CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN
6.2 TỔNG HỢP VÀ PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN
Tổng hợp - phân giải chất hữu cơ là hai mặt đối lập trong một thể thống nhất hệ sinh thái. Hai quá trình này giúp cho hệ tồn tại và phát triển đến trạng thái trưởng thành và cân bằng ổn định.
Điều quan trọng nằm trong hai quá trình này là tỷ lệ giữa nhịp độ tổng hợp và nhịp độ phân giải.
Hãy tưởng tượng nếu hệ sinh thái trái đất của chúng ta có tốc độ phân giải chất hữu cơ lớn hơn tốc độ tổng hợp chúng thì hiện trạng sẽ ra sao? con người sẽ thiếu dinh dưỡng, thiếu Ôxy để thở, sẽ không có dầulửa, khí đốt và than đá... và tất nhiên sẽ không có xã hội văn minh nhƣ ngày nay. Đối với hệ sinh thái biển, sự mất cân bằng của các quá trình tổng hợp và phân giải chất hữu cơ cũng sẽ dẫn đến nhiều nguy hại chưa lường hết được.
6.2.1 Quá trình tổng hợp chất hữu cơ trong biển
Quá trình tổng hợp chất hữu cơ trong biển được tiến hành bằng 2 phương thức: quang hợp và hoá tổng hợp.
Nhƣ đã biết, thực vật (chủ yếu là thực vật phù du) là bộ phận chính sản xuất chất hữu cơ trong hệ sinh thái biển. Quá trình sản xuất chất hữu cơ của chúng đƣợc thực hiện trong quá trình quang hợp. Trong quang hợp, diệp lục (Chlorophyll) đóng vai trò nhƣ một chất xúc tác giúp cho thực vật sử dụng đƣợc năng lƣợng mặt trời để biến đổi CO2, H2O và các chất khoáng thành chất hữu cơ, đồng thời giải phóng O2. Phương trình quang hợp đã được đề cập trong mục 5.1.3 chương 5. Trong môi trường biển quá trình quang hợp của thực vật chỉ có thể xảy ra khi cường độ chiếu sáng có giá trị từ 0,18 cal/cm2.giờ trở lên. Do sự suy giảm nhanh chóng của ánh sáng khi đi vào các tầng nước nên lớp quang hợp ở biển không dày, thường không vượt quá 250 mét sâu.
Ngoài thực vật, quá trình quang hợp trong biển còn đƣợc thực hiện bởi một số vi khuẩn có mầu như vi khuẩn lưu huỳnh xanh và đỏ (Chlorobacteriaceae và Thiorhodaceae) hay vi khuẩn không lưu huỳnh đỏ và nâu (Athiorhodaceae). Trong quang hợp của vi khuẩn, chất bị ôxy hoá không
phải là nước mà là hợp chất vô cơ chứa lưu huỳnh (ví dụ H2S) và quang hợp kiểu này không giải phóng khí Ôxy:
CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S
Sản phẩm hữu cơ tạo ra do quang hợp của các vi khuẩn trong biển không đáng kể, nhƣng vi khuẩn lại có khả năng hoạt động trong những điều kiện hoàn toàn không thích hợp cho thực vật. Do vậy vi khuẩn quang hợp cũng đóng vai trò nhất định trong chu trình chuyển hoá vật chất ở biển.
Quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ trong biển bằng con đường hoá tổng hợp được một số nhóm vi khuẩn thực hiện. Trong quá trình này, các vi khuẩn hoá tổng hợp không cần năng lƣợng ánh sáng mặt trời nhƣng lại cần Ôxy để ôxy hoá các chất. Năng lƣợng trong các phản ứng ôxy hoá các chất vô cơ do vi khuẩn thực hiện đƣợc chúng sử dụng để đƣa CO2 vào trong thành phần tế bào của mình. Vi khuẩn hoá tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại các hợp chất Cácbon hữu cơ chứ không tham gia vào việc thành tạo nguồn thức ăn sơ cấp trong biển, nói đúng hơn chúng sống nhờ vào sản phẩm phân huỷ các chất hữu cơ. Nhờ khả năng hoạt động trong bóng tối ở các lớp nước tầng sâu và đáy hay trong các lớp trầm tích mà vi khuẩn hoá tổng hợp không chỉ lôi cuốn các chất vô cơ vào quá trình sản xuất chất hữu cơ trong biển mà còn là bộ phận sử dụng có hiệu quả nguồn năng lƣợng
"rơi vãi" mà các sinh vật tiêu thụ không thể tiết kiệm đƣợc. Tuy nhiên khối lượng sản phẩm tạo ra trong biển bằng phương thức này cũng không đáng kể.
Như vậy, trong các phương thức tổng hợp chất hữu cơ trong biển thì quang hợp của thực vật, chủ yếu là thực vật phù du là quá trình chiếm ƣu thế.
Khối lượng chất hữu cơ do thực vật tổng hợp được hàng năm trong đại dương thế giới rất lớn, khoảng 20 tỷ tấn Cacbon, chiếm trên 95% tổng lƣợng chất hữu cơ của biển (bảng 6.1).
Trước đây, một số người lầm tưởng càng có nhiều ánh sáng thì thực vật càng tổng hợp được nhiều chất hữu cơ. Thực tế với ánh sáng có cường độ cao (nhƣ ở vùng nhiệt đới-xích đạo) sự ôxy hoá các men đã làm giảm quá trình tổng hợp, còn sự hô hấp tăng mạnh lại tiêu hao nhiều sản phẩm quang hợp.
Trong điều kiện thích hợp, hô hấp của thực vật đã tiêu hao khoảng 50% sản phẩm do chính nó tạo ra. Vì vậy ở vùng biển nhiệt đới tốc độ tổng hợp chất hữu cơ thường thấp. Cũng với nguyên nhân đó, quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật thường đạt cực đại ở độ sâu dưới mặt biển, nơi có cường độ chiếu sáng thích hợp. Điều này đƣợc thấy rõ trên hình 6.1.
Giá trị trung bình tốc độ tổng hợp chất hữu cơ của thực vật trong lớp quang hợp của đại dương thế giới là 55 gC/m2.năm, ở Thái Bình Dương là 46,4 gC/m2.năm, ở Đại Tây Dương - 69,4 gC/m2.năm và Ấn Độ Dương - 81,0 gC/m2.năm. Ở Thái Bình Dương tốc độ này thấp nhất chính là do tỷ lệ diện tích vùng nước nghèo dinh dưỡng lớn nhất (như đã nói ở trên). Tại vùng biển ven bờ, các biển nội địa, biển kín, quá trình sản xuất chất hữu cơ cao hơn nhiều so với đại dương. Từ vùng ven bờ ra vùng ngoài khơi, sản phẩm thực vật phù du giảm khoảng 10 lần. Sản phẩm thực vật phù du ở tâm phân kỳ xích
đạo và vùng cận cực lớn hơn ở vùng xa tâm phân kỳ và vùng nước chuyển tiếp giữa cận cực - nhiệt đới (bảng 6.8).
Bảng 6.8: Giá trị trung bình sản phẩm thực vật phù du ở các khu vực khác nhau trong đại dương thế giới (theo Koblens - Miske).
6.2.2 Quá trình phân giải chất hữu cơ trong biển
Quá trình phân giải chất hữu cơ nói chung bao gồm phân giải vô sinh và hữu sinh, nhƣng trong biển chỉ có các quá trình phân giải hữu sinh. Trong quá trình này vi sinh vật dị dƣỡng, vi khuẩn hoại sinh và sinh vật ăn bã vụn là các tác nhân chính. Sự phân giải chất hữu cơ trong biển (chất hữu cơ chết) là một tập hợp các quá trình sinh hoá phức tạp với sự tham gia của tất cả sinh vật phân giải cùng các chất như Ôxy và nước. Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu vấn đề này song vẫn còn nhiều điều chƣa sáng tỏ.
Trong quá trình phân giải, các chất hữu cơ phức tạp đƣợc phân tích thành các chất đơn giản hơn (sản phẩm trung gian) và sau đó thành các chất vô cơ nhƣ CH4, H2S, H2O, NH3, CO2, NO3-
, PO4-3... Trong các giai đoạn phân giải đó, các vi khuẩn đã sử dụng những sản phẩm trung gian để tổng hợp nên chất hữu cơ mới (sản phẩm thứ cấp). Các sản phẩm khoáng hoá hoàn toàn là các chất dinh dưỡng vô cơ, CO2, H2O... được trả lại môi trường và lại được thực vật sử dụng.
Các chất hữu cơ khác nhau bị phân giải với tốc độ khác nhau. Chất hữu cơ là xác động vật thường bị phân giải nhanh hơn chất hữu cơ là xác thực vật.
Odum đã chia thành ba thời kỳ phân giải là: 1) nghiền nát bã vụn bằng tác động vật lý và sinh vật, 2) giải phóng khá nhanh chất hữu cơ hoà tan và tạo
"mùn", 3) sự khoáng hoá chậm chất mùn. Thấy rõ rằng chất hữu cơ bã vụn cũng đã đƣợc chia thành hai phần: phần dễ phân giải (BD) và phần khó phân giải (BK). Cả hai phần này có thể bị phân giải đồng thời, tất nhiên với tốc độ khác nhau (có thể khác nhau đến 10 lần và hơn nữa). Thời gian đầu sự phân giải chủ yếu xẩy ra đối với phần chất hữu cơ dễ bị phân giải. Sản phẩm trung gian (giai đoạn hai) đƣợc vi khuẩn sử dụng một phần làm thức ăn và xây dựng
tế bào, một phần bị khoáng hoá hoàn toàn, phần nhỏ còn lại là hợp phần bền vững (mùn) sẽ tiếp tục bị khoáng hoá chậm hoặc có thể đi ra khỏi hệ sinh thái biển.
Trên thực tế, sự phân giải phần BD diễn ra tương đối nhanh (sau 10 ngày đầu lƣợng bã vụn gốc sinh vật phù du đã giảm đi 50%) và kết thúc chỉ sau khoảng 30 - 40 ngày. Sự phân giải phần BK diễn ra chậm hơn và có thể kết thúc trong khoảng từ 50 ngày đến vài năm, thậm chí lâu hơn.
Sự phân giải bã vụn hữu cơ diễn ra mạnh nhất ở lớp quang hợp, ở các lớp nước sâu và đáy diễn ra rất chậm chạp. Có 2 nguyên nhân của hiện tượng này: một là, ở các lớp nước sâu điều kiện nhiệt độ, áp suất thuỷ tĩnh đã hạn chế hoạt động của vi khuẩn; hai là chất hữu cơ lắng chìm từ lớp trên xuống có bản chất khó phân giải.