3/19/2011 1 Cán Bộ Giảng Dạy: TS. VÕ LÊ PHÚ Bộ Môn Quản Lý Môi Trường – Khoa Môi Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM volephu@hcmut.edu.vn CHƯƠNG II CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG (Tuần 2, 12-13/3/2011) Khoa học Môi Trường Khoa học Môi trường (Environmental Science) là môn khoa họ c nghiên cứ u cá c thành phaቹn của mô i trườ ng (nướ c, đaቷt, khô ng khı́) và các tác độ ng của con ngườ i đeቷn các thành phaቹn môi trườ ng. Khoa học Quản lý Môi Trường Khoa học quản lý Môi trường (Science of Environmental Management): là khoa học nghiên cứ u veቹ các cách tieቷp cận hoặ c cách thứ c quản lý mô i trườ ng nhaኁm tránh các tá c động tiêu cự c do con ngườ i gây ra. Các cách thứ c/phương phá p quản lý mô i trườ ng bao goቹ m: Các công cụ chính sách, pháp luật Các công cụ kinh tế Các công cụ khoa học & công nghệ Các công cụ giáo dục CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI Khái niệm cơ bản: quần thể, quần xã, hệ sinh thái Các thành phaቹ n củ a hệ sinh thá i Chuoች i thứ c ăn/lướ i thứ c ăn Các thành phaቹ n cơ bản của hệ sinh thái ooàn chı̉nh 3/19/2011 2 KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI Các Khái niệm Cơ Bản: Quần thể: là một nhóm cá thể của một loài, sống trong một khoảng không gian xác định, có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm, chứ không phải cho từng cá thể của nhóm (E.P. Odum, 1971). Hoặc quần thể là một nhóm cá thể của cùng một loài sống trong cùng một khu vực (Alexi Sharov, 1996). KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI Quần xã (community) bao gồm các quần thể của nhiều loài khác nhau, loài có vai trò quyết định sự tiến hóa của quần xã là loài ưu thế sinh thái. Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật thuộc các loài khác nhau cùng sinh sống trên một khu vực nhất định. Khu vực sinh sống của quần xã được gọi là sinh cảnh. Như vậy, sinh cảnh là môi trường vô sinh. Hệ SINH THÁI Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu tố vô sinh, tạo thành một hệ thống sinh thái-ecosystem, gọi tắt là hệ sinh thái. Hệ sinh thái là hệ chức năng gồm có quần xã, các cơ thể sống và môi trường của nó dưới tác động của năng lượng mặt trời. Quần xã sinh vật Môi trường xung quanh Năng lượng mặt trời Hệ Sinh Thái Thành phần của hệ sinh thái Hệ sinh thái hoàn chỉnh bao gồm các thành phần chủ yếu sau: Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng): ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, dòng chảy … Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố và hợp chất hóa học cần thiết cho tổng hợp chất sống. Các chất vô cơ có thể ở dạng khí (O 2 , CO 2 , N 2 ), thể lỏng (nước), dạng chất khoáng (Ca, PO 4 3- , Fe …) tham gia vào chu trình tuần hoàn vật chất. 3/19/2011 3 Thành phần của hệ sinh thái Các chất hữu cơ (các chất mùn, acid amin, protein, lipid, glucid): đây là các chất có đóng vai trò làm cầu nối giữa thành phần vô sinh và hữu sinh, chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi vật chất giữa 2 thành phần vô sinh và hữu sinh của môi trường. Chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn (foodchain): Chuỗi thức ăn được xem là một dãy bao gồm nhiều loại sinh vật, mỗi loài là một “mắt xích” thức ăn; mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích thức ăn phía trước và nó lại bị mắt xích thức ăn phía sau tiêu thụ. Một số chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn trên cạn (a terrestrial food chain) Một số chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn dưới nước (a marine food chain) 3/19/2011 4 Lưới thức ăn Lưới thức ăn là các chuỗi thức ăn có nhiều mắt xích chung tạo thành một lưới thức ăn. Ví dụ: Sinh vật sản xuất (hay tự dưỡng) Chủ yếu là thực vật xanh Có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng nhờ quá trình quang hợp; Năng lượng này tập trung vào các hợp chất hữu cơ-glucid, protid, lipid, tổng hợp từ các chất khoáng (các chất vô cơ có trong môi trường). Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3) Chủ yếu là động vật. Tiêu thụ các hợp chất hữu cơ phức tạp có sẵn trong môi trường sống. Sinh vật tiêu thụ bậc 1: tiêu thụ trực tiếp các sinh vật sản xuất. Chủ yếu là động vật ăn thực vật (cỏ, cây, hoa, trái …). Các động vật, thực vật sống ký sinh trên cây xanh cũng thuộc loại này. Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3) Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn các sinh vật tiêu thụ bậc 1. Gồm các động vật ăn thịt, ăn các động vật ăn thực vật. Sinh vật tiêu thụ bậc 3: thức ăn chủ yếu là các sinh vật tiêu thụ bậc 2. Đó là động vật ăn thịt, ăn các động vật ăn thịt khác. 3/19/2011 5 Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật phân hủy Sinh vật phân hủy là những loại vi sinh vật hoặc động vật nhỏ bé hoặc các sinh vật hoại sinh có khả năng phân hủy các chất hữu cơ thành vô cơ. Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Ngoài ra còn có những nhóm sinh vật chuyển hóa chất vô cơ từ dạng này sang dạng khác (như nhóm vi khuẩn nitrat hóa chuyển NH 4 + thành NO 3 - ). Nhờ quá trình phân hủy, sự khoáng hóa dần dần mà các chất hữu cơ được thực hiện và chuyển hóa chúng thành chất vô cơ. SINH THÁI HỌC & HỆ SINH THÁI Quần thể: là tập những cá thể cùng loài sống trong một sinh cảnh nhất định ở một thời điểm nhất định Khi nghiên cứu về quần thể cần lưu ý: Sức sinh sản; Sức tử vong; Mật độ quần thể; Mức độ tăng trưởng Tại sao một số loài cùng tồn tại trong một nơi? Chúng phát triển hay suy giảm? 3/19/2011 6 Các nhân tố tác động đến quần thể Sinh đẻ: gia tă ng soቷ lượ ng cá theቻ trong quaቹn theቻ thô ng qua tá i sinh  gia tă ng mật độ củ a quaቹ n theቻ. Tử vong: suy giảm soቷ lượ ng quaቹn theቻ do tử vong  giảm mật độ quaቹ n theቻ. Nhập cư: gia tă ng soቷ lượ ng cá theቻ thông qua việc nhập cư và o quaቹn theቻ  gia tăng mật độ quaቹn theቻ (+). Di cư: giảm soቷ lượ ng cá theቻ do di cư củ a các cá theቻ ra khỏ i quaቹn theቻ  giả m mậ t độ quaቹn theቻ (-) Thành phần cấu trúc của HST hoàn chỉnh Các chất vô sinh Các yếu tố vật lý/khí hậu: T 0, A/sáng, gió,… Các chất vô cơ: C, P, N Các chất hữu cơ: glucid, protid, lipid, mùn,… Sinh vật sản xuất: thự c vật chuyeቻn quang năng  hó a năng  nă ng lượ ng đượ c dự trữ ở dạng đườ ng (liên keቷt C-C). Sinh vật tiêu thụ: động vật Sinh vật tiêu thụ bậc 1 Sinh vật tiêu thụ bậc 2 Sinh vật phân hủy 22 Cấu trúc của hệ sinh thái 23 Đặc tính của hệ sinh thái Luô n vậ n động Có theቻ đượ c phân nhóm Có sự trao đoቻ i năng lượ ng và vật chaቷ t (chuoች i thứ c aቿn/lướ i thứ c ăn) qua các HST Xảy ra các chu trı̀nh sinh địa hóa Các quaቹn xã hay các loài sinh vậ t thườ ng bieቻu thị chuyên biệt các tập tı́nh, nơi cư trú hay cá c vai trò hoạt động. 24 3/19/2011 7 Các dòng năng lượng trong HST Chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn: Là hệ thống chuyển hóa năng lượng dinh dưỡng từ nguồn đi qua hàng lọat các sinh vật bằng cách sinh vật này dùng sinh vật khác làm thức ăn. Bậc dinh dưỡng: Là thứ tự các nhóm trong chuỗi thức ăn 25 Các dòng năng lượng trong HST  Chuỗi thức ăn 26 27 Chuỗi thức ăn Mạng lưới thức ăn (food web): Các chuỗi thức ăn đan xen nhau Cho hình ảnh hòan chỉnh về nhóm, sinh vật nào ăn sinh vật nào Có chức năng phân bố và chuyển hóa các dạng hữu cơ trong HST Là cơ chế để duy trì sự cân bằng HST 28 Các dòng năng lượng trong HST 3/19/2011 8 29  Lưới thức ăn Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuỗi thức ăn: Tı̀m hieቻu veቹ cơ cheቷ lây lan ô nhiễm, độc chất và gây bệnh qua con đường thức ăn; Cân bằng sinh thái và bảo vệ hệ sinh thái. 30 Các dòng năng lượng trong HST Các dòng năng lượng trong HST Năng lượng học sinh thái nghiên cứu về dòng năng lượng bên trong một HST từ lúc năng lượng đi vào hệ thống hiện hữu cho đến lúc cuối cùng bị biến đổi thành nhiệt và mất đi khỏi hệ thống Nguồn năng lượng của HST: mặt trời Thực vật quang hợp, tích lũy trong cơ thể sinh vật dưới dạng hóa năng, chuyển thành NL sinh học 31 Chuyển hóa năng lượng trong HST 32 3/19/2011 9 CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA Tìm hiểu một số quy luật sinh thái thông qua các chu trình biến đổi của các nguyên tố cơ bản Các nguyên tố tuần hòan trong sinh quyển theo đường:  Từ MT vào cơ thể sinh vật  Từ sinh vật này sang sinh vật khác  Từ sinh vật trở lại môi trường chu trình sinh địa hóa CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC Tác động của con người đến chu trình nước: Đô thị hóa Công nghiệp hóa Phá rừng Gia tăng ô nhiễm 3/19/2011 10 CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC Hậ u quả củ a cá c tác độ ng do con ngườ i : Giảm lượng nước thấm xuống đất  giảm lượng NNgầm Tăng dòng chảy mặt Gia tăng ô nhiễm nước CHU TRÌNH CARBON Carbon là thành phần thiết yếu cho sự sống. Là thành phần hóa học chính trong các chất hữu cơ, từ nhiên liệu hóa thạch cho đến những phân tử phức tạp (DNA và RNA). CHU TRÌNH CARBON Thực vật hấp thu CO 2 trong khí quyển CO 3 (2-) hòa tan trong nước Quang hợp tạo chất hữu cơ Qua chuỗi thức ăn, carbon chuyển qua động vật, người VSV phân hủy xác ĐTV thành các dạng Carbon khác nhau, cuối cùng là CO 2 CHU TRÌNH CARBON Các quá trình chính trong chu trình tuần hoàn cacbon gồm quá trình quang hợp, quá trình phân hủy các sản phẩm bài tiết. Ngoài ra còn có quá trình hô hấp, quá trình khuếch tán khí CO2 trong khí quyển. Khí quyển là nguồn cung cấp carbon (chủ yếu ở dạng CO 2 ) chính trong chu trình tuần hoàn Carbon. CO 2 đi vào hệ sinh thái nhờ quá trình quang hợp và trở lại khí quyển nhờ quá trình hô hấp và quá trình đốt cháy. [...]... NO3- Ammon hóa: các vi khuẩn phân hủy sẽ phân hủy các acid amin từ xác chết động vật và thực vật để giải phóng NH4OH CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG CHU TRÌNH NITƠ Nitrat hóa: các vi khuẩn hóa tổng hợp sẽ oxid hóa NH4OH để tạo thành nitrat và nitrit, năng lượng được giải phóng sẽ giúp phản ứng giữa oxy và nitơ trong không khí để tạo thành nitrat Khử nitrat hóa: các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các nitrat, giải... Khí nitơ, chỉ phản ứng hóa học ở những điều kiện nhất định Hầu hết các sinh vật đều không thể sử dụng nitơ trong không khí, chỉ sử dụng nitơ ở dưới dạng nitrat (NO3-) hoặc nitrit (NO2-) Nếu không có nitơ, thì protein và acid nucleic không thể được tổng hợp trong cơ thể động vật, thực vật cũng như con người CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG CHU TRÌNH NITƠ Cố định nitơ: Nitơ được các vi khuẩn cố định nitơ, thường... phospho, xói mòn (do đốt phá rừng), thì nguồn dự trữ phospho có nguy cơ sẽ cạn dần Khi xảy ra sự mất cân bằng ở các chu trình tuần hoàn thì sẽ có sự cố về môi trường, ảnh hưởng đến sự tồn tại của sinh vật và con người trong một khu vực hay trên toàn cầu CHU TRÌNH TUẦN HOÀN PHOSPHO CHU TRÌNH PHOSPHO 60 Nguyên nhân gây rối loạn vận hành chu trình P Phát tri n nông nghi p Hậu quả: Phát tri n chăn nuôi Xói mòn... cốc và lượng mưa CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) Sự cần thiết của nitơ: Là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào Là hợp phần bắt buộc của amino acid, protein Có trong thành phần men, màng tế bào, nucleoprotid truyền các thông tin di truyền Các hợp chất Nitơ cung cấp năng lượng cho cơ thể soቷ ng CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) 3 con đường N đi vào MT sinh thái đất: Phản... không khí để tạo thành nitrat Khử nitrat hóa: các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các nitrat, giải phóng nitơ trở lại vào khí quyển 13 3/19/2011 Các tác động của con người lên chu trình Nitơ Các tác động của con người lên chu trình Nitơ Sử dụng phân bón đạm để tăng năng suất cho các vụ mùa, làm tăng tốc độ khử nitrit và làm nitrat đi vào nước ngầm Lượng nitơ tăng trong hệ thống nước ngầm cuối cùng cũng chảy ra...3/19/2011 CHU TRÌNH CARBON CHU TRÌNH CARBON Carbon có thể tồn tại thời gian dài ở các dạng vô cơ như CO2 (hòa tan và dạng khí); H2CO3 (hòa tan); HCO3- (hòa tan); CO32- (hòa tan, như CaCO3 cacbonat calcium) hoặc dạng hữu cơ như glucose; acid acetic, than, dầu, khí CÁC CHU TRÌNH CARBON CHU TRÌNH CARBON 11 3/19/2011 Các tác động của con người lên chu trình Carbon Một số tác động của con người làm tăng... xanh quang hợp tạo protein, chuyển qua động vật, con người Khi chết đi, trả lại cho MT đất (phân giải hữu cơ tạo NH3) Các vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần cây họ đậu, cố định N khí trời thành N trong cơ thể thực vật N từ đất vào khí quyển: Khử nitrate hóa bằng enzyme, Hoặc bằng hóa học 12 3/19/2011 CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) Chu trình tuần hoàn nitơ có vai trò quan trọng trong... xám đen, hoa và hạt nhỏ 14 3/19/2011 CHU TRÌNH PHOSPHO CHU TRÌNH PHOSPHO Chu trình tuần hoàn phospho là chu trình không hoàn hảo Phospho là chất cơ bản của sinh chất có trong sinh vật cần cho tổng hợp các chất như acid nucleic, chất dự trữ năng lượng ATP, ADP Nguồn dự trữ của phospho: trong thạch quyển dưới dạng hỏa nham, hiếm có trong sinh quyển Phospho có khuynh hướng trở thành yếu tố giới hạn cho... raቿ n ơ trạ ng thá i ̉ khı́, bụi Chăn nuôi gia súc: thả i và o mô i trương mộ t ̀ lương lơn khı́ 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 Chaቷ t thả i và nươc thả i tư cá c quá trı̀nh sả n ́ ̀ xuaቷ t cô ng nghiệ p CHU TRÌNH PHOSPHO Nguồn gốc: Xác bã hữu cơ Vật chất vô cơ: trầm tích, apatit, muối... mòn đ t Phú dưỡng hóa nguồn nước 15 3/19/2011 CHU TRÌNH LƯU HÙYNH CHU TRÌNH LƯU HÙYNH 61 62 Nguồn gốc: Núi lửa phun, trầm tích, khóang chất chứa pyrid Chu trình lưu huỳnh Rễ thực vật hấp thu S tổng hợp các liên kết và acid amin có S ĐV ăn TV, con người ăn ĐTV Sau khi chết đi, trả lại cho đất Một phần S biến thành SO2 hay H2S bay lên S có thể bị trôi ra biển, hoặc trầm tích trong than đá, dầu hỏa Con . Quản Lý Môi Trường – Khoa Môi Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM volephu@hcmut.edu.vn CHƯƠNG II CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG (Tuần 2, 12-13/3/2011) Khoa học Môi Trường Khoa học Môi trường. cảnh là môi trường vô sinh. Hệ SINH THÁI Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu. đeቷn các thành phaቹn môi trườ ng. Khoa học Quản lý Môi Trường Khoa học quản lý Môi trường (Science of Environmental Management): là khoa học nghiên cứ u veቹ các cách tieቷp cận hoặ