Các chu trình sinh địa hóa

Các chu trình sinh địa hóa Các chu trình sinh địa hóa Bởi: Ngô Tự Thành Mở đầu Chu trình cacbon Đó tuần hoàn dạng khử dạng oxi hóa cacbon, chứa dù trữ chỳng tù nhiên Các dạng khử cacbon metan (CH4) vật chất hữu ( chất hữu cơ, CH2O), cần dạng oxi hóa cacbon monoxit (CO) cacbon dioxit (CO2) Sự luân chuyển cacbon chất dù trữ chỳng nêu hình 28.18-31-T Cần phải nhấn mạnh vài điều tuần hoàn sau: • Về chất hữu cơ, để đơn giản hóa vấn đề đến mức có thể, sơ đồ chu trình cacbon hình 28.18-31 khụng ghi chi tiết loại chất hữu khác Thùc có nhiều loại chất hữu cơ, chỳng khác nhiều thành phần nguyên tố, cấu trỳc đơn vị lặp lại phân tử, liên kết đơn vị đó, đặc tính lý – hóa, khác đường sinh tổng hợp (sự cố định cacbon dẫn đến chỳng), đường phân hủy Nói cách khác, sơ đồ nói trên, mầi tên “sự cố định cacbon” thùc gồm nhiều đường khác theo hưíng Điều tương tù cầng đỳng cho mầi tên “sự phân hủy sinh học” Một số đặc tính chất hữu phức tạp nêu bảng 28.5-31 Chất hữu Đơn vị Các liên kết Những nguyên tố có mặt số Sự phân hủy lượng nhiều Có Khụng oxi có oxi C H O N P Tinh bột Glucoza … (1→4), … (1→6) + + + - - + + 1/6 Các chu trình sinh địa hóa Xenluloza Glucoza β (1→4) + + + - - + + Các monosaccarit C6 Hemixenluloza C5 β (1→4),β (1→3),β (1→6) + + + - - + + Lignin Phenylpropan Các cầu nối C+ + + C, C-O - - + - Kitin N-axetylglucosamin β (1→4) + + + + - + + Protein Các axit amin Các cầu nối peptit + + + + - + - Hydrocacbon Bộo, vầng, thơm + + - - - + + Lipit Glyxerol, axit bộo, số lipit chứa Các este photpho nitơ + + + + + + + Khác + + + + + + + Các cầu nối photphodieste N-glycosit + + + + + + - Sinh khối vi sinh vật Axit Nucleic Các bazơ purin pyrimidin • Sự phân hủy sinh học nói phụ thuộc vào nhiều nhân tố, chóng xếp thành ba nhóm: • Các chất dinh dưìng có mặt môi trường • Các điều kiện khụng sinh học, bao gồm pH, oxi hóa khử, O2, điều kiện thẩm thấu • Cộng đồng vi sinh vật có mặt Dưới chỳng ta đề cập đến số yếu tố • Oxi: bảng 28.5-31 cho thấy chất hữu phức tạp bị vi sinh vật phân hủy dễ dàng hai điều kiện có oxi Hai ngoại lệ hydrocacbon lignin Các hydrocacbon biết gần đây, bị phân hủy điều kiện hiếu khí Đặc biệt hydrocacbon mạch thẳng mạch nhánh cần oxi cho phân hủy mở đầu Gần chỳng ta biết hydrocacbon cầng bị vi sinh vật phân hủy điều kiện kị khí có chất nhận điện tử sulfat Vi khuẩn thuộc chi Desulfovibrio sử dụng sulfat để phân hủy hydrocacbon cách chậm chạp, với điều kiện tiếp 2/6 Các chu trình sinh địa hóa xỳc với chất thêi gian dài Lignin bị phân hủy điều kiện hiếu khí Đặc điểm bị phân hủy điều kiện hiếu khí lignin đáng chỳ ý Với lượng đáng kể nguyên liệu thùc vật nói chung gỗ nói riêng (khoảng 1/3 trọng lượng gỗ), lignin nguyên thể bị phân hủy in situ nấm sợi điều kiện hiếu khí Chính môi trường kị khí có tích lầy vật chất chứa lignin, có than bùn Đặc điểm khụng bị phân hủy điều kiện kị khí cầng quan trọng ngành xây dùng Các cụng trình xây dùng lín phải có cọc gỗ bên phần Chừng cọc cần giữ điều kiện bóo hầa nưíc kị khí móng cụng trình xây dùng cần bền vững, khụng chỳng bị mục cụng trình đe dọa bị đổ nát Tương tù, cụng trình gỗ đắt tiền cầng bị phân hủy them nấm sợi vốn sinh trưởng hiếu khí, việc làm bến cảng Điều kiện hiếu khí hay kị khí cầng ảnh hưởng đến việc sản phẩm cuối phân hủy hữu tích lầy (hình 28.19 – 31) Trong điều kiện hiếu khí sản phẩm có tính oxi hóa nitrat, sulfat cacbon dioxit, cần điều kiện kị khí có sản phẩm mang tính khử ion amon, sulfua metan Hình 28.19 – 31 Ảnh hưởng oxi tới phân hủy hữu Vi sinh vật tạo sản phẩm khác tùy theo điều kiện hiếu khí hay kị khí Trong điều kiện hiếu khí sản phẩm oxi hóa tích lầy môi trường, cần điều kiện kị khí sản phẩm khử Những phản ứng phân hủy cầng thể tính hội sinh (commensalistic): sản phẩm thải nhóm vi sinh vật nhóm khác sử dụng • Sự xáo trộn hay hỗn hợp môi trường kị khí hiếu khí cầng nhân tố ảnh hưởng đến chu trình cacbon Nếu khụng có xáo trộn này, nghĩa sản phẩm có tính oxi hóa hay khử giữ nguyên môi trường hiếu khí hay kị khí nơi chỳng sinh chỳng thường dung làm chất dinh dưìng Cần môi trường bị xáo trộn, sản phẩm có tính oxi hóa di chuyển tới vùng có tính khử hơn, sản phẩm có tính khử tới vùng có tính oxi hóa Trong trường hợp vậy, vi sinh vật có them nguồn lượng bổ sung (sự liên kết chất nhận điện tử chất cho điện tử), xuất diễn (succession) chất dinh dưìng tuần hoàn them chất oxi hóa chất khử hỗn hợp với cộng đồng vi sinh vật khai thác • Sự cố định cacbon, khụng kẻ thùc vật vi sinh vật sau thùc hiện: vi khuẩn lam (cyanobacteria) tảo lục, vi khuẩn quang hợp (ví dụ Chromatium Chlorobium), vi khuẩn hóa tù dưìng vụ hiếu khí (aerobic chemolitoantotrophs) 3/6 Các chu trình sinh địa hóa • -Về vài dù trữ vật chất chu trình: ◦ Hydro: chất cho điện tử, chất khử mạnh Hydro tạo thành trình phân hủy chất hữu cơ, điều kiện kị khí, điều kiện lên men kị khí chẳng hạn Hydro sau tạo thành, metan nữa, di chuyển lên phía trên, từ vùng kị khí đến vùng hiếu khí, tạo hội cho vi sinh vật oxi hóa hai khí hoạt động ◦ Metan tạo thành từ nhiều nguồn: hữu vụ (CO2+H2), vùng kị khí Nếu bên vùng kị khí có tầng nưíc thoáng khí metan bị oxi hóa trưíc khuếch tán tới khí Trong nhiều môi trường, ví dụ ruộng lỳa – nơi khụng có tầng nưíc thoáng khí phía trên, metan đưa trùc tiếp vào khí quyển, góp phần làm tăng lượng khí khí Những nguồn metan quan trọng ruộng lỳa, động vật nhai lại, má than, bói chon lấp rác, đầm lầy Ruột mối cầng nguồn metan, với vi sinh vật kị khí Methanobrevibacter Lượng metan khí tăng khoảng 1% năm, từ 0,7 đến 1,6 hay 1,7 ppm (khối lượng), 300 năm gần Mặt khác môi trường biển có tới 10 000 tỷ metan hydrat bị vùi đáy biển, lượng lớn gấp đôi trữ lượng biết nhiên liệu hóa thạch Mặc dù có lượng metan khuếch tán lên phía trên, tới bề mặt, thường tiêu dung trước thoát khỏi tầng lắng đọng vùi lấp May thay, nói, metan gây hiệu ứng nhà kính mạnh CO2 nhiều Nếu khí tràn ngập metan trái đất nóng sống Nguyên nhân biến metan tầng lắng đọng điều bí ẩn tận phát Bằng cách dung mẫu huỳnh quang trình tù ADN đặc biệt, người ta phát tập hợp gồm cổ khuẩn vi khuẩn tầng lắng đọng khụng có oxi giàu metan Những đám procaryot có lừi gồm khoảng 100 cổ khuẩn thuộc Methanosarcinales bao quanh vá gồm vi khuẩn khử sulfat có quan hệ gần với Desulfosarcina Dường hai nhóm hợp tác trao đổi chất với nhau, theo metan bị oxi hóa kị khí, cần sulfat bị khử Có lẽ vi khuẩn khử sulfat sử dụng sản phẩm thải từ oxi hóa metan, để sinh lượng từ khử sulfat Các nghiên cứu đồng vị phóng xạ cho thấy cổ khuẩn “ăn” metan, cần vi khuẩn nhận nhiều cacbon từ cổ khuẩn Những vi khuẩn dinh dưìng metan (methanotrophs) có vai trầ quan trọng chu trình cacbon, người ta cho chúng oxi hóa tới 300 triệu metan năm 4/6 Các chu trình sinh địa hóa Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? SỰ SỐNG Ở TRÊN 100OC Cho đến tận gần đây, theo tài liệu khoa học nhiệt độ cao mà thể procaryot sống 105oC Dường giới hạn nhiệt độ sống khoảng 100oC, tức nhiệt độ nưíc sôi Hiện nhà khoa học biết thêm có thể procaryot ưa nóng (thermophilic) sinh trưởng “cột khói đen” chứa sulfua dọc theo khe nứt gê đáy đại dương, “cột khói đen” phun nước cực nóng (trên 350oC) giàu sulfua Có chứng cho thấy vi sinh vật sinh trưởng sinh sản 113oC Áp suất nưíc nơi sống chỳng đủ lín để giữ nước trạng thái láng (ở 265 atm; nưíc biển khụng sối nhiệt độ chưa 460oC) Phát nói nói lên nhiều điều Các protein, màng, axit nucleic thể procaryot có tính bền nhiệt, đối tượng lý tưởng để nghiên cứu xem cách mà đại phân tử màng lại ổn định Trong tương lai chỳng ta thiết kế enzim hoạt động nhiệt độ cao Một số enzim bền nhiệt lấy từ thể nói có ứng dụng quan trọng cụng nghiệp nghiên cứu Chẳng hạn, Tag polymeraza từ cổ khuẩn Thermus aquaticus (sinh trưởng ) dung rộng rói phản ứng chuỗi trùng hợp (polymerase chain reaction, PCR) Câu hỏi Vì vi sinh vật có mặt hầu khắp nơi trái đất? Nêu ví dụ tồn vi sinh vật môi trường bình thường môi trường cùc trị Định nghĩa tuần hoàn vật chất theo nghĩa chu trình sinh địa hóa Giải thích vai trầ sản xuất, tiêu thụ phân hủy tuần hoàn vật chất Những nhóm thể đảm nhiệm vai trò ấy? Có thể nói khụng có vi sinh vật sống hành tinh chỳng ta ngừng trệ, sao? Các thủy vùc bị ô nhiễm hữu mức vừa phải có khả trở trạng thái ban đầu mà không cần xử lý, sao? Mỗi năm xanh (và vi khuẩn tù dưìng) cố định lượng khổng lồ cacbon vào chất hữu (khoảng 2.1011 tấn) khiến cho khoảng từ 10 đến 20 năm lượng cacbon dioxit khí (khoảng 2,6.1012 tấn) bị cạn kiệt Tuy nhiên điều đó không xảy từ lâu (từ có sống), sao? Nêu đặc trưng thành phần nguyên tố polymer hữu đề cập mục 6.2 khả vi sinh vật phân hủy điều kiện hiếu khí kị khí 5/6 Các chu trình sinh địa hóa Phân tích trình chu trình cacbon vai trầ vi sinh vật trình 10 Định nghĩa phân hủy sinh học, vô hóa, cố định (sự bất động hóa), nêu ví dụ tương ứng 11 Có thể đặt “mùn” vào đâu chu trình cacbon hình 28.18–31-T 12 Sự phân hủy chất hữu điều kiện kị khí hiếu khí có khác mặt sản phẩm tích lầy 13 Lignin phân hủy sinh học có đáng ý? 6/6 ... 6.2 khả vi sinh vật phân hủy điều kiện hiếu khí kị khí 5/6 Các chu trình sinh địa hóa Phân tích trình chu trình cacbon vai trầ vi sinh vật trình 10 Định nghĩa phân hủy sinh học, vô hóa, cố định... khuẩn hóa tù dưìng vụ hiếu khí (aerobic chemolitoantotrophs) 3/6 Các chu trình sinh địa hóa • -Về vài dù trữ vật chất chu trình: ◦ Hydro: chất cho điện tử, chất khử mạnh Hydro tạo thành trình. .. dưìng metan (methanotrophs) có vai trầ quan trọng chu trình cacbon, người ta cho chúng oxi hóa tới 300 triệu metan năm 4/6 Các chu trình sinh địa hóa Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? SỰ SỐNG Ở TRÊN 100OC