái niệm chu trình tuần hồn vật
chất
+ Là một chu trình vận động các chất vô cơ trong hệ sinh thái theo
đường từ ngoại cảnh chuyển vào trong cơ thể sinh vật, rồi được
chuyển lại vào mơi trường. Chu trình vận động các chất vơ cơ ở
đây khác với sự chuyển hóa năng lượng đi qua các bậc dinh dưỡng
ở chỗ nó được bảo tồn chứ khơng bị mất đi một phần nào dưới
dạng năng lượng và không sử dụng lại.
+ Nguồn vật chất <-> Môi trường <-> Cơ thể sống
+ Trong số hơn 90 nguyên tố được biết trong thiên nhiên có
khoảng 30-40 nguyên tố cần thiết cho cơ thể sống. Một số nguyên
tố như cacbon (C), nitơ (N2), oxy (O2), hydro (H2), phospho (P) … mà
cơ thể đòi hỏi với một số lượng lớn, cịn có một số ngun tố khác
cơ thể chỉ địi hỏi một lượng nhỏ, có khi cực nhỏ (vi lượng), nhưng
hết sức cần thiết như đồng (Cu), mangan (Mn) cần cho phản ứng
oxy hóa khử.

1


2, Chu trình tuần hồn nước

Bảng 1. Các dạng tồn tại của nước
(Nguồn: Nace, U.S. Geological Survey, 1967 and The Hydrologic Cycle (Pamphlet). U.S. Geological Survey, 1984)

Dạng nước
Đại dương

Thể tích (Km3´ 106)

Tỉ lệ (%)

507,2

97,22

11,2

2,15

3,2

0,61

0,048

0,009

0,04

0,008

Độ ẩm của đất

0,025

0,005

Hơi nước trong không khí

0,005

0,001

0,0005

0,0001

Đá băng
Nước ngầm
Hồ ao nước ngọt
Biển nội địa

Sơng rạch

Bảng 2. Thời gian tồn đọng của các dạng nước trong tuần hồn nước

Địa điểm

Thời gian lưu trữ

Khí quyển Các dịng sơng Đất ẩm
9 ngày
Các hồ lớn

2 tuần
Nước ngầm nông
2 tuần đến 1 năm
Tầng pha trộn của các đại dương
10 năm
Đại dương thế giới Nước ngầm sâu Chóp băng Nam 10-100
Cực năm
120 năm
300 năm
đến 10.000 năm
10.000 năm


Hình 1. Sơ đồ chu trình tuần hồn nư

Trong chu trình tuần hồn nước: nước vận chuyển khơng đổi giữa thủy quyển, khí quyển, và sinh quyển nhờ năng lượng mặt trời và trọng lực. Tổ
Nước luôn chuyển đổi liên tục qua nhiều trạng thái, phần lớn qua các dạng như băng tuyết; bay hơi; sự thốt

3, Chu trình tuần hồn Cacbon (C)

Các q trình chính trong chu trình tuần hồn cacbon gồm q trình quang hợp, q trình phân hủy các sản p
Khí quyển là nguồn cung cấp cacbon (chủ yếu ở dạng CO2) chính trong chu trình tuần hồn C. CO2 đi vào hệ s
C có thể tồn tại thời gian dài ở các dạng vô cơ như CO2

(hịa tan và dạng khí); H2CO3 (hị
CO 2- (hịa tan,
33 như CaCO cacbo
dạng hữu cơ như glucose; acid a

Hình 2. Chu trình tuần hồn cacbon

Một số tác động của con người làm tăng lượng khí CO2 trong khơng khí, nước:
Đốt cháy nhiên liệu (xăng, than), đốt cháy củi, gỗ làm trái đất nóng lên, tăng nhiệt độ trên trái đất-hiệu ứng nhà kính.
Việc tăng khí CO2 và một số chất ô nhiễm khác (NOx, SOx), gây mưa acid (pH  4,0), làm cá chết, thay đổi pH đất, ảnh hưởng đến cây trồng.
Sự nóng lên tồn cầu có thể làm băng tan ở Nam cực, tăng mực nước biển, thay đổi khí hậu, thay đổi sản lượng ngũ cốc và lượng mưa.

4, Chu trình tuần hồn Oxy (O2)
Quan sát chu trình tuần hồn cacbon, chúng ta sẽ thấy trong
chu trình cũng mơ tả sự vận chuyển oxy vì các phân tử này
đều có sự hiện diện của oxy.
Trong chu trình tuần hồn oxy thì oxy được thải vào khơng
khí từ các sinh vật tự dưỡng bằng q trình quang hợp. Sinh
vật tự dưỡng và dị dưỡng đều hấp thu oxy thơng qua q trình
hơ hấp. Thật ra, tất cả oxy trong khơng khí đều là nguồn gốc
phát sinh sự sống. Đầu tiên, oxy được giải phóng từ quá trình
quang hợp của các sinh vật tự dưỡng (phần lớn là cyanobacteria) sống trong môi trường nước. Trải qua 2 tỉ năm, nồng
độ oxy tăng lên trong khơng khí và hiện nay đạt 21% là nguồn
gốc phát sinh các sinh vật đa bào, cũng như động vật có
xương sống-vì các loài này nhu cầu oxy rất cao.


5, Chu trình tuần hồn N

Các q trình chính trong chu trìn
Cố định nitơ: Nitơ được các vi khu

nitơ ở dạ
Ammon hóa: các vi khuẩn phân hủy sẽ phân
Nitrat hóa: các vi khuẩn hóa tổng hợp sẽ oxid hóa NH4OH để tạo thành nitrat

Khử nitrat hóa: các vi khuẩn k

Một vài tác động gay gắt nhất của con người vào chu
trình tuần hồn nitơ:
• Sử dụng phân bón đạm để tăng năng suất cho các
vụ mùa, làm tăng tốc độ khử nitrit và làm nitrat đi
vào nước ngầm. Lượng nitơ tăng trong hệ thống
nước ngầm cuối cùng cũng chảy ra sơng, suối, hồ, và
cửa sơng. Tại đây, có thể sinh ra hiện tượng phú
dưỡng hóa.
• Làm tăng sự lắng đọng nitơ khơng khí vì cháy rừng và
đốt cháy nhiên liệu. Cả 2 q trình này đều giải
phóng các dạng nitơ rắn ở trạng thái bụi.
• Chăn ni gia súc. Gia súc đã thải vào môi trường
một lượng lớn ammoniac (NH3) qua chất thải của
chúng. NH3 sẽ thấm dần vào đất, nước ngầm và lan
truyền sang các khu vực khác do nước chảy tràn.
• Chất thải và nước thải từ các quá trình sản xuất.


6, Chu trình tuần hồn Phospho (P)
• Chu trình tuần hồn phospho là chu trình
khơng hồn hảo. Phospho là chất cơ bản của
sinh chất có trong sinh vật cần cho tổng hợp
các chất như acid nucleic, chất dự trữ năng
lượng ATP, ADP.
• Nguồn dự trữ của phospho: trong thạch quyển
dưới dạng hỏa nham, hiếm có trong sinh
quyển. Phospho có khuynh hướng trở thành
yếu tố giới hạn cho hệ sinh thái.

• Sự thất thốt phospho là do trầm tích sâu hoặc
chuyển vào đất liền (do người đánh bắt cá
hoặc do chim ăn cá …).

Hiện nay, phospho là khâu yếu nhất trong mạng lưới dinh dưỡng. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng phospho, xói mịn (do đố


7, Khái niệm hệ sinh thái (Clip)
•

•
•

•

Quần thể là một nhóm cá thể của một lồi, sống trong một khoảng khơng
gian xác định, có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm, chứ khơng phải
cho từng cá thể của nhóm (E.P. Odium, 1971). Hoặc quần thể là một
nhóm cá thể của cùng một loài sống trong cùng một khu vực (Alexi
Sharov, 1996).
Quần xã (community) bao gồm cả quần xã của nhiều lồi khác nhau,
lồi có vai trị quyết định sự tiến hóa của quần xã là lồi ưu thế sinh
thái.
Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật thuộc các loài khác nhau cùng sinh
sống trên một khu vực nhất định. Khu vực sinh sống của quần xã được gọi
là sinh cảnh. Như vậy, sinh cảnh là môi trường vô sinh. Trên thực tế để dễ
nhận biết và phân biệt, người ta dùng vật chỉ thị là thảm thực vật, vì yếu
tố thực vật thường chiếm ưu thế trong một sinh cảnh và có ảnh hưởng rõ
rệt lên sinh cảnh.
Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác nhau giữa các sinh

vật đó và các mối tác động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với các
yếu tố vô sinh, tạo thành một hệ thống sinh thái-ecosystem, gọi tắt là hệ
sinh thái. Hệ sinh thái là hệ chức năng gồm có quần xã, các cơ thể sống và
mơi trường của nó dưới tác động của năng lượng mặt trời.

8, Thành p

Hệ sinh thái hoà

Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng): ánh•sáng, nhiệt đ
Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố và hợp chất hóa học cầ
•

dạng chất k
trình tuần h
Các chất hữu cơ (các chất mùn, acid amin, protein, lipid, glucid): đây là các chất có đóng vai trị làm cầu nối gi


Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn:
• Trong thiên nhiên, các nhóm thực vật, động vật cũng như nấm, vi
khuẩn (với vô vàn cá thể) sống chung với nhau, liên kết với nhau
bởi những mối quan hệ chủ yếu là về dinh dưỡng và phân bố. Tức
là mối quan hệ mà trong đó ln diễn ra cuộc đấu tranh về khơng
gian sống và thức ăn.
• Mối quan hệ về thức ăn thể hiện bằng một chuỗi dinh dưỡng được
bắt đầu bằng sinh vật tự dưỡng và sau đó là một số sinh vật này
làm thức ăn cho một số sinh vật khác, rồi chính nhóm này lại làm
thức ăn cho nhóm khác nữa. Điều đó tạo thành chuỗi liên tục từ
mức thấp đến mức cao, bắt đầu bằng mức độ tổng hợp sản phẩm
tiếp đến một số mức độ tiêu thụ, chuỗi này còn được gọi là chuỗi

thức ăn. Nhiều chuỗi thức ăn tạo thành lưới thức ăn.
• Chuỗi thức ăn là chuỗi mà các sinh vật sau ăn các sinh vật trước.
Nếu chúng ta xếp các sinh vật trong chuỗi thức ăn theo các bậc
dinh dưỡng, thường sẽ tạo thành tháp sinh thái. Quan sát tháp
sinh thái sẽ cho ta một số thông tin như tổng năng lượng của một
hệ sinh thái tuân theo nguyên tắc nhiệt động học: năng lượng cung
cấp từ nguồn thức ăn của sinh vật cấp trên ln ln thấp hơn cấp
dưới,

Hình 4. Các dạng tháp sinh thái


8, Các q trình chính trong hệ sinh thái
• Trong hệ sinh thái ln diễn ra các q trình chính, đó là q
trình trao đổi năng lượng, tuần hồn các chất và sự tương
tác giữa các lồi.
• Nguồn năng lượng trong hệ sinh thái có nguồn gốc chủ yếu từ
ánh sáng mặt trời (thông qua quang hợp) và năng lượng hóa
học (thơng qua chuỗi thức ăn). Thơng qua chuỗi thức ăn, bậc
dinh dưỡng trên sẽ nhận được khoảng 10% năng lượng từ
bậc dinh dưỡng thấp. Một số trường hợp ngoại lệ như bò ăn
cỏ 7% (7 kg ngũ cốc tạo ½ kg thịt bị); ốc sên 33%; thỏ 20%.
• Mọi sinh vật sống chính là nguồn thực phẩm quan trọng cho
các sinh vật khác. Như vậy, có thể hiểu chuỗi thức ăn là một
chuỗi sinh vật mà sinh vật sau ăn sinh vật trước, lưới thức
ăn (food web) gồm nhiều chuỗi thức ăn.
• Ví dụ: sâu ăn lá; chim sâu ăn sâu; diều hâu ăn chim sâu. Khi
cây, sâu, chim sâu, diều hâu chết thì chúng sẽ bị các vi sinh
vật phân hủy.

Hình 5. Lưới thức ăn


Câu hỏi ơn tập
1, Trình bày chu trình tuần hồn nước
2, Trình bày chu trình tuần hồn
cacbon 3, Trình bày chu trình tuần
hồn oxy
4, Các q trình trong chu trình tuần hoàn Nito
5, Nêu khái niệm hệ sinh thái, thành phần của
hệ sinh thái