CÁC HỢP CHẤT DINH DƢỠNG VÔ CƠ VÀ CÁC NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRONG BIỂN
5.2 CÁC HỢP CHẤT DINH DƢỠNG NITƠ VÔ CƠ
Các hợp chất của Nitơ trong biển cũng đa dạng nhƣ của Phốtpho, nhƣng các quá trình ảnh hưởng tới nồng độ của chúng còn phức tạp hơn nhiều. Nitơ tồn tại trong nước biển ngoài dạng phân tử (khí N2 đã được xét ở chương 3) còn tồn tại trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ khác nhau (kể cả trong các cơ thể sống), dưới dạng lơ lửng hay hoà tan. Tương tự các dạng tồn tại của Phốtpho, trong nước biển các hợp chất của Nitơ cũng có 4 dạng tồn tại: Nitơ hữu cơ lơ lửng (Nhcll), Nitơ hữu cơ hoà tan (Nhcht), Nitơ vô cơ lơ lửng (Nvcll) và Nitơ vô cơ hoà tan (Nvcht).
Nitơ hữu cơ có trong thành phần protit của các mô sinh vật và các sản phẩm phân huỷ protit trong biển. Các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ tồn tại trong nước biển dưới dạng lơ lửng (tàn tích sinh vật) hoặc các phần tử hoà tan được tạo ra trong các quá trình sinh học và phân huỷ sinh hoá các tàn tích hữu cơ.
Nitơ vô cơ lơ lửng có trong thành phần các keo khoáng có nguồn gốc từ nham thạch phun trào hoặc trầm tích đƣợc sông đƣa ra biển.
Phần quan trọng và có ý nghĩa nhất của các hợp chất Nitơ trong biển là hợp phần Nitơ vô cơ hoà tan, tồn tại ở dạng ion Amoni (NH4+), Nitrit (NO2-) và Nitrat (NO3-). Đây là dạng tồn tại mà thực vật có thể đồng hoá đƣợc Nitơ trong quá trình quang hợp để tổng hợp nên chất hữu cơ. Vai trò của hợp phần này trong nước biển cũng tương tự các loại đạm trong đất đối với cây trồng. Ý nghĩa dinh dƣỡng của Nitơ trong biển hoàn toàn do dạng này tạo nên.
Giữa các dạng Nitơ vô cơ và hữu cơ cũng có sự chuyển hoá lẫn nhau tương tự Phốtpho. Sự chuyển hoá được thực hiện trong hai quá trình trái ngƣợc: quang hợp và phân huỷ chất hữu cơ. Nitơ trong các hợp chất Nitơ vô cơ (NH4+
, NO2-
, NO3-) khi đƣợc thực vật đồng hoá trong quá trình quang hợp đã tham gia vào thành phần mô của thực vật và trở thành Nitơ liên kết trong tế bào thực vật, tiếp đó đƣợc chuyển hoá thành Nitơ liên kết trong tế bào động vật ở các bậc dinh dƣỡng khác nhau. Ngƣợc lại, quá trình phân huỷ và khoáng hoá các tàn tích hữu cơ ở các giai đoạn khác nhau đã chuyển hầu hết Nitơ liên kết trong các chất hữu cơ thành các hợp chất Nitơ vô cơ trả lại cho môi trường.
Từ đây chúng ta cũng dành sự xem xét đối với riêng hợp phần Nitơ vô cơ hoà tan.
5.2.2 Các nguồn tiêu thụ và bổ sung Nitơ vô cơ trong biển
Như đã thấy trong phương trình phản ứng quang hợp (đã nêu ở mục 5.1.3), tỷ lệ đồng hoá Nitơ vô cơ (và Phốtpho) để tổng hợp chất hữu cơ của thực vật là C:N:P=41:7,2:1. Tương tự như đối với Phốtpho, quang hợp của thực vật biển, chủ yếu là thực vật phù du là quá trình duy nhất làm giảm nồng độ Nitơ vô cơ trong biển. Do vậy nguồn tiêu thụ các hợp chất dinh dƣỡng Nitơ vô cơ cũng chỉ xuất hiện ở các lớp nước tầng trên, nơi có hoạt động quang hợp. Tốc độ tiêu thụ Nitơ vô cơ 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. Khi gặp các điều kiện thuận lợi, thực vật phù du phát triển mạnh có thể làm triệt tiêu nồng độ các hợp chất dinh dƣỡng Nitơ vô cơ, khi đó thực
vật tạm ngừng phát triển. Cho đến khi Nitơ vô cơ đƣợc tái phục hồi (hoặc đƣợc bổ sung từ một nguồn nào đó), thực vật lại tiếp tục phát triển ở một chu kỳ mới. Mặc dù đã biết khá rõ về lƣợng Nitơ đƣợc thực vật đồng hoá, song tỷ lệ đồng hoá Nitơ ở các dạng NH4
+, NO2
-, NO3
- còn chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều. Theo một số tác giả, dạng Nitrat thường được thực vật biển sử dụng nhiều hơn, tiếp đó là dạng Amoni và cuối cùng là Nitrit.
Dòng nước từ lục địa là một nguồn từ bên ngoài bổ sung Nitơ vô cơ cho biển. Với lưu lượng nước 35,5 nghìn km3/năm và nồng độ trung bình các hợp chất Nitơ vô cơ trong nước sông khoảng 0,3 mgN/l, hàng năm dòng từ lục địa đã tải ra biển trên 10 triệu tấn Nitơ vô cơ dưới dạng các muối Amoni và Nitrat. Tuy vậy, nguồn này chỉ có ý nghĩa đối với các vùng biển ven bờ, cửa sông, vũng, vịnh... và phụ thuộc chặt chẽ vào các đặc trƣng của dòng chảy từ lục địa đổ ra.
Nước rơi khí quyển cũng là một nguồn từ bên ngoài bổ sung Nitơ vô cơ cho biển. Nồng độ trung bình các hợp chất Nitơ vô cơ trong nước mưa khoảng 0,1 - 0,2 mgN/l, khi có hiện tƣợng phóng điện trong khí quyển có thể cao hơn. Hàng năm, lượng nước rơi từ khí quyển (411 nghìn km3/năm) đã bổ sung cho lớp nước mặt đại dương khoảng 40 – 80 triệu tấn các hợp chất Nitơ vô cơ. Do sự phân bố không đều theo thời gian và không gian của lượng nước rơi khí quyển nên nguồn này chỉ có ý nghĩa ở một số khu vực, trong một số giai đoạn phụ thuộc vào các đặc trƣng khí hậu của vùng biển.
Ngoài ra, quá trình chuyển Nitơ tự do trong khí quyển (khí N2) thành Nitơ liên kết dưới tác dụng của vi khuẩn họ Bacteriaceae (các giống Clostridium và Azotobacter) và sau đó theo nước mưa đi vào biển cũng có thể là một nguồn bổ sung Nitơ vô cơ cho biển. Tuy nhiên quá trình này còn chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều.
Nguồn cơ bản của các hợp chất Nitơ vô cơ trong biển là quá trình tái sinh. Tái sinh trực tiếp Nitơ vô cơ xảy ra ở các lớp nước tầng trên trong các hoạt động hô hấp, bài tiết của sinh vật. Các sản phẩm hô hấp, bài tiết trong đó
có cả thức ăn chƣa tiêu hoá hết bao gồm các hợp chất khác nhau nhƣ Amoniac, Ure, Trimetylamin, axit amin và Amôni, Nitrit, Nitrat đƣợc thải trực tiếp ra môi trường có thể sẽ được thực vật sử dụng ngay trong quang hợp.
Tái sinh gián tiếp Nitơ vô cơ xảy ra trong quá trình phân giải chất hữu cơ là phần còn lại của các sản phẩm hô hấp, bài tiết cùng các xác chết sinh vật, các tàn tích, mảnh vụn hữu cơ có nguồn gốc khác nhau. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải chất hữu cơ là các chất vô cơ trong đó có các hợp chất Nitơ vô cơ được trả lại cho môi trường. Tái sinh gián tiếp diễn ra chủ yếu ở các lớp nước sâu và đáy dưới tác động của các vi sinh vật phân giải hoặc các men. So với tái sinh gián tiếp Phốtpho vô cơ, tái sinh gián tiếp Nitơ xảy ra chậm hơn nhiều do Nitơ tham gia vào thành phần của chất hữu cơ rất bền vững, nhƣ là một trong những đơn vị cấu trúc cơ bản của Protit.
Khác với các hợp chất Phốtpho vô cơ là dẫn xuất phân ly của axít yếu H3PO4, các hợp chất Nitơ vô cơ tồn tại trong nước biển ở dạng ion độc lập nên chúng không nằm trong hệ cân bằng kiểu axít phân ly. Tuy nhiên trong những điều kiện nhất định chúng vẫn có thể chuyển hoá lẫn nhau bằng các quá trình sinh hoá học. Nhƣ đã biết, Amoniac (NH3) cũng là một trong các sản phẩm của quá trình tái sinh Nitơ vô cơ. Sản phẩm này có thể chuyển thành Amoni (NH4+) theo cơ chế sau:
NH3 + H2O → NH4(OH) → NH4+ + OH-