2.4.4.1 Dịng năng lƣợng
Năng lƣợng là một phƣơng thức sinh ra cơng, năng lƣợng khơng tự nhiên sinh ra mà cũng khơng tự nhiên mất đi, nĩ chỉ chuyển hĩa từ dạng này sang dạng khác.
22
Dựa vào nguồn năng lƣợng hệ sinh thái đƣợc chia thành:
- Hệ sinh thái nhận năng lƣợng từ Ánh sáng Mặt trời: rừng, biển, đồng cỏ tự nhiên…
- Hệ sinh thái nhận năng lƣợng mơi trƣờng và năng lƣợng tự nhiên khác bổ sung: nhƣ hệ sinh thái cửa sơng đƣợc bổ sung nhiều nguồn nƣớc, Hệ sinh thái vùng trũng
- Hệ sinh thái nhận năng lƣợng ánh sáng mơi trƣờng và nguồn năng lƣợng do con ngƣời bổ sung: nhƣ hệ sinh thái nơng nghiệp, đồng cỏ chăn nuơi, vƣờn cây lâu năm: cây ăn quả, cây cơng nghiệp: chè, cao su, cà phê, dâu tằm…
- Hệ sinh thái nhận năng lƣợng chủ yếu là năng lƣợng cơng nghiệp: điện , nguyên liệu..
Năng lƣợng trong hệ sinh thái gồm các dạng:
- Quang năng chiếu vào khơng gian hệ sinh thái.
- Hĩa năng là các chất hĩa sinh học của động và thực vật.
- Động năng là năng lƣợng là cho hệ sinh thái vận động nhƣ: giĩ, vận động của động vật, thực vật, nhựa nguyên, nhựa luyện..
- Nhiệt năng làm cho thành phần hệ sinh thái cĩ nhiệt độ nhất định: nhiệt độ mơi trƣờng, nhiệt độ cơ thể.
2.4.4.2 Chuyển hĩa năng lƣợng trong cơ thể sinh vật
Để tiến hành các quá trình sinh tổng hợp cũng nhƣ để duy trì các hoạt động sống khác của cơ thể, sinh vật cần đƣợc cung cấp năng lƣợng. quá trình thu nhận và chuyển hĩa năng lƣợng bao giờ cũng gắn liền với quá trình hấp thu và chuyển hĩa chất dinh dƣỡng.
Các hợp chất chứa năng lƣợng của sinh vật
Trong cơ thể sinh vật, nguồn năng lƣợng đƣợc tích lũy trong các liên kết cao năng của hợp chất giàu năng lƣợng nhƣ: các nucleoside triphosphate (ATP, UTP, CTP, GTP), các acylphosphate, các dẫn xuất của acid carbonic (acetyl coenzyme A). hợp chất giàu năng lƣợng quan trọng nhất là ATP (adenosine triphosphate) cĩ chứa 2 liên kết cao năng. ATP đƣợc dùng trong các phản ứng trao đổi cần năng lƣợng. Một đặc tính của ATP là dễ biến đổi thuận nghịch thành ADP (adenosine diphosphate) và AMP (adenosine monophosphate) để giải phĩng hoặc tích lũy năng lƣợng.
AMP + H3PO4 ↔ DAP ADP + H3PO4 ↔ ATP
23 Các sinh vật tự dƣỡng: thực vật xanh và vi khuẩn quang hợp đều chuyển hĩa năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng hĩa học nhờ cĩ diệp lục tố theo phản ứng sau
2H2A + CO2 ↔ (CH2O) + H2O + 2A
Trong đĩ, H2A là chất đo điện tử. ở cây xanh đĩ là H2O. Ở vi khuẩn quang hợp, H2A cĩ thể là hợp chất khử của lƣu huỳnh (H2S, S, Sulfit..), hydrogen phân tử hay các hợp chất hữu cơ khác (propanol, isopropanol…)
Quá trình quang hợp ở cả 2 đối tượng trên đều xảy ra ở 2 giai đoạn
Giai đoạn đầu (pha sáng): dùng năng lƣợng mặt trời tách điện tử từ H2A, chuyển nĩ trên chuỗi điện tử quang hợp (hệ thống quang hợp) để tạo ATP. Quá trình này cịn gọi là phosphoryl hĩa quang hợp. ở thực vật xanh, pha sáng đƣợc thực hiện trên hai hệ thống quang hợp gắn trên màng thylakoid của lục lạp. Ở vi khuẩn lƣu huỳnh nâu và lục, pha sáng này đƣợc thực hiện trên một hệ thống quang hợp.
Giai đoạn sau (pha tối): dùng năng lƣợng tích lũy ở pha sáng để khử CO2 của khơng khí, tạo vật chất hữu cơ cho tế bào. Ở thực vật, pha tối xảy ra ở stroma của lục lạp theo chu trình calvin
Các sinh vật tự dƣỡng (chemoautotroph)
Các sinh vật này cũng cĩ khả năng oxi hĩa các chất cho điện tử cĩ thể là NH3, NO2-, Fe3+, H2S và một số hợp chất lƣu huỳnh khác.
Các sinh vật dị dƣỡng
Thu nhận năng lƣợng từ các hợp chất hữu cơ (đƣờng, đạm, béo, cellulose…) hấp thu từ mơi trƣờng ngồi. Trong cơ thể sinh vật, các chất này đƣợc phân giải bằng các con đƣờng khác nhau. Qua đĩ, khử các coenzym thành dạng NaDH2, FADH2, NADPH2. Các coenzym này chuyển hydrogen đến chuyển điện tử hơ hấp ở màng ti thể. Tại đây, năng lƣợng đƣợc tích lũy trong các phân tử ATP. Đĩ là quá trình dị hĩa. Đồng thời trong cơ thể sinh vật cũng xảy ra quá trình đồng hĩa, lấy năng lƣợng từ các ATP để tổng hợp các chất hữu cơ đặc trƣng cho cơ thể bằng cách khử các chất hữu cơ sinh ra trong quá trình dị hĩa.
Tuy nhiên khơng phải tồn bộ năng lƣợng sinh ra trong hơ hấp đều đƣợc tích lũy để sử dụng quá trình đồng hĩa, mà phần lớn đƣợc tỏa ra ở dạng nhiệt (ở hầu hết các sinh vật) hay phát sáng ( nhƣ ở đom đĩm, nấm mốc, động vật nguyên sinh hay vi khuẩn..)
Năng lƣợng sinh khối
Ngồi lợi ích cho gỗ, che phủ giữ đất, chống xĩa mịn, hấp thụ CO2 làm khí hậu mát mẻ trong lành…cây xanh cịn cho một sinh khối. Sinh khối đĩ đƣợc xem nhƣ là nguồn năng lƣợng thay thế cho nguồn năng lƣợng hĩa thạch. Dạng năng lƣợng này đƣợc gọi là “năng lƣợng sinh khối”
24 Việc sử dụng năng lƣợng sinh khối cĩ nhiều ƣu điểm về sinh thái mơi trƣờng: Đây là loại năng lƣợng cĩ khả năng tái tạo, đƣợc tạo từ CO2 trong tự nhiên bằng con đƣờng sinh học để rồi trả lại năng lƣợng dƣới dạng khác trong mơi trƣờng. con ngƣời cĩ thể can thiệp để sinh khối này gia tăng một cách thƣờng xuyên để bổ sung cho nguồn năng lƣợng.
Loại năng lƣợng này chứa rất ít lƣu huỳnh nên là nguồn năng lƣợng sạch
Năng lƣợng sinh khối cũng cĩ thể chuyển hĩa thành năng lƣợng điện, nhiệt, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu dạng hơi.
Khi gieo trồng để tái tạo và bổ sung cho nguồn sinh khối thực vật, nĩ sẽ kéo theo sự phát triển của một hệ sinh thái, do đĩ làm gia tăng đa dạng sinh học ở tầng sát mặt đất. Đồng thời, thảm thực vật tạo ra cũng hấp thụ một lƣợng CO2 đáng kể trong khí quyển, gĩp phần
2.4.4.3 Chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn là một dãy bao gồm nhiều lồi sinh vật, mỗi lồi là một mắt xích thức ăn, mỗi mắt xích thức ăn tiêu thụ mắt xích trƣớc nĩ và lại bị mắt xích phía sau tiêu thụ
Chuỗi thức ăn tổng quát cĩ dạng: SVSX → SVTT bậc 1 → SVTT bậc 2 → SVTT bậc 3 →… → Sv phân hủy
Lƣới thức ăn: tổng hợp những chuỗi thức ăn cĩ quan hệ với nhau trong hệ sinh thái. Mỗi lồi trong quần xã khơng chỉ liên hệ với một chuỗi thức ăn mà cĩ thể liên hệ với nhiều chuỗi thức ăn.
Bậc dinh dƣỡng: bao gồm những mắt xích thức ăn trong cùng một nhĩm sắp xếp theo các thành phần của cùng một chuỗi thức ăn bao gồm SVSX, SVTT bậc 1, SVTT bậc 2…
Chu trình sinh-địa-hĩa: trong hệ sinh thái vật chất luơn vận chuyển, biến đổi trong các chu trình từ cơ thể sống vào trong mơi trƣờng và ngƣợc lại. chu trình này gọi là chu trình sinh-địa-hĩa
2.4.4.4 Các chu trình sinh hĩa
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
25 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 2-3 Chu trình Cacbon
Thơng qua mạng lƣới thức ăn động vật và con ngƣời sử dụng các cacbon hữu cơ của thực vật, chuyển hĩa chúng thành các carbon hữu cơ của động vật và con ngƣời. đặc biệt, con ngƣời đã sử dụng một lƣợng lớn carbon trong các nguồn cacbon biến chúng thành năng lƣợng 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. Ngƣời, động vật, thực vật và ngay cả vi sinh vật khi chết đi sẽ đƣợc vi sinh vật phân giải thành các dạng carbon trong hợp chất bán phân giải nhƣ 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 ngƣời. Trong cơ thể sinh vật, Nitrogen tồn tại dƣới dạng các hợp chất hữu cơ nhƣ protein và acid amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lƣợng Nitrogen tồn tại trong đất. Dƣới tác dụng của các nhĩm vi sinh vật hoại sinh, protein đƣợc phân giải thành các acid amin. Các acid amin lại đƣợc 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
CO2 trong khơng khí Khí thải Nhiên liệu hĩa thạch VSV phân hủy Động vật tiêu thụ bậc cao Quá trình hơ hấp Quang hợp Thực vật ĐV tiêu thụ bậc thấp Quá trình phân rã
26 hữu cơ vì qua đĩ nitrogen hữu cơ đƣợc chuyển thành nitrogen dạng khống. Dạng NH4+ sẽ đƣợc chuyển hĩa thành dạng NO3- nhờ nhĩm vi khuẩn nitrat hĩa. Các hợp chất nitrat hĩa lại đƣợc chuyển hĩa thành Nitrogen phân tử, quá trình này đƣợc gọi là phản Nitrat hĩa đƣợc thực hiện bởi nhĩm vi khuẩn phản Nitrat. Khí N2 sẽ đƣợc cố định lại trong Tế bào vi khuẩn và Tế bào thực vật sau đĩ đƣợc chuyển hĩa thành dạng Nitrogen hữu cơ nhờ nhĩm vi sinh vật cố định Nitrogen. Nhƣ vậy vịng tuần hồn nitrogen đƣợc 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 hƣởng 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: dƣới 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 nhƣng do kém bền nên giải phĩng ra NH3, CO2, và H2O
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O
b) Sự amon hĩa protein: dƣới tác dụn của proteinase, phân tử protein sẽ đƣợc
phân giải thành các chuổi olipeptit và oligopeptide (chứa từ 3 -5 acid amin). Sau đĩ dƣới tác dụng của enzyme peptidase các olipeptide và oligopeptide sẽ đƣợc phân giải thành các acid amin. Một phần acid amin sẽ đƣợc tế bào vi sinh hấp thụ làm chất dinh dƣỡng. 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 phƣơng 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- đƣợc tiến hành bởi nhĩm vi khuẩn Nitrite hĩa
27
b) Giai đoạn Nitrate hĩa: quá trình oxi hĩa NO2- thành NO3- đƣợc thực hiện bởi nhĩm vi khuẩn nitrate hĩa.
NO2- + ½ O2 → NO3- + Q
c) Qúa trình phản Nitrate hĩa: các hợp chất dƣới 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 2-4 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 lƣợng phosphorous trở thành nhân tố sinh thái mang tính giới hạn vừa mang tính chất điều chỉnh.
Các nguồn phospho: nguồn phospho trong mơi trƣờng sinh thái đất, cĩ thể từ
xác bã hữu cơ và vật chất khơng hữu cơ. Vật chất hữu cơ: là lƣợng phospho cĩ từ
N2 trong khí quyển
Amino acid và protein trong động thực vật Phân rã Vi sinh vật tiêu thụ VK tạo đạm VK khử Nitrate Thực vật sử dụng QT Phân hủy QT Cố định đam VK Cố định đạm trong đất VK cố định đạm trong nốt sần rễ cây QT Cố định đam
28 thực vật, từ trong xƣơng động vật và ngƣời. 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 trƣờng đất)
Hình 2-5 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 đƣợc giải phĩng ra tạo thành các muối của acid phosphoric chứa các ion HPO32- ; H2PO3; PO43-, đơn giản dễ chuyển hĩa đƣợc 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 lƣợng cho cơ thể: ATP thành ADP và giải phĩng năng lƣợng. Phospho tích lũy trong quả hạt rất cao, phospho là nguyên tố khơng thể thiếu đƣợc của thực vật. Khi động vật ăn thực vật, phospho lại biến thành chất liệu xƣơng của các liên kết, các enzyme. Khi chết đi, động thực vật và con ngƣời biến phospho trong cơ thể thành phospho trong mơi trƣờng sinh thái đất.
Một số lớn phospho đi theo chu trình nƣớc vào đại dƣơng sau khi phospho bị hịa tan dần dần trong đá nham thạch chảy qua kênh rạch, sơng hồ và làm giàu cho
Phosphate hữu cơ Phân rã VSV trong đất tiêu thụ Phân Hủy Phosphate vơ cơ Quá trình phản ứng Phosphate kết tủa và lắng xuống Hình thành Đá Nâng cao nền địa chất Sĩi mịn Phosphate trong đá Động thực vật
29 nƣớc mặn, trở thành nguồn dinh dƣỡng 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 ngƣời → mơi trƣờng đất → phospho lại đƣợc trả về cho chu trình tự nhiên.