Chương II Các nguyên lý khoa học môi trường

Cán Bô ̣ Giảng Dạy: TS. VÕ LÊ PHÚ Bô ̣ Môn Quản Lý Môi Trường – Khoa Môi Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM volephu@hcmut.edu.vn CHƯƠNG II CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG (Tuần 2, 12-13/3/2011) Khoa học Môi Trường Khoa học Môi trường (Environmental Science) là mo n khoa học nghie n cứu các thành phàn của mo i trường (nước, đát, kho ng khi)́ và các tác đo ̣ ng của con người đén các thành phàn mo i trường. Khoa học Quản lý Môi Trường Khoa học quản lý Môi trường (Science of Environmental Management): là khoa học nghie n cứu vè các cách tiép ca ̣ n hoa ̣ c cách thức quản lý mo i trường nhàm tránh các tác đo ̣ ng tie u cực do con người ga y ra. Các cách thức/phương pháp quản lý mo i trường bao gòm: Các công cụ chính sách, pháp luật Các công cụ kinh tế Các công cụ khoa học & công nghệ Các công cụ giáo dục CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI Khái nie ̣m cơ bản: quần thể, quần xã, hệ sinh thái Các thành phàn của he ̣ sinh thái Chuõi thức a n/lưới thức ăn Các thành phàn cơ bản của he ̣ sinh thái ooàn chin̉h KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI Các Khái niệm Cơ Bản: Quần thể: l{ một nhóm c| thể của một lo{i, sống trong một khoảng không gian x|c định, có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm, chứ không phải cho từng c| thể của nhóm (E.P. Odum, 1971). Hoặc quần thể l{ một nhóm c| thể của cùng một lo{i sống trong cùng một khu vực (Alexi Sharov, 1996). KHÁI NIỆM VỀ SINH THÁI Quần xã (community) bao gồm các quần thể của nhiều lo{i kh|c nhau, lo{i có vai trò quyết định sự tiến hóa của quần x~ l{ lo{i ưu thế sinh th|i. Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật thuộc các loài khác nhau cùng sinh sống trên một khu vực nhất định. Khu vực sinh sống của quần x~ được gọi l{ sinh cảnh. Như vậy, sinh cảnh l{ môi trường vô sinh. Hệ SINH THÁI Tập hợp c|c sinh vật, cùng với c|c mối quan hệ kh|c nhau giữa c|c sinh vật đó v{ c|c mối t|c động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với c|c yếu tố vô sinh, tạo th{nh một hệ thống sinh th|i-ecosystem, gọi tắt là hệ sinh thái. Hệ sinh th|i l{ hệ chức năng gồm có quần x~, c|c cơ thể sống v{ môi trường của nó dưới t|c động của năng lượng mặt trời. Quần xã sinh vật Môi trường xung quanh Năng lượng mặt trời Hệ Sinh Thái Thành phần của hệ sinh thái Hệ sinh thái hoàn chỉnh bao gồm c|c th{nh phần chủ yếu sau: Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng): |nh s|ng, nhiệt độ, độ ẩm, |p suất, dòng chảy … Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố v{ hợp chất hóa học cần thiết cho tổng hợp chất sống. C|c chất vô cơ có thể ở dạng khí (O2, CO2, N2), thể lỏng (nước), dạng chất kho|ng (Ca, PO4 3-, Fe …) tham gia v{o chu trình tuần ho{n vật chất. Thành phần của hệ sinh thái Các chất hữu cơ (c|c chất mùn, acid amin, protein, lipid, glucid): đ}y l{ c|c chất có đóng vai trò l{m cầu nối giữa th{nh phần vô sinh v{ hữu sinh, chúng l{ sản phẩm của qu| trình trao đổi vật chất giữa 2 th{nh phần vô sinh v{ hữu sinh của môi trường. Chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn (foodchain): Chuỗi thức ăn được xem l{ một d~y bao gồm nhiều loại sinh vật, mỗi lo{i l{ một “mắt xích” thức ăn; mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích thức ăn phía trước v{ nó lại bị mắt xích thức ăn phía sau tiêu thụ. Một số chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn trên cạn (a terrestrial food chain) Một số chuỗi thức ăn Chuỗi thức ăn dưới nước (a marine food chain) Lưới thức ăn Lưới thức ăn là c|c chuỗi thức ăn có nhiều mắt xích chung tạo th{nh một lưới thức ăn. Ví dụ: Sinh vật sản xuất (hay tự dưỡng) Chủ yếu l{ thực vật xanh Có khả năng chuyển hóa quang năng th{nh hóa năng nhờ qu| trình quang hợp; Năng lượng n{y tập trung v{o c|c hợp chất hữu cơ-glucid, protid, lipid, tổng hợp từ c|c chất kho|ng (c|c chất vô cơ có trong môi trường). Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3) Chủ yếu l{ động vật. Tiêu thụ c|c hợp chất hữu cơ phức tạp có sẵn trong môi trường sống. Sinh vật tiêu thụ bậc 1: tiêu thụ trực tiếp c|c sinh vật sản xuất. Chủ yếu l{ động vật ăn thực vật (cỏ, c}y, hoa, tr|i …). C|c động vật, thực vật sống ký sinh trên c}y xanh cũng thuộc loại này. Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3) Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn c|c sinh vật tiêu thụ bậc 1. Gồm c|c động vật ăn thịt, ăn c|c động vật ăn thực vật. Sinh vật tiêu thụ bậc 3: thức ăn chủ yếu l{ c|c sinh vật tiêu thụ bậc 2. Đó l{ động vật ăn thịt, ăn c|c động vật ăn thịt kh|c. Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Sinh vật phân hủy Sinh vật ph}n hủy l{ những loại vi sinh vật hoặc động vật nhỏ bé hoặc c|c sinh vật hoại sinh có khả năng ph}n hủy c|c chất hữu cơ th{nh vô cơ. Thành phần cơ bản của HST hoàn chỉnh Ngo{i ra còn có những nhóm sinh vật chuyển hóa chất vô cơ từ dạng n{y sang dạng kh|c (như nhóm vi khuẩn nitrat hóa chuyển NH4 + thành NO3 -). Nhờ qu| trình ph}n hủy, sự kho|ng hóa dần dần m{ c|c chất hữu cơ được thực hiện v{ chuyển hóa chúng th{nh chất vô cơ. SINH THÁI HỌC & HỆ SINH THÁI Quần thể: l{ tập những c| thể cùng lo{i sống trong một sinh cảnh nhất định ở một thời điểm nhất định Khi nghiên cứu về quần thể cần lưu ý: Sức sinh sản; Sức tử vong; Mật độ quần thể; Mức độ tăng trưởng Tại sao một số loài cùng tồn tại trong một nơi? Chúng phát triển hay suy giảm? Các nhân tố tác động đến quần thể Sinh đẻ: gia ta ng só lượng cá thẻ trong quàn thẻ tho ng qua tái sinh  gia ta ng ma ̣ t đo ̣ của quàn thẻ. Tử vong: suy giảm só lượng quàn thẻ do tử vong  giảm ma ̣ t đo ̣ quàn thẻ. Nhập cư: gia ta ng só lượng cá thẻ tho ng qua vie ̣ c nha ̣ p cư vào quàn thẻ  gia ta ng ma ̣ t đo ̣ quàn thẻ (+). Di cư: giảm só lượng cá thẻ do di cư của các cá thẻ ra khỏi quàn thẻ  giảm ma ̣ t đo ̣ quàn thẻ (-) Thành phần cấu trúc của HST hoàn chỉnh Các chất vô sinh Các yếu tố vật lý/khí hậu: T0, A/sáng, gió,… Các chất vô cơ: C, P, N Các chất hữu cơ: glucid, protid, lipid, mùn,… Sinh vật sản xuất: thực va ̣ t chuyẻn quang năng  hóa năng  na ng lượng được dự trữ ở dạng đường (lie n két C-C). Sinh vật tiêu thụ: đo ̣ ng va ̣ t Sinh vật tiêu thụ bậc 1 Sinh vật tiêu thụ bậc 2 Sinh vật phân hủy 22 Cấu trúc của hệ sinh thái 23 Đặc tính của hệ sinh thái Luo n va ̣ n đo ̣ng Có thẻ được pha n nhóm Có sự trao đỏi na ng lượng và va ̣ t chát (chuõi thức án/lưới thức a n) qua các HST Xảy ra các chu trình sinh điạ hóa Các quàn xã hay các loài sinh va ̣ t thường biẻu thi ̣ chuye n bie ̣ t các ta ̣ p tińh, nơi cư trú hay các vai trò hoạt đo ̣ng. 24 Các dòng năng lượng trong HST Chuỗi thức ăn v{ mạng lưới thức ăn: L{ hệ thống chuyển hóa năng lượng dinh dưỡng từ nguồn đi qua h{ng lọat c|c sinh vật bằng c|ch sinh vật n{y dùng sinh vật kh|c l{m thức ăn. Bậc dinh dưỡng: L{ thứ tự c|c nhóm trong chuỗi thức ăn 25 Các dòng năng lượng trong HST  Chuỗi thức ăn 26 27 Chuỗi thức ăn Mạng lưới thức ăn (food web): C|c chuỗi thức ăn đan xen nhau Cho hình ảnh hòan chỉnh về nhóm, sinh vật n{o ăn sinh vật n{o Có chức năng ph}n bố v{ chuyển hóa c|c dạng hữu cơ trong HST L{ cơ chế để duy trì sự c}n bằng HST 28 Các dòng năng lượng trong HST 29  Lưới thức ăn Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuỗi thức ăn: Tim̀ hiẻu vè cơ ché l}y lan ô nhiễm, độc chất v{ g}y bệnh qua con đường thức ăn; C}n bằng sinh th|i v{ bảo vệ hệ sinh thái. 30 Các dòng năng lượng trong HST Các dòng năng lượng trong HST Năng lượng học sinh thái nghiên cứu về dòng năng lượng bên trong một HST từ lúc năng lượng đi v{o hệ thống hiện hữu cho đến lúc cuối cùng bị biến đổi th{nh nhiệt v{ mất đi khỏi hệ thống Nguồn năng lượng của HST: mặt trời Thực vật quang hợp, tích lũy trong cơ thể sinh vật dưới dạng hóa năng, chuyển thành NL sinh học 31 Chuyển hóa năng lượng trong HST 32 CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA Tìm hiểu một số quy luật sinh thái thông qua các chu trình biến đổi của các nguyên tố cơ bản Các nguyên tố tuần hòan trong sinh quyển theo đường: Từ MT vào cơ thể sinh vật Từ sinh vật này sang sinh vật khác Từ sinh vật trở lại môi trường chu trình sinh địa hóa CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC Tác động của con người đến chu trình nước: Đô thị hóa Công nghiệp hóa Phá rừng Gia tăng ô nhiễm CHU TRÌNH TUẦN HOÀN NƯỚC Ha ̣ u quả của các tác đo ̣ ng do con người : Giảm lượng nước thấm xuống đất  giảm lượng NNgầm Tăng dòng chảy mặt Gia tăng ô nhiễm nước CHU TRÌNH CARBON Carbon l{ th{nh phần thiết yếu cho sự sống. L{ th{nh phần hóa học chính trong c|c chất hữu cơ, từ nhiên liệu hóa thạch cho đến những ph}n tử phức tạp (DNA v{ RNA). CHU TRÌNH CARBON Thực vật hấp thu CO2 trong khí quyển CO3 (2-) hòa tan trong nước Quang hợp tạo chất hữu cơ Qua chuỗi thức ăn, carbon chuyển qua động vật, người VSV ph}n hủy x|c ĐTV th{nh c|c dạng Carbon kh|c nhau, cuối cùng l{ CO2 CHU TRÌNH CARBON C|c qu| trình chính trong chu trình tuần ho{n cacbon gồm qu| trình quang hợp, qu| trình ph}n hủy c|c sản phẩm b{i tiết. Ngo{i ra còn có qu| trình hô hấp, qu| trình khuếch t|n khí CO2 trong khí quyển. Khí quyển l{ nguồn cung cấp carbon (chủ yếu ở dạng CO2) chính trong chu trình tuần ho{n Carbon. CO2 đi v{o hệ sinh th|i nhờ qu| trình quang hợp v{ trở lại khí quyển nhờ qu| trình hô hấp v{ qu| trình đốt ch|y. CHU TRÌNH CARBON Carbon có thể tồn tại thời gian d{i ở c|c dạng vô cơ như CO2 (hòa tan v{ dạng khí); H2CO3 (hòa tan); HCO3 - (hòa tan); CO3 2- (hòa tan, như CaCO3 cacbonat calcium) hoặc dạng hữu cơ như glucose; acid acetic, than, dầu, khí. CHU TRÌNH CARBON CÁC CHU TRÌNH CARBON CHU TRÌNH CARBON Các tác động của con người lên chu trình Carbon Một số t|c động của con người l{m tăng lượng khí CO2 trong không khí, nước: Đốt ch|y nhiên liệu (xăng, than), đốt ch|y củi, gỗ l{m tr|i đất nóng lên, tăng nhiệt độ trên tr|i đấthiệu ứng nh{ kính  nóng le n toàn càu  BĐKH. Việc tăng khí CO2 v{ một số chất ô nhiễm kh|c (NOx, SOx), g}y mưa acid (pH <5,6), l{m c| chết, thay đổi pH đất, ảnh hưởng đến c}y trồng. Sự nóng lên to{n cầu có thể l{m băng tan ở Nam cực, tăng mực nước biển, thay đổi khí hậu, thay đổi sản lượng ngũ cốc v{ lượng mưa. CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) Sự cần thiết của nitơ:  Là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào  Là hợp phần bắt buộc của amino acid, protein  Có trong thành phần men, màng tế bào, nucleoprotid truyền các thông tin di truyền  Các hợp chất Nitơ cung cấp năng lượng cho cơ thê ̉ sóng CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) 3 con đường N đi vào MT sinh thái đất: Phản ứng quang hóa, sấm chớp, mưa C}y xanh quang hợp tạo protein, chuyển qua động vật, con người. Khi chết đi, trả lại cho MT đất (ph}n giải hữu cơ tạo NH3) C|c vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần c}y họ đậu, cố định N khí trời th{nh N trong cơ thể thực vật N từ đất vào khí quyển: Khử nitrate hóa bằng enzyme, Hoặc bằng hóa học CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) CHU TRÌNH NITƠ (NITORGEN) Chu trình tuần hoàn nitơ có vai trò quan trọng trong việc chuyển nitơ trong không khí sang dạng m{ thực vật v{ động vật có thể sử dụng được. N2 chiếm khoảng 78% trong khí quyển v{ hầu như ở dạng khí. Khí nitơ, chỉ phản ứng hóa học ở những điều kiện nhất định. Hầu hết c|c sinh vật đều không thể sử dụng nitơ trong không khí, chỉ sử dụng nitơ ở dưới dạng nitrat (NO3 -) hoặc nitrit (NO2 -). Nếu không có nitơ, thì protein v{ acid nucleic không thể được tổng hợp trong cơ thể động vật, thực vật cũng như con người. CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG CHU TRÌNH NITƠ Cố định nitơ: Nitơ được c|c vi khuẩn cố định nitơ, thường sống trên nốt sần rễ c}y họ đậu, chuyển nitơ ở dạng khí sang dạng NO3 -. Ammon hóa: c|c vi khuẩn ph}n hủy sẽ ph}n hủy c|c acid amin từ x|c chết động vật v{ thực vật để giải phóng NH4OH. CÁC QUÁ TRÌNH CHÍNH TRONG CHU TRÌNH NITƠ Nitrat hóa: c|c vi khuẩn hóa tổng hợp sẽ oxid hóa NH4OH để tạo th{nh nitrat v{ nitrit, năng lượng được giải phóng sẽ giúp phản ứng giữa oxy v{ nitơ trong không khí để tạo thành nitrat. Khử nitrat hóa: c|c vi khuẩn kỵ khí ph| vỡ c|c nitrat, giải phóng nitơ trở lại v{o khí quyển. Các tác động của con người lên chu trình Nitơ  Sử dụng phân bón đạm để tăng năng suất cho c|c vụ mùa, l{m tăng tốc độ khử nitrit v{ l{m nitrat đi v{o nước ngầm. Lượng nitơ tăng trong hệ thống nước ngầm cuối cùng cũng chảy ra sông, suối, hồ, v{ cửa sông. Tại đ}y, có thể sinh ra hiện tượng phú dưỡng hóa.  L{m tăng sự lắng đọng nitơ không khí do cháy rừng và đốt cháy nhiên liệu. Cả 2 quá trình này đèu giải phóng các dạng nitơ rán ở trạng thái khi,́ bụi. Các tác động của con người lên chu trình Nitơ  Chăn nuôi gia súc: thải vào mo i trường mo ̣ t lượng lớn khi ́ammoniac (NH3) qua chất thải của chúng. NH3 sẽ thấm dần v{o đất, nước ngầm v{ lan truyền sang c|c khu vực kh|c do nước chảy tr{n.  Chát thải và nước thải từ các quá trình sản xuát co ng nghie ̣p. CHU TRÌNH PHOSPHO Nguồn gốc: X|c b~ hữu cơ Vật chất vô cơ: trầm tích, apatit, muối Tầm quan trọng: P giữ vai trò quan trọng trong cấu th{nh cơ thể sinh vật Động vật thiếu phospho sẽ bị mềm xương, liệt C}y thiếu phospho th}n l| mầm c}y ngả x|m đen, hoa v{ hạt nhỏ CHU TRÌNH PHOSPHO  Chu trình tuần ho{n phospho l{ chu trình không ho{n hảo. Phospho l{ chất cơ bản của sinh chất có trong sinh vật cần cho tổng hợp c|c chất như acid nucleic, chất dự trữ năng lượng ATP, ADP. Nguồn dự trữ của phospho: trong thạch quyển dưới dạng hỏa nham, hiếm có trong sinh quyển. Phospho có khuynh hướng trở th{nh yếu tố giới hạn cho hệ sinh thái. Sự thất thoát phospho l{ do trầm tích s}u hoặc chuyển v{o đất liền (do người đ|nh bắt c| hoặc do chim ăn c| …). CHU TRÌNH PHOSPHO Phospho l{ kh}u yếu nhất trong mạng lưới dinh dưỡng. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng phospho, xói mòn (do đốt ph| rừng), thì nguồn dự trữ phospho có nguy cơ sẽ cạn dần. Khi xảy ra sự mất c}n bằng ở c|c chu trình tuần ho{n thì sẽ có sự cố về môi trường, ảnh hưởng đến sự tồn tại của sinh vật v{ con người trong một khu vực hay trên to{n cầu. CHU TRÌNH TUẦN HOÀN PHOSPHO 60 Nguyên nhân g}y rối loạn vận h{nh chu trình P Phát triển nông nghiệp Phát triển chăn nuôi Xói mòn đất  Hậu quả:Phú dưỡng hóa nguồn nước CHU TRÌNH PHOSPHO Nguồn gốc:  Núi lửa phun,  trầm tích,  khóang chất chứa pyrid 61 CHU TRÌNH LƯU HÙYNH Rễ thực vật hấp thu S tổng hợp c|c liên kết v{ acid amin có S ĐV ăn TV, con người ăn ĐTV. Sau khi chết đi, trả lại cho đất Một phần S biến th{nh SO2 hay H2S bay lên S có thể bị trôi ra biển, hoặc trầm tích trong than đ|, dầu hỏa. Con người sử dụng nhiên liệu, tạo khí thải 62 CHU TRÌNH LƯU HÙYNH 63Chu trình lưu huỳnh