L ỜI GIỚI THIỆ Ụ
5.1.3Các nguồn tiêu thụ và bổ sung Phốtpho vô cơ trong biển
Quang hợp của thực vật, chủ yếu là thực vật nổi (Phytoplankton) là quá trình duy nhất làm giảm nồng độ Phôt phát trong nước biển. Phương trình phản ứng quang hợp được Sverdrup viết ở dạng sau:
1300 Kcal năng lượng ánh sáng + 106CO2 + 90H2O + 16NO3 +
PO4 + các nguyên tố khoáng = 13Kcal thế năng chứa trong 3258 gam
nguyên sinh chất (106C, 180H, 46O, 16N, 1P, 815 gam chất tro) + 154O2
+ 1287 Kcal năng lượng nhiệt phát tán.
Một dạng khác của phản ứng quang hợp được Nihoul, Beckers mô tả như sau:
Theo các phương trình trên, để tạo ra một lượng chất hữu cơ trong đó có 106 phân tử Cacbon, thực vật đã lấy ở môi trường 16 phân tử Nitơ và 1 phân tử Phốtpho (quy về tỷ lệ theo khối lượng sẽ là C:N:P=41:7,2:1 hay 100:17,5:2,4). Một số tác giả lại đánh giá tỷ lệ sử dụng các nguyên tố trong quang hợp (tính theo khối lượng) vào khoảng C:N:P=100:(20- 23):(2-3). Mặc dù có khác nhau ít nhiều, song các tỷ lệ này đều cho thấy nhu cầu định lượng của thực vật đối với các nguyên tố cơ bản trong quá trình tổng hợp chất hữu cơ.
Trong biển, quang hợp chỉ xuất hiện ở lớp nước trên cùng (khoảng 0-200m) nơi có ánh sáng lan truyền tới nên nguồn tiêu thụ Phốtpho của biển cũng hoàn toàn nằm ở lớp nước nàỵ Tốc độ tiêu thụ Phốtpho đương nhiên phụ thuộc vào tốc độ quá trình quang hợp và do đó phụ thuộc vào nhiều điều kiện sinh học, sinh thái và môi trường.
Trong biển không có hiện tượng kết tủa Phôt phát bằng con đường hoá học vì nồng độ các muối này còn rất xa độ bão hoà.
Dòng từ lục địa là một nguồn bổ sung Phốtpho vô cơ cho biển. Hàng năm, các dòng sông của hành tinh đã tải ra biển khoảng 300 đến 1000 tấn Phốtpho dưới dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Tuy nhiên, nguồn này chỉ có ý nghĩa trực tiếp ở các vùng biển ven bờ, cửa sông và phụ thuộc rất nhiều vào các đặc trưng của dòng chảy từ lục địa ra biển.
Nguồn chính tạo ra Phốtpho vô cơ trong nước biển là quá trình tái sinh. Phần lớn lượng Phốtpho đã được thực vật đồng hoá, tiếp theo là các động vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau đồng hoá sẽ trở lại môi trường nước biển trong các hoạt động sống và trong quá trình phân huỷ và
106CO2+122H2ƠH3PO4+16HNO3 Ánh sáng (CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+138O2
khoáng hoá các tàn tích hữu cơ. Harvey H.W. đã phân biệt hai kiểu tái sinh là trực tiếp và gián tiếp.
Tái sinh trực tiếp Phốtpho vô cơ xảy ra trong các quá trình hô hấp, bài tiết của sinh vật biển. Trong quá trình này, các sản phẩm của hoạt động hô hấp, bài tiết (kể cả thức ăn thừa chưa tiêu hoá hết) trong đó có chứa các Phốt phát được sinh vật thải trực tiếp vào môi trường. Như vậy một phần Phốtpho vô cơ mặc dù đã được các sinh vật sử dụng nhưng đã nhanh chóng trở lại môi trường và lại tiếp tục được thực vật sử dụng trong quang hợp. Quá trình tái sinh trực tiếp chỉ xảy ra ở lớp nước tầng trên nơi có hoạt động sống của sinh vật biển.
Tái sinh gián tiếp Phốtpho vô cơ xảy ra trong các giai đoạn khác nhau của quá trình phân huỷ và khoáng hoá tàn tích sinh vật là xác chết của động thực vật, các mảnh vụn hữu cơ, cặn bã thải của hoạt động bài tiết, hô hấp... Quá trình này do các vi sinh vật phân giải hoặc các men thực hiện, có thể xảy ra trong điều kiện có Ôxy hoặc không có Ôxỵ Sản phẩm cuối cùng của qúa trình phân huỷ và khoáng hoá chất hữu cơ là các chất vô cơ, trong đó có các Phốt phát được trả lại cho môi trường. Quá trình tái sinh gián tiếp Phốtpho xảy ra chủ yếu ở các lớp nước sâu và đáy (có thể xảy ra ở cả các lớp trầm tích), nơi có nhiều tàn tích sinh vật lắng chìm từ các lớp nước bên trên xuống. Giới hạn trên của vùng tái sinh gián tiếp trong biển chính là lớp nhảy vọt mật độ. Tại đây mật độ nước biển biến đổi đột ngột theo độ sâu là nguyên nhân làm giảm tốc độ chìm lắng của vật chất lơ lửng và biến lớp này thành "kho chứa" các tàn tích sinh vật.
Như vậy, đối với biển sâu và đại dương, Phốt phát được giải phóng trong quá trình tái sinh sẽ rơi vào hai vùng với ranh giới là lớp nhảy vọt: vùng bên trên có quá trình tái sinh trực tiếp xảy ra với tốc độ nhanh và Phốtpho vô cơ hoàn trả cho môi trường lại có thể được thực vật sử dụng ngay vào quang hợp; vùng bên dưới có quá trình tái sinh gián tiếp xảy ra với tốc độ chậm hơn nhưng do sản phẩm tái sinh không được sử dụng ngay nên đã trở thành vùng tích luỹ và dự trữ Phốt phát cho biển. Đối với các vùng biển nông và ven bờ, mọi kiểu tái sinh Phốt phát đều có thể nằm ngay trong tầng quang hợp. Mặc dù quá trình tái sinh gián tiếp ở các
lớp nước sâu và đáy xảy ra với tốc độ chậm (phụ thuộc vào bản chất hoá học của chất hữu cơ và các điều kiện phân giải) song đó lại là nguồn chủ yếu tạo nên hợp phần dinh dưỡng Phốtpho vô cơ cho biển. Nhờ các quá trình động lực, xáo trộn thẳng đứng và khuếch tán mà lớp quang hợp luôn luôn được bổ sung Phốt phát từ các lớp nước sâu và đáy nên đã không bị trở thành vùng "cằn cỗi" dinh dưỡng. Ví dụ, theo tính toán của Đoàn Bộ, trong mùa hè mỗi mét khối nước của lớp quang hợp ở vùng biển nam Trung bộ sau 1 ngày đêm được nước trồi cung cấp thêm khoảng 1-2 mg Phốtpho để chi dùng cho quang hợp. Đây là một trong những điều kiện thuận lợi để tốc độ tổng hợp sản phẩm sơ cấp ở vùng biển này đạt khá cao, khoảng 50-80 mgC/m3/ngày, biến vùng biển này thành vùng sinh thái trù phú.
Tóm lược các quá trình tác động đến nồng độ Phốt phát trong biển được thể hiện trên sơ đồ chu trình Phốtpho (hình 5.1).
Hình 5.1: Sơ đồ chu trình Phốtpho trong biển (theo Đoàn Bộ)