1) Chu trình Carbon
Vịng tuần hồn carbon diễn tả điều kiện cơ bản đối với sự xuất hiện và phát triển của sự sống trên trái đất, các hợp chất của carbon tạo nên nền tảng cho mọi loại hình sự sống. Vịng carbon quan trọng nhất là dạng thơng qua CO2 của khí quyển và của sinh khối.
Cĩ 2 quá trình sinh học căn bản điều khiển sự di chuyển của carbon trong sinh quyển là quang hợp và hơ hấp. Trong quá trình quang hợp cây xanh hấp thụ CO2
trong khí quyển tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ của cơ thể thực vật (các hydrat carbon, chất béo, chất đạm, acid nucleic…)
Hình 2-4 Chu trình Cacbon
Thơng qua mạng lưới thức ăn động vật và con người sử dụng các cacbon hữu cơ của thực vật, chuyển hĩa chúng thành các carbon hữu cơ của động vật và con người. đặc biệt, con người đã sử dụng một lượng lớn carbon trong các nguồn cacbon biến chúng thành năng lượng và nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất và đáp ứng các nhu cầu đời sống.
Trong chu trình carbon vi sinh vật là một mắt xích cĩ vai trị quan trọng. Người, động vật, thực vật và ngay cả vi sinh vật khi chết đi sẽ được vi sinh vật phân giải thành các dạng carbon trong hợp chất bán phân giải như đá, dầu mỏ, các hợp chất trung gian, hợp chất mùn và carbon trong hữu cơ khơng đạm và cuối cùng thành CO2.
2) Chu trình Nitơ
Trong tự nhiên, Nito tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ dạng phân tử ở dạng khí cho tới các hợp chất hữu cơ phức tạo cĩ trong cơ thể thực vật, động vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, Nitrogen tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ như protein và acid amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng Nitrogen tồn tại trong đất. Dưới tác dụng của các nhĩm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các acid amin. Các acid amin lại được một nhĩm vi sinh vật khác phân giải thành NH3
hoặc NH4+ gọi là nhĩm vi khuẩn amon hĩa. Quá trình này gọi là sự khống hĩa chất hữu cơ vì qua đĩ nitrogen hữu cơ được chuyển thành nitrogen dạng khống. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hĩa thành dạng NO3- nhờ nhĩm vi khuẩn nitrat hĩa. Các hợp
ĐV tiêu thụ bậc thấp Khí thải Động vật tiêu thụ bậc cao Quá trình phân rã Thực vật Quang hợp Quá trình hơ hấp VSV phân hủy Nhiên liệu hĩa thạch CO2 trong khơng khí
chất nitrat hĩa lại được chuyển hĩa thành Nitrogen phân tử, quá trình này được gọi là phản Nitrat hĩa được thực hiện bởi nhĩm vi khuẩn phản Nitrat. Khí N2 sẽ được cố định lại trong Tế bào vi khuẩn và Tế bào thực vật sau đĩ được chuyển hĩa thành dạng Nitrogen hữu cơ nhờ nhĩm vi sinh vật cố định Nitrogen. Như vậy vịng tuần hồn nitrogen được khép kín trong hầu hết các khâu chuyển hĩa của vịng tuần hồn và cĩ sự tham gia của các nhĩm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhĩm nào đĩ dừng lại thì tồn bộ sự chuyển hĩa của vịng tuần hồn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Quá trình amon hĩa
Các dạng Nitrogen hữu cơ chuyển hĩa thành NH3 hoặc NH4+ :
a) Sự amon hĩa ure: quá trình amon hĩa ure chia làm 2 giai đoạn
Giai đoạn 1: dưới tác dụng của enzyme urease do vi sinh vật tiết ra, thì ure bị phân hủy tạo thành carbonate amoni
2(NH4)CO → CO(NH2)2 + 2H2O
Giai đoạn 2: carbonate amoni chuyển hĩa thành (NH4)2CO3 nhưng do kém bền nên giải phĩng ra NH3, CO2, và H2O
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O
b) Sự amon hĩa protein: dưới tác dụn của proteinase, phân tử protein sẽ được phân giải thành các chuổi olipeptit và oligopeptide (chứa từ 3 -5 acid amin). Sau đĩ dưới tác dụng của enzyme peptidase các olipeptide và oligopeptide sẽ được phân giải thành các acid amin. Một phần acid amin sẽ được tế bào vi sinh hấp thụ làm chất dinh dưỡng. Phần cịn lại sẽ thơng qua quá trình khử amin tạo thành NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác. Sự khử amin cĩ thể xảy ra theo một trong những phương trình sau:
R-CH(NH2)COOH → R=CHCOOH + NH3
R-CH(NH2)COOH + H2O → R-CH2-COOH + CO2 + NH3
R-CH(NH2)COOH + ½ O2 → R-CO – COOH + NH3
Quá trình Nitrat hĩa
a) Giai đoạn nitrite hĩa: quá trình amon hĩa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi nhĩm vi khuẩn Nitrite hĩa
NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + H + Q
b) Giai đoạn Nitrate hĩa: quá trình oxi hĩa NO2- thành NO3- được thực hiện bởi nhĩm vi khuẩn nitrate hĩa.
c) Qúa trình phản Nitrate hĩa: các hợp chất dưới dạng Nitrate ở trong đất rất dễ bị khử và biến thành Nitrogen phân tử. quá trình này gọi là phản nitrate hĩa. Nĩ khác quá trình oxi hĩa nitrate tạo thành NH4+ cịn gọi là quá trình amon hĩa nitrate
Hình 2-5 Chu trình Nitơ trong tự nhiên
3) Chu trình Phospho (phosphorous cycle)
Phospho là nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên và cĩ vai trị quan trọng đối với sự sống của sinh vật (cĩ trong chất nguyên sinh), chiếm 0,04% tổng số nguyên tử của vỏ trái đất. Hàm lượng phosphorous trở thành nhân tố sinh thái mang tính giới hạn vừa mang tính chất điều chỉnh.
Các nguồn phospho: nguồn phospho trong mơi trường sinh thái đất, cĩ thể từ xác bã hữu cơ và vật chất khơng hữu cơ. Vật chất hữu cơ: là lượng phospho cĩ từ thực vật, từ trong xương động vật và người. Nguồn phospho vơ cơ trong tự nhiên chứa nhiều trong các loại đá, đặc biệt cĩ thể từ các đá trầm tích apatit hay muối khống (phospho bị giữ chặt ở dạng muối bởi Ca3(PO4)2, AlPO4 và FePO4 trong mơi trường đất)
Thực vật sử dụng
Amino acid và protein trong động thực vật QT Cố định đam VK Cố định đạm trong đất QT Cố định đam VK cố định đạm trong nốt sần rễ cây QT Phân Vi sinh vật tiêu thụ VK khử Nitrate VK tạo đạm Phân rã N2 trong khí quyển
Hình 2-6 Chu trình Phospho trong tự nhiên Quá trình chuyển hĩa
Qua quá trình phong hĩa đá và khống hĩa các hợp chất hữu cơ phospho được giải phĩng ra tạo thành các muối của acid phosphoric chứa các ion HPO32- ; H2PO3; PO43-, đơn giản dễ chuyển hĩa được hấp thụ vào rễ thực vật và các lồi sinh vật sử dụng. Để rồi chúng ta tạo ra các acid amin chứa phospho và các enzyme phosphat, chuyển các liên kết cao năng phospho thành năng lượng cho cơ thể: ATP thành ADP và giải phĩng năng lượng. Phospho tích lũy trong quả hạt rất cao, phospho là nguyên tố khơng thể thiếu được của thực vật. Khi động vật ăn thực vật, phospho lại biến thành chất liệu xương của các liên kết, các enzyme. Khi chết đi, động thực vật và con người biến phospho trong cơ thể thành phospho trong mơi trường sinh thái đất.
Một số lớn phospho đi theo chu trình nước vào đại dương sau khi phospho bị hịa tan dần dần trong đá nham thạch chảy qua kênh rạch, sơng hồ và làm giàu cho nước mặn, trở thành nguồn dinh dưỡng cho các lồi sinh vật sử dụng. Ổ đây chúng làm thức ăn cho sinh vật phù du và phân tán vào các chuỗi thức ăn qua nhiều mắt xích: Sinh vật phù du → cá tơm → con người → mơi trường đất → phospho lại được trả về cho chu trình tự nhiên.
Động thực vật Phosphate trong đá Sĩi mịn Nâng cao nền địa chất Hình thành Đá Phosphate kết tủa và lắng xuống Quá trình phản ứng Phosphate vơ cơ Phosphate hữu cơ Phân Hủy VSV trong đất tiêu thụ Phân rã