Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC CHU TRÌNH VẬT CHẤT TRONG HỆ SINH THÁI
Chu trình vật chất trong hệ sinh thái MỤC LỤC 2. Chu trình cacbon 6 4.Chu trình phốt pho 22 1 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái PHẦN 1: MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Sinh thái học là khoa học nghiên cứu về các mối quan hệ thống nhất của sinh vật với sinh vật và sinh vật với môi trường ở mọi mức độ tổ chức, từ cá thể, quần thể đến quần xã sinh vật và hệ sinh thái và trở thành môn khoa học về cấu trúc của thiên nhiên.Sinh thái học là môn khoa học trẻ, song nhờ kế thừa những thành tựu của những lĩnh vực khoa học sinh học cũng như các ngành khác nó đã trở thành công cụ để con người khám phá tự nhiên, sống hài hoà với tự nhiên. Nhà sinh thái học người Mỹ Robert E. Rickleft đã viết: “nếu chúng ta muốn đạt sự hoà thuận nào đó với thiên nhiên, trong đa số trường hợp buộc chúng ta phải chấp thuận những điều kiện của nó. Cũng như các môn khoa học khác, những kiến thức của sinh thái học đã và đang có đóng góp to lớn cho nền văn minh của nhân loại. Giúp chúng ta ngày càng hiểu biết sâu về bản chất của sự sống trong mối tương tác với các yếu tố của môi trường, cả hiện tại và quá khứ trong đó bao gồm cuộc sống và sự tiến hoá của con người. Khi con người ra đời, trước hết họ phải biết tìm nơi ở, chỗ kiếm ăn, tránh thú dữ và các điều kiện bất lợi của môi trường. Vậy để chúng ta có thể tồn tại trong môi trường này buộc chúng ta phải biết và hiểu những gì đã, đang và sẽ diễn ra với thiên nhiên. Để có cuộc sông tốt hơn,để khai thác phù hợp nguồn tài nguyên thiên nhiên và hạn chế nhất có thể những ảnh hưởng không tốt đến môi trường. Con người chúng ta cần phải làm gì? Hằng ngày chúng ta vẫn sống vẫn hít thở, ăn uống và sinh hoạt bình thường nhưng dường như ít ai quan tâm đến nguồn gốc và chu trình của những điều đó. Chính vì những lí do trên tôi chọn đề tài: CÁC CHU TRÌNH VẬT CHẤT TRONG HỆ SINH THÁI để đem lại hiểu biết cho bản thân và kiến thức cho những người xung quanh đặc biệt đối với những ai đang quan tâm về sinh thái học. PHẦN 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái 1. Mục đích nghiên cứu: - Nắm rõ được các chu trình vật chất. - Biết được tình hình và chu trình của các chất trong tư nhiên thông qua đó vân dụng vào việc điều hoà khí hậu. - Áp dụng vào cuộc sống và giảm thiểu một số hoat động công nghiệp, nông nghiệp để góp phần bảo vệ môi trường 2. Phương pháp nghiên cứu: - Sưu tầm và tổng hợp tài liệu II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: Vật chất vận động không ngừng. Đó là một quy luật sống bất di bất dịch. Giưã các thành phần sống và không sống của hệ sinh thái bất kì, sự thay đôỉ các nguyên tố khác nhau luôn luôn diễn ra, tạo nên sự tương tác của các quá trình sinh học và địa hoá học. Đến nay người ta đã biết khoảng 40 nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn tham gia vào thành phần các chất sống, sau đó bị vi sinh vật phân huỷ lại trở lại môi trường, rồi lại được sinh vật thu hồi tạo nên các hợp chất mới… Cứ thế vật chất được chu chuyển trong những vòng hầu như khép kín mà ta gọi là chu trình vật chất hay là chu trình sinh địa hoá. Trong ngành địa lý và khoa học Trái Đất, một chu trình sinh địa hóa là một quy trình mà một phân tử hay nguyên tố hóa học di chuyển qua cả hai tầng sinh học (sinh quyển) và phi sinh học (thạch quyển, khí quyển và thủy quyển) của Trái Đất. Một chu trình như thế bao gồm một loạt các biến đổi để trở lại điểm ban đầu và có thể được lặp đi lặp lại. Chu trình sinh địa hoá là chu trình trao đổi các chất trong tự nhiên: các chất từ môi trường ngoài vào cơ thể, qua các bậc dinh dưỡng rồi từ cơ thể sinh vật truyền trở lại môi trường. Một chu trình sinh địa hoá gồm có các phần: tổng hợp các chất, tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, phân giải và lắng đọng một phần vật chất trong đất, nước Một số nguyên tố đóng vai trò rất quan trọng như O2, H2, C, N2, P, S…,tham gia cấu tạo nên các hợp chất của sự sống như protein, lipit, gluxit, các enzim, hoocmon… So với chất không sống thì chất sống là những dạng cacbonxin hoa, hidro hoá và hidrat hoá hơn. Trong chu trình, nguyên tố có thể đi theo một vòng lớn khép kín hoặc chỉ tham gia vào từng công đoạn,rồi sớm tách ra đi vào nguồn dự trữ, tồn tại lâu hay chóng, mới quay lại chu trình. 3 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái Chu trình vật chất trong đại dương: Có các chu trình sau: 1. Chu trình nước trên hành tinh Đây là chu trình kết hợp của 2 nguyên tử H và O. Nước trên hành tinh tồn tại dưới 3 dạng: rắn, lỏng và hơi. Chúng chuyển dạng cho nhau nhờ sự thay đổi của nhiệt độ trên bề mặt trái đất. Trong điều kiện hiện tại, nước chủ yếu chứa trong các biển và đại dương (chiếm 97,6% tổng số) dưới dạng lỏng, khoảng 2,08% nước nằm ở thể rắn (băng), tập trung chính ở 2 cực Trái Đất. Nước sông, hồ rất ít, chỉ khoảng 230 nghìn km3 (gồm cả hồ nước mặn), một ít (khoảng 67000 km3) tạo nên độ ẩm của đất, khoảng 4 triệu km3 nước ngầm có khả năng trao đổi tích cực và 14000 km3 dưới dạng hơi nước có mặt trong khí quyển. Chu trình nước có thể được mô tả như sau: Nhờ năng lượng Mặt trời, nước ở bề mặt đất, đại dương bốc hơi. Khi lên cao, nhiệt độ tầng đối lưu giảm, nước tạo thành mây và ngưng tụ thành mưa, thành tuyết rơi xuống bề mặt trái đất, rồi lại theo các dòng chảy về đại dương. Do vậy, nước tuần hoàn trên toàn Trái Đất. Từ chu trình nay chúng ta thấy rằng chỉ có năng lượng bức xạ khổng lồ của Mặt Trời mới làm nên những kỳ tích như vậy. Nước theo chu trình, song phân bố không đồng đều trên hành tinh (theo không gian và thời gian). Ở những vĩ độ nhiệt đới và xích đạo, lượng mưa trung bình năm vượt trên2250mm, thậm chí có nơi đạt đến 10000mmnhư ở Assam(camơrun). Ở lân cận các chí tuyến, lượng mưa trung bình năm 4 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái rất thấp, dưới 250mm. Do dó khí hậu 2 vùng rất tương phản, tạo nên 2 biom (khu sinh hoc) đối chọi nhau: một nơi là đai rừng ẩm thường xanh, suần ấp, còn một nơi là hoang mạc nóng bỏng nghèo nàn. Ngay trong môt Vùng lượng mưa cũng phân bố không đều theo thời gian. Mưa lớn và tập trung chủ yếu vào mùa mưa, mùa khô lượng mưa lại rất thấp. cuộc sống của muôn loài cũng phân bố theo. Trong mùa mưa, cây cối tốt tươi,hoa trái trĩu cành, muôn thú đua nhau sinh sản. ngược lại vào mủa khô, rừng cây xơ xác, động vật cũng giảm cường độ tăng trưởng và sinh sản. Chu trình nước xãy ra trên phạm vi toàn cầu, tham gia vào việc điều hoà khí hậu trên toàn hành tinh. Chu trình này do đó còn có tên gọi là chu trình nhiệt - ẩm : 5 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái 2. Chu trình cacbon Chu trình cacbon là một chu trình sinh địa hóa học, trong đó cacbon được trao đổi giữa sinh quyển,thổ nhưỡng quyển, địa quyển và khí quyển của Trái Đất. Nó là một trong các chu trình quan trọng nhất của Trái Đất và cho phép cacbon được tái chế và tái sử dụng trong khắp sinh quyển và bởi tất cả các sinh vật của nó. 6 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái Biểu đồ chu trình cacbon. Các số màu đen chỉ ra lượng cacbon được lưu giữ trong các nguồn chứa khác nhau, tính bằng tỉ tấn ("GtC" là viết tắt của GigaTons of Carbon (tỉ tấn cacbon) và các con số ước tính vào năm 2004). Các số màu xanh lam sẫm chỉ ra lượng cacbon di chuyển giữa các nguồn mỗi năm. Các loại trầm tích, như định nghĩa trong biểu đồ này, dkhông bao gồm ~70 triệu GtC trong các loại đá cacbonat và kerogen. Chu trình cacbon khởi thủy được Joseph Priestley và Antoine Lavoisier phát hiện ra và được Humphry Davy phổ biến [1] . Hiện nay nó thường được coi như là bao gồm các nguồn chứa chính sau đây của cacbon, được liên kết với nhau bởi các con đường trao đổi: • Khí quyển • Sinh quyển đất liền, thường được định nghĩa như là bao gồm các hệ sinh thái nước ngọt và vật chất hữu cơ phi sinh vật, chẳng hạn như cacbon trong đất. • Các đại dương, bao gồm cacbon vô cơ hòa tan cùng các khu hệ sinh vật và phi sinh vật biển. • Các trầm tích, bao gồm cả các nhiên liệu hóa thạch. 7 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái • Phần bên trong của Trái Đất, với cacbon từ lớp phủ và lớp vỏ Trái Đất được giải phóng vào khí quyển và thủy quyển thông qua hoạt động phun trào núi lửa và các hệ thống địa nhiệt. Sự di chuyển hàng năm của cacbon, hay sự trao đổi cacbon giữa các nguồn chứa, xảy ra là do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học khác nhau. Đại dương chứa vũng hoạt hóa lớn nhất của cacbon gần bề mặt Trái Đất, nhưng phần đại dương sâu của vũng này lại không trao đổi nhanh với khí quyển vì thiếu ảnh hưởng và tác động từ bên ngoài, chẳng hạn như miệng phun thủy nhiệt hay rò rỉ giếng dầu vùng nước sâu không bị kiềm chế. Quỹ cacbon toàn cầu là sự cân bằng của các trao đổi (thu nhận và giải phóng hay đến và đi) của cacbon giữa các nguồn chứa cacbon hay giữa một vòng trao đổi cụ thể (chẳng hạn như giữa khí quyển với sinh quyển) trong chu trình cacbon. Sự thẩm tra quỹ cacbon của một vũng hay một nguồn chứa có thể cung cấp thông tin về việc vũng hay nguồn chứa này đang vận hành như là một nguồn giải phóng hay nguồn thu giữ điôxít cacbon. Trong khí quyển Nồng độ điôxít cacbon trong tầng đối lưu năm 2009.Cacbon tồn tại trong khí quyển Trái Đấtchủ yếu dưới dạng khí điôxít cacbon (CO 2 ). Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ phần trăm nhỏ trong khí quyển (khoảng 0,04% tính theo mol), nhưng nó lại có vai trò thiết yếu trong việc hỗ trợ sự sống. Các khí khác chứa cacbon có trong khí quyển là mêtan và các clorofluorocacbon (các loại khí thứ hai này có nguồn gốc hoàn toàn nhân tạo). Cây cối và các loại thực vật xanh khác như cỏ chuyển hóa điôxít cacbon thành các cacbohydrat thông qua quang hợp, giải phóng ôxy trong quá trình này. Quá trình này là mạnh nhất trong các khu rừng tương đối mới, nơi sự phát triển của cây cối là nhanh hơn cả. Tác động là mạnh nhất trong các khu rừng lá sớm rụng vào giai đoạn 8 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái ra lá trong mùa xuân. Điều này có thể thấy được như là tín hiệu hàng năm trong đường cong Keeling của hàm lượng CO 2 đã đo đạc được kể từ năm 1958 tới nay. Sự giảm xuống hàng năm của hàm lượng điôxít cacbon tại Bắc bán cầu trong mùa xuân là chi phối, do tại đây có nhiều đất đai hơn trong các vĩ độ ôn đới so với ở Nam bán cầu. • Rừng lưu giữ khoảng 86% lượng cacbon trên mặt đất trong đất liền của Trái Đất và khoảng 73% lượng cacbon trong đất của hành tinh. • Tại bề mặt các đại dương về phía các địa cực thì nước biển trở thành lạnh hơn và vì thế có nhiều axít cacbonic được hình thành hơn, do CO 2 trở nên dễ hòa tan hơn. Điều này đi liền với quá trình luân chuyển nhiệt muối của đại dương, vận chuyển nước bề mặt nặng hơn vào trong lòng đại dương (xem bài về bơm dung giải). • Tại các khu vực bề mặt đại dương, nơi có hiệu suất chuyển hóa sinh học cao, các sinh vật chuyển hóa cacbon bằng cách khử bớt nó vào các mô hay thành cacbonat trong các phần cứng của cơ thể như mai hoặc vỏ của chúng. Tương ứng với chúng là bơm mô mềm ôxi hóa và bơm cacbonat (hay bơm mô cứng) tái hòa tan ở các mức tính theo trung bình là thấp hơn của đại dương so với các mức mà chúng được hình thành, kết quả là tạo ra một luồng lắng xuống của cacbon (xem mục từ về bơm sinh học). • Sự phong hóa của các loại đá silicat (xem chu trình cacbonat-silicat). Axít cacbonic phản ứng với đá bị phong hóa để tạo ra các ion bicacbonat. Các ion bicacbonat đã sinh ra được vận chuyển tới các đại dương, nơi chúng được sử dụng để tạo ra các loại khoáng chất chứa cacbonat của đại dương. Không giống như CO 2 hòa tan trong cân bằng hay các mô bị phân hủy, phong hóa không di chuyển cacbon vào bên trong nguồn chứa nó mà từ đó nó có thể sẵn sàng để hoàn trả lại cho khí quyển. • Năm 1958, hàm lượng điôxít cacbon trong khí quyển đo đạc tại Mauna Loa là khoảng 320 phần triệu (ppm), còn trong năm 2011 thì hàm lượng đo tại đây là khoảng 391 ppm. • Phát xạ CO 2 trong tương lai có thể tính toán theo đồng nhất thức Kaya. Cacbon được giải phóng vào khí quyển theo vài cách: • Thông qua hô hấp của động và thực vật. Đây là một loại phản ứng tỏa nhiệt và nó bao gồm sự phân rã glucoza (hay các phân tử hữu cơ khác) thành điôxít cacbon và nước. 9 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái • Thông qua phân hủy các chất có nguồn gốc từ động vật và thực vật bởi vi khuẩn. Nấm và vi khuẩn phân hủy các hợp chất chứa cacbon trong động và thực vật chết và chuyển cacbon có trong đó thành điôxít cacbon (nếu có mặt ôxy), hay thành mêtan (nếu không có ôxy). • Thông qua quá trình cháy của vật chất hữu cơ, trong đó cacbon chứa trong vật chất này bị ôxi hóa, sinh ra điôxít cacbon (và các chất khác, như hơi nước). Việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than, các sản phẩm từ dầu mỏ và khí tự nhiên giải phóng cacbon đã lưu trữ trong địa quyển từ hàng triệu năm qua. Việc đốt cháy các nhiên liệu nông nghiệp cũng giải phóng điôxít cacbon chỉ được lưu giữ trong vài tháng hay vài năm. • Sản xuất xi măng. Điôxít cacbon được giải phóng khi đá vôi (cacbonat canxi) bị nung nóng để tạo ra vôi sống (ôxít canxi), một thành phần của xi măng. • Tại bề mặt đại dương, nơi nước trở nên ấm hơn, điôxít cacbon đã hòa tan được giải phóng ngược trở lại khí quyển, do độ hòa tan của nó giảm xuống. • Các vụ phun trào núi lửa và biến chất giải phóng các khí vào khí quyển. Các khí núi lửa chủ yếu là hơi nước, điôxít cacbon và điôxít lưu huỳnh. Lượng điôxít cacbon giải phóng theo cách này về cơ bản là xấp xỉ bằng lượng hấp thụ trong quá trình phong hóa silicat; vì thế hai quá trình, về mặt hóa học là ngược lại nhau, có tổng xấp xỉ bằng không, và vì vậy gần như không ảnh hưởng tới nồng độ điôxít cacbon trong khí quyển, khi tính theo thang thời gian không ngắn hơn khoảng 100.000 năm. Trong sinh quyển Cacbon là thành phần thiết yếu của sự sống trên Trái Đất. Khoảng một nửa trọng lượng khô của phần lớn các sinh vật là cacbon. Nó có vai trò quan trọng trong kết cấu, hóa sinh học và dinh dưỡng của mọi tế bào. Các sinh khối giữ khoảng 575 tỉ tấn cacbon, phần lớn trong số này dưới dạng gỗ. Đất giữ khoảng 1.500 tỉ tấn, chủ yếu dưới dạng cacbon hữu cơ, và có lẽ với khoảng một phần ba của nó là các dạng cacbon vô cơ, như cacbonat canxi. • Sinh vật tự dưỡng là các sinh vật có khả năng tạo ra các hợp chất hữu cơ của chính chúng bằng cách sử dụng điôxít cacbon từ không khí hay từ trong nước mà trong đó chúng sống. Để làm điều này, chúng cần có nguồn năng lượng từ bên ngoài. Gần như mọi sinh vật tự dưỡng đều sử dụng bức xạ mặt trời (ánh nắng) để có nguồn năng lượng này, và vì thế quá trình sản xuất của chúng được gọi là quang hợp. Một lượng nhỏ sinh 10 [...].. .Chu trình vật chất trong hệ sinh thái vật tự dưỡng khai thác các nguồn năng lượng hóa học trong quá trình gọi là hóa tổng hợp Các sinh vật tự dưỡng quan trọng nhất của chu trình cacbon là cây cối trong các khu rừng trên cạn và các thực vật phiêu sinh trên mặt đại dương Quá trình quang hợp về cơ bản có thể coi là tuân theo phản ứng sau: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 • Cacbon được di chuyển trong. .. dụng các hóa chất độc sử dụng trong nông nghiệp, trong bảo quản hoa quả gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người Chu trình Hg: 29 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Trái đất của chúng ta là một hệ sinh thái khổng lồ đã bước vào giai đoạn ổn định trong quá trình tiến hoá hàng trăm triệu năm nay Con người dù tài giỏi tới mấy cũng chỉ là vật kí sinh trên nó Song trong. .. chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí hay kỵ khí một phần, nên quá trình này thường gặp trong đất yếm khí và trong đáy sâu của các hồ, các biển không có oxy hoặc giàu các chất hữu cơ đang bị phân huỷ 21 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái 4 .Chu trình phốt pho Như một thành phần cấu trúc của axit nucleic, lipit photpho và nhiều hợp chất có liên quan với phot pho, phốt pho là một trong những chất dinh dưỡng... C6H12O6 + 6O2 • Cacbon được di chuyển trong phạm vi sinh quyển nhưlaf nguồn thức ăn của các sinh vật dị dưỡng, khi chúng ăn các sinh vật khác hay các bộ phận của sinh vật khác (như hoa, quả, củ) Quá trình này cũng bao gồm cả việc hấp thụ các vật chất hữu cơ từ sinh vật chết của nấm và vi khuẩn (trong quá trình lên men hay phân hủy) • Phần lớn cacbon rời khỏi sinh quyển thông qua hô hấp Khi có mặt ôxy, hô... vật, chỉ một số rất ít các loài sinh vật có khả năng đồng hoá được nitơ ở dạng này Các loài thực vật có thể sử dụng được nitơ ở dạng muối như nitrat - đạm dễ tiêu (NO3-) hoặc ở dạng ion amon (NH4+), NO2 Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tự như các chu trình khí khác, được sinh vật sản xuất hấp thụ và đồng hoá rồi được chu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêu thụ, cuối cùng bị sinh vật phân huỷ trả lại... một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nito 20 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái d Quá trình phản nitrat hoá (Denitrification) Con đường chuyển hoá của nitrat qua các quá trình đồng hoá - dị hoá để trở về các dạng như N2, NO, N2O được gọi là quá trình phản nitrat Những đại diện của vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình này là Pseudomonas, Escherichia và nấm... 3 .Chu trình nito Vai trò: Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữ khá giàu trong khí quyển, chiếm gần 80% thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khí oxy Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein Nitơ phân tử (Nitơ tự do N2) có nhiều trong khí quyển, nhưng chúng không có hoạt tính sinh học đối với 13 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái phần lớn các loài sinh vật, ... nước Thực vật đòi hỏi photpho vô cơ cho dinh dưỡng Đó là orthophotphat (PO4) Trong chu trình khoáng điển hình, photphat sẽ được chuyển cho sinh vật sử dụng và sau 22 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái lại được giải phóng do quá trình phân huỷ Tuy nhiên, đối với photpho trên con đường vận chuyển của mình bị lắng đọng rất lớn D.R Lean (1973) nhận ra rằng, sự “bài tiết” phốt pho hữu cơ của thực vật phù... các sinh vật cố định nitơ đều cần năng lượng từ bên ngoài, mà các hợp chất cacbon đóng vai trò đó để thực hiện những phản ứng nội nhiệt (Endothermic) Trong quá trình 14 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái cố định đạm, vai trò điều hoà chính là 2 loại enzym: nitrogenase và hydrogenase; chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằng con đường hoá - lý và sinh học, trong. .. đã biết được xạ khuẩn sống cộng sinh trong rễ của 160 loài cây thuộc 8 chi của 8 họ thực vật khác nhau Ngoài các loài của chi Alnus, các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus, Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo (Torrey, 1978) và chúng sống tập trung ở vùng ôn đới 15 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái Trong môi trường nước, vi sinh vật cố định nitơ khá phong phú . nhau: một nơi là đai rừng ẩm thường xanh, suần ấp, còn một nơi là hoang mạc nóng bỏng nghèo nàn. Ngay trong môt Vùng lượng mưa cũng phân bố không đều theo thời gian. Mưa lớn và tập trung chủ yếu