Trong khi sự phân rã các chất hữu cơ bởi sự hô hấp thoáng khí bị hạn chế do những điều kiện khử trong đất ngập nước thì nhiều quá trình kị khí cũng có thể phân rã cacbon hữu cơ. Những quá trình chính của chuyển hóa cacbon ở những điều kiện kị khí và hiếu khí được minh họa ở hình 1.3.
Lớp KTMT 2012B 27 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Quá trình lên men hóa chất hữu cơ xảy ra khi chất hữu cơ là chất nhận electron trong hô hấp kị khí bởi các vi sinh vật hình thành nên những axit hữu cơ có trọng lượng phân tử nhỏ, rượu và CO2.
C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH (axit lactic) (1) Hoặc C6H12O6 → 2CH3CH2OH (ethanol) + 2CO2 (2)
Quá trình có thể xảy ra trong đất ngập nước bởi những vi sinh vật kỵ khí không hoàn toàn và bắt buộc. Có ý kiến cho rằng, sự men hóa có vai trò trung tâm trong việc cung cấp cơ chất cho những sinh vật kỵ khí khác trong các trầm tích của những đất bị ngập nước. Nó là một trong những con đường chính mà ở đó hydrat cacbon có khối lượng phân tử cao bị phân rã thành các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp là cacbon hữu cơ hòa tan và dễ tiêu đối với những sinh vật khác, quá trình đó xảy ra như phương trình (1) và (2).
Sự sản sinh metan (CH4), quá trình này xảy ra khi một số vi khuẩn nhất định (vi khuẩn metan) sử dụng CO2 hoặc nhóm metyl như những chất thu nhận electron để sản sinh ra khí metan theo phương trình:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O CH3COO- + 4H2 → 2CH4 + 2H2O
CH4 có thể đi vào khí quyển khi các trầm tích bị tác động và được gọi là “khí đầm lầy”. Việc sản sinh CH4 đòi hỏi những điều kiện yếm khí nghiêm ngặt với Redox dao động từ - 250 và -350 mV, sau những chất thu nhận electron cuối cùng khác (O2, NO3-, SO42-) đã được sử dụng. Nhìn chung, CH4 được phát hiện ở những nồng độ thấp trong những đất có môi trường khử, nếu nồng độ SO42- lớn. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là:
- Sự cạnh tranh của các cơ chất xảy ra giữa lưu huỳnh và vi khuẩn metan - Tác động kìm hãm của sunfat hoặc sunfit đến vi khuẩn metan
- Có thể có sự phụ thuộc vi khuẩn metan đến các sản phẩm của những vi khuẩn sản xuất sunfua.
Lớp KTMT 2012B 28 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Những bằng chứng hiện nay còn cho rằng, metan có thể bị oxy hóa đến CO2 bởi sinh vật khử sunfat. So sánh sự sản sinh CH4 giữa môi trường nước ngọt và nước biển cho thấy, tốc độ sản sinh CH4 trong môi trường nước ngọt cao hơn vì lượng sunfat trong nước và trong trầm tích nhỏ hơn. Tốc độ sản sinh CH4 từ đất ngập nước mặn ven biển và đất ngập nước ngọt biến động tương đối lớn (bảng 1.8).
Trong khi sử dụng các nghiên cứu khác nhau để so sánh tốc độ sản sinh CH4, các tác giả đã sử dụng những phương pháp khác nhau trong khi đó tốc độ sản sinh lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thời kỳ thủy văn. Sự sản sinh CH4 thường theo mùa ở những vùng khí hậu ôn hòa.
Bảng 1.8. Tốc độ sản sinh CH4 đối với đất ngập nước mặn và nước ngọt khác nhau [9]
Loại đất ngập nƣớc Tốc độ sản sinh CH4
mgC/m2/ngày
* Đất ngập nƣớc ngọt
- Ruộng lúa, trung bình năm
68
- Đầm lầy ở Michigan, tốc độ trung bình năm 110 - Đầm lầy ở bang Virginia (Mỹ)
+ Tối thiểu + Tối đa
1 15
* Đất ngập nƣớc mặn
- Đầm lầy mặn bang Georgia (Mỹ), tốc độ trung bình năm
+ Tất cả Spartina (thực vật thuỷ sinh) 0,8
+ Spartina chuyển tiếp 29
+ Spartina ngắn 109
* Đầm lầy mặn ở bang Louisiana (Mỹ) 14
Chu trình lưu huỳnh rất quan trọng trong một số đất ngập nước để oxy hóa cacbon. Điều này chỉ đúng với đất ngập nước ven biển (bãi lầy mặn, khu rừng ngập mặn) là nơi rất giàu lưu huỳnh. Vi khuẩn khử lưu huỳnh cần cơ chất hữu cơ, nhìn chung có trọng lượng phân tử thấp và như là nguồn năng lượng để chuyển sunfat thành
Lớp KTMT 2012B 29 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
sunfit. Những phương trình khử lưu huỳnh đã cho thấy quá trình oxy hóa chất hữu cơ xảy ra như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2CH3CHOHCOO- + SO42- + 3H+ → 2CH3COO- + 2CO2 + H2O + HS- CH3COO- (axetat) + SO42- → 2CO2 + 2H2O + HS-
Tầm quan trọng của con đường khử lưu huỳnh men hóa trong oxy hóa cacbon hữu cơ tới CO2 trong đất ngập nước mặn đã được nhiều tác giả ở Anh đề cập đến. Các kết quả nghiên cứu của họ được tóm tắt trong bảng 1.9.
Bảng 1.9. Giải phóng CO2 từ quá trình khoáng hóa chất hữu cơ trong đầm lầy mặn ở Anh [9]
Con đƣờng Giải phóng CO2(gC/m2.năm) Phần trăm khoáng hóa
Hô hấp hiếu khí 361 44,9
Khử nitrat 5 0,6
Khử sunfat 432 53,7
Sản sinh CH4 6 0,7
Tổng số 804
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, có tới 54% CO2 được giải phóng từ đầm lầy là bằng con đường khử lưu huỳnh men hóa và với sự hô hấp hiếu khí chiếm 45% phần còn lại và chỉ có tỷ lệ nhỏ CO2 [9].