Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố

Tuần hoàn sinh địa hoá họccác nguyên tố Bởi: Nguyễn Lân Dũngbuiviethachungchithanh Tuần hoàn sinh địa hóa học là sự di chuyển và chuyển hóa của các hợp chất hợp thànhbởi những nguyên tố

Tuần hoàn sinh địa hoá học

các nguyên tố

Bởi:

Nguyễn Lân Dũngbuiviethachungchithanh

Tuần hoàn sinh địa hóa học là sự di chuyển và chuyển hóa của các hợp chất hợp thànhbởi 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 nàyluôn 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 tháikhử) khác, từ dạng khí đến dạng lỏng hoặc từ dạng rắn, lại trở về dạng khí Nếu chỉ dựavào 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 hợpsinh vật-phi sinh vật và có ảnh hưởng sâu sắc đến việc bảo vệ môi trường tòan cầu vàxây dựng sự ổn định sinh thái Từ khi có cuộc cách mạng công nghiệp, do họat độngtăng cường của nhân loại sẽ sinh ra nhiều vật ô nhiễm chứa C, N, P, S, do đó không thểtránh khỏi gây xáo trộn cho vòng tuần hòan sinh địa hóa học, trực tiếp uy hiếp đến sựsinh tồn và sức khỏe nhân loại

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 ,

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

quan trọng trong các vòng tuần hoàn sinh địa hóa học Mối quan hệ tương hỗ giữa Mặttrời, 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 thuậtngữ “sinh địa hóa học” Từ lâu, tuần hoàn sinh địa hóa học vẫn được coi là một trongcác nội dung nghiên cứu hệ sinh thái, và được coi là một phần của vòng tuần hòan vậtchất Mới đây có nhà khoa học coi đó là nội dung cốt lõi của việc nghiên cứu sinh địahóa học mội trường (environmental biogeochemistry)

Định nghĩa

Trong Sinh thái học, vòng tuần hoàn vật chất (cycle of material) của hệ sinh thái thườngđược gọi là vòng tuần hòan sinh địa hóa học (biogeochemical cycle) với nội dung là tiếpnhận 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 sinhhọc (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 chuyểndịch, 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 nhữngnguyên tố hóa học và một số thành phần phức tạp trong hệ thống sinh học, giữa cácthành 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 sinhhọc của các nguyên tố sống, nhưng trong khoa học môi trường lại nhấn mạnh đến hiệuứng 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 (watercycle), 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 tuầnhoàn nhỏ (tuần hòan riêng biệt trong lục địa và biển) Tuần hoàn khí chỉ sự tuần hoàndưới các dạng phân tử khí: O2, CO2, N2, Cl2…Vật chất trong tuần hoàn kiểu trầm tíchkhông có dạng khí, chủ yếu là các chất tích trữ trong đất, vật trầm tích và đá Loại tuầnhoàn này tốc độ chậm hơn, nói chung khó điều khiển, dễ chịu ảnh hưởng bởi họat động

can thệp của con người và khiến cân bằng tổng quát bị phá họai Những cách phân chianói trên chưa hòan chỉnh, chẳng hạn như tuần hòan lưu hùynh thuộc tuần hòan kiểu trầmtích, 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

của con người, tuần hoàn không hòan chỉnh là phương thức chủ yếu của tuần hoàn sinhđịa 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 methylthủy 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 chiathành:

- Tuần hoàn của các nguyên tố dinh dưỡng, gồm tuần hoàn của nguyên tố đa lượng vàtuần 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, Hydrocarbuadầu 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, nhưnhững tuần hoàn của các khí nhà kính như CO2,CH4,NO2,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, làthành 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

Hàm lượng tương đối %

*: 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 sovới 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).

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

khíHòa tan Phản ứng của một nguyên tố trong chât khó tan biến thành chất dễtan 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 baogồm:

- 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 trongphức 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

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 kếthợp 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, CO2 trong khíquyểngọi là kho CO2.

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 cónghĩa 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 triệunăm Các quyển khác nhau cũng khác về thời gian tuần hoàn hóa địa cầu sinh vật, vềthông lượng(biểu 5-3)

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 “tamhóa” (sa mạc hóa, mặn hóa, hoang mạc hóa) đất đai, dẫn đến hệ thống sinh thái tòan cầukhông 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 hóahọc chúng đều có xuất hiện pha khí, cho nên tuần hòan rất nhanh và đều thuộc dạng tuầnhòan 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 thànhnên 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, acidnucleic)

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

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 ảnhhưởng đến các phản ứng sinh học và hóa học liên quan đến carbon Trong quá trình phângiả chất hữu cơ có thể sản sinh hydro, nhất là khi lên men trong điều kiẹn kỵ khí Nếuhydrro 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 lênkhoảng 1% mỗi năm, từ mức 0,7 ppm đã tăng lên đến 1,6-1,7ppm (theo thể tích) trongvòng 300 năm qua Nguồn metan này có nguồn gốc đa dạng

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 trongruộng lúa không bị che phủ bởi lớp nước chứa oxy thì metan có thể trực tiếp thoát vàokhông 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 nguồnquan 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.

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 dưỡngtrong môi trường; (2)- Các điều kiện phi sinh học (pH, thế oxy hóa-khử, oxy, điều kiệnthẩm thấu); (3)- Sự tồn tại của quần lạc vi sinh vật Phần lớn các cơ chất hữu cơ phức tạpđều được vi sinh vật sử dụng Các cơ chất này chứa đựng các chất dinh đưỡng cần thiếtcho sự sinh trưởng của vi sinh vật Kitin, protein, sinh khối vi sinh vật và acid nucleicchứa nhiều nitơ Nếu các cơ chất này đều được dùng để sinh trưởng, lượng nitơ dư thừa

và các chất khoáng khác không được dùng để tạo sinh khối mới của vi sinh vật sẽ đượcthải vào môi trường và tham gia vào quá trình khoáng hóa (mineralization) Đó là quátrình 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 trưởngthì vi sinh vật cần sử dụng thêm các chất dinh dưỡng khác từ môi trường để tổng hợpsinh 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 Ngoàihydrocarbon và lignin ra, đại đa số các cơ chất đều dễ bị hao tổn trong điều kiện cóoxy 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 khíhydrocarbon 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 cuốicùng sản sinh ra sulfid, chất này cùng tồn tại với dầu mỏ trong dạng “khí chua” (sourgases)

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 vớicác 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 enzymeoxidase làm giải phóng ra các loại oxy hoạt động Trong điều kiện không có oxy, ligninkhó bị vi sinh vật làm hao tổn, kết quả là làm tích lũy các vật liệu lignin, bao gồm sựhình 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 đầmlầy thường đặt các tấm gỗ dưới mặt nước và xây vật kiến trúc trên các đống gỗ ấy Nếuduy trì điều kiện kỵ khí thì các kết cấu ấy rất ổn định Nhưng nếu mặt nước hạ xuốngthì 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 điềukiện hiếu khí Dạ cỏ là một ví dụ khác về mối liên hệ giữa lignin và oxy Trong dạ cỏhầu 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 trongphân 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 thamgia vào quá trình tích lũy các sản phẩm của dầu mỏ., sự hình thành các đầm lầy và bảotồn 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

hưởng đến sự tích lũy các sản phẩm cuối cùng Trong điều kiện hiếu khí vi sinh vật làmhao 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 dạngkhử, bao gồm ion ammon, sulfid, và metan Các dạng oxy hóa hay khử này nếu chúngcòn lại trong môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí đã hình thành nên chúng thì thường chỉtrở thành các chất dinh dưỡng Nếu có sự hỗn hợp thì các loài oxy hóa sẽ di chuyển vềcác khu vực có tính khử nhiều hơn, còn các loài khử sẽ di chuyển về các khu vực có tínhoxy hóa nhiều hơn Trong những môi trường như vậy (nối với các chất oxy hóa và chấtkhử) sẽ có khả năng sản sinh năng lượng ngoại sinh Khi các chất oxy hóa và các chấtkhử 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 hóavới tốc độ nhanh, trong khi C trong kho C lớn (C hữu cơ trong muối carbonate và vậttrầm 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).

- Tuần hoàn trong biển và trong đất liền tiến hành tương đối độc lập, giữa chúng có sựtrao 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 Giốngnhư P, hàm lượng S trong cơ thể khá thấp, chỉ vào khỏang 0,25%, nhưng lại là một thànhphần 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 trêntrái đất kho dự trữ S chính ở nham quyển (như quặng sulfur, S trầm tích và nhiên liệukhoáng) Khối lượng muối sulfate hòa tan trong nước biển cũng rất lớn S còn tồn tạitrong 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.

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

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

Quá trình cơ bản của vòng tuần hòan S là: tầng nham thạch sulfate và nhiên liệu hóathạch trong đất liền và trong đại dương bị phân hủy và phong hóa tự nhiên, cùng với sựphun trào núi lửa…sẽ giải phóng H2S, SO2vào khí quyển S trong khí quyển thông quatác dụng mưa và trầm lắng một phần trở về biển, phần khác trong đất biến thành muốisulfate dành cho thực vật hấp thu, là thành phần của một số amino acid, di chuyển trongchuỗi 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 vàtrầm tích ở đáy biển sâu Do hàm lượng S trong thiên nhiên rất phong phú, nhu cầu củasinh vật đối với S không nhiều như đối với C, O, P, nên S rất ít khi trở thành nhân tố hạnchế 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 cơhội 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 trìnhkhử dị hóa (dissimilatory reduction) và hô hấp kỵ khí Ngược lại, việc khử sulfate trongquá 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

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 mứcoxy 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 thểthực 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 hợphiếu 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 sinhhọc Một ví dụ điển hình là dỉmtylsulfoniỏpopionat (DMSP), chúng được sử dụng bởi vikhuẩn phù du (bacterioplankton) như nguồn lưu huỳnh để tổng hợp protein, chuyển hóathành dimethylsulfid (DMS) - một chất lưu huỳnh bay hơi có thể ảnh hưởng tới các quátrình của khí quyển

Khi điều kiện pH vàthế oxy hóa khử thích hợp, nhiều chuyển hóa quan trọng trong vòngtuần 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 sựoxy 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 H2S tạo nên vậtchất của tế bào Vi sinh vật ngòai một số rất ít có thể đồng hóa trực tiếp S, phần lớn phảidùng sulfate làm nguồn S Sau khi chúng hấp thu sulfate sẽ khử thành sulfur, kết hợpvới các chất của tế bào như protein, quá trình đó được gọi là tác dụng khử sulfate chấtđồng hóa.Tác dụng khử sulfate cần dùng tới năng lượng Trước khi khử sulfate cần tiêuhao ATP để chuyển hóa thành adenosin 5’ phosphosulfate (APS); tiếp theo phải tiêu haoATP 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 hấpthu, 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 sinhtrong 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…