CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.3. Tính tốn các thơng số nhiệt động học
Exergy và structural exergy là hai thông số nhiệt động học được dùng phản ánh những đặc tính ở cấp độ hệ thống của hệ sinh thái.
Exergy, một thông số nhiệt động học được đề xuất sử dụng như một indicator cho hệ sinh thái lần đầu tiên vào cuối những năm 70. Những nghiên cứu trong suốt hai thập kỉ đã hình thành nên ngun lí “exergy tối ưu” hay “định luật sinh thái của nhiệt động học” [52]. Trong sinh thái học, exergy của một hệ thống được định nghĩa là “khối lượng cơng việc” mà một hệ thống có thể thực hiện khi nó được đưa về trạng thái cân bằng nhiệt động học với mơi trường của nó. Nói cách khác, exergy là năng lượng được sinh vật sống sử
dụng để tạo nên cấu trúc và tổ chức của hệ sinh thái hay tổng năng lượng cần để đưa hệ sinh thái về tập hợp các chất vô cơ. Một hệ sinh thái càng xa trạng thái cân bằng (trạng thái tham chiếu) khi cấu trúc và tổ chức của nó càng phức tạp, tức exergy càng cao. Tổ chức của một sinh vật được thể hiện qua hàm lượng thông tin chứa trong gen trong khi cấu trúc được phản ánh bởi sinh khối [22].
Bên cạnh exergy, structural exergy là thông số sử dụng để mô tả khả năng sử dụng nguồn tài nguyên sẵn có của các sinh vật trong hệ sinh thái, được tính bằng cách chia exergy cho tổng sinh khối (sinh khối của sinh vật và vật chất vô cơ). Sự suy giảm structural exergy trong môi trường nước ngọt bị biến động đồng nghĩa với việc sự suy giảm khả năng sử dụng vật nguồn tài nguyên có sẵn, hay theo cách nói của Odum (1985), là sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng tài nguyên. Do đó, structural exergy có thể là một indicator để mô tả định lượng những dự đoán của Odum về hiệu suất sử dụng tài nguyên trong hệ sinh thái nước ngọt.
Jorgensen (1995) đã đưa ra cơng thức để tính tốn exergy của một hệ sinh thái như sau [17, 23]:
Ex = R * T * ∑ (Ci ∗ Wi)𝑛
𝑖=1 (J/l)
Ex = ∑ (Ci ∗ Wi)𝑛
𝑖=1 (g/l)
Trong đó, R là hằng số khí lí tưởng (R= 8.4 J.mol−1.K−1 và khối lượng phân tử trung bình của chất mùn (detritus) là 100.000 [52], T là nhiệt độ tuyệt đối (thường bằng 300oK), Ci là nồng độ/hàm lượng của thành phần thứ i trong hệ sinh thái, Wi là hệ số chuyển đổi của thành phần thứ i. Wi được tính từ lượng thơng tin chứa trong gene (Xem bảng 2.2).
Bảng 2.2. Số gen gần đúng và hệ số chuyển đổi đối với một số sinh vật
Kí hiệu Số gen trung bình Hệ số
W* W** Vi khuẩn 600 19.9 x 105 2.7 Tảo 850 25.2 x 105 3.4 Nấm men 2,000 49.3 x 105 5.8 Nấm 3,000 70.3 x 105 9.5 Bọt biển 9,000 196.1 x 105 26.7 Động vật phù du 50,000 1055.8 x 105 144
Sâu 100,000 2104.4 x 105 287
Cá 120,000 2523.8 x 105 344
Động vật có vú 140,000 2943.2 x 105 404
*Khi sử dụng đơn vị g/l cho hàm lượng các thành phần *Khi sử dụng đơn vị gdetritus/l cho hàm lượng các thành phần Chuyển đổi đơn vị của exergy được thực hiện như sau:
g/l gdetritus/l: chia (7.34*105) [52] gdetritus/l J/l: nhân 18,700 [18] Do đó: g/l J/l: nhân 0.025
Structural exergy (Exst) được tính bằng cơng thức sau: Ex = R * T * ∑𝑛 ((CiCt) ∗ Wi)
𝑖=1 (J/g khối lượng khô) Ex = ∑ ((Ci
Ct) ∗ Wi)
𝑛
𝑖=1 (g/g khối lượng khô)
Trong đó, Ct là tổng hàm lượng sinh khối (tổng của tất cả Ci)
Tùy vào đặc điểm của hệ sinh thái hồ được nghiên cứu, có thể lựa chọn các thành phần khác nhau để tính tốn exergy và structural exergy như thực vật nổi, động vật nổi, thực vật bậc cao ngập nước, động vật đáy… Càng nhiều thành phần được sử dụng trong cơng thức thì kết quả càng phản ánh chính xác hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ sinh thái. Trong nghiên cứu này, do điều kiện có hạn nên tơi chỉ dựa vào sinh khối thực vật nổi và động vật nổi để tính tốn exergy và structural exergy.