Trong bài học này, bạn sẽ học về
Chu trình dinh dưỡng đề cập đến sự di chuyển và trao đổi chất hữu cơ và vô cơ trở lại quá trình tạo ra vật chất sống. Quá trình này được điều chỉnh bởi các con đường lưới thức ăn phân hủy chất hữu cơ thành chất dinh dưỡng vô cơ. Các chu trình dinh dưỡng xảy ra trong hệ sinh thái.
Các chu trình dinh dưỡng trong tự nhiên được gọi là chu trình sinh địa hoá vì các nguyên tố chuyển động tuần hoàn từ môi trường vào cơ thể sống và trở lại môi trường.
Hệ sinh thái minh họa việc tái chế theo vòng kín khi nhu cầu về chất dinh dưỡng bổ sung cho sự phát triển của sinh khối vượt quá nguồn cung cấp trong hệ thống đó. Tồn tại sự khác biệt về không gian và khu vực trong tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ trao đổi vật liệu, trong đó một số hệ sinh thái có thể bị nợ chất dinh dưỡng (chìm) và những hệ sinh thái khác sẽ có thêm nguồn cung cấp (nguồn). Những khác biệt này do lịch sử địa chất và địa hình mang lại.
Trong lưới thức ăn, một vòng lặp hoặc một chu trình được định nghĩa là một trình tự có hướng của một hoặc nhiều mắt xích bắt đầu và kết thúc ở cùng một loài. Ví dụ, trong đại dương, vi khuẩn được khai thác bởi các động vật nguyên sinh như vi tảo dị dưỡng, sau đó được khai thác bởi các sinh vật liên kết. Hoạt động chăn thả này kéo theo sự bài tiết các chất sau đó được vi khuẩn sử dụng để hoạt động của hệ thống là một mạch kín.
Quá trình tiêu hóa xenluloza bằng enzym là một ví dụ về tái chế sinh thái. Xenlulo, một trong những hợp chất hữu cơ phong phú nhất trên trái đất, là polysaccharide chính trong thực vật, nơi nó tạo nên thành tế bào. Các enzyme phân hủy cellulose tham gia vào quá trình tái chế sinh thái nguyên liệu thực vật tự nhiên. Các hệ sinh thái khác nhau có thể có tỷ lệ rác tái chế khác nhau.
Các nguyên tố hóa học liên tục được tái chế sau khi chúng được sử dụng như sau:
Mọi nguyên tố đều có chu trình dinh dưỡng của nó và mọi chu trình đều có một con đường duy nhất bao gồm các bể chứa, bể trao đổi và thời gian cư trú.
Hồ chứa - Một khu vực nơi nguyên tố ở nồng độ cao nhất và được giữ và lưu trữ trong một thời gian. Ví dụ, than đá hoặc nhiên liệu hóa thạch là nguồn dự trữ carbon.
Nhóm trao đổi - Khi các phần tử được giữ trong khoảng thời gian ngắn. Ví dụ, thực vật và động vật sử dụng tạm thời các yếu tố này trong hệ thống của chúng và thải chúng trở lại môi trường.
Thời gian thường trú - Lượng thời gian mà một phần tử được giữ ở một nơi.
Năng lượng chảy có hướng qua các hệ sinh thái của Trái đất, thường đi vào dưới dạng ánh sáng mặt trời và thoát ra dưới dạng nhiệt. Tuy nhiên, các thành phần hóa học tạo nên cơ thể sống thì khác: chúng được tái chế.
Carbon dioxide và methane là những ví dụ về các hợp chất carbon lưu thông trong khí quyển và ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu. Thông qua các quá trình quang hợp và hô hấp, cacbon cũng được luân chuyển giữa các cơ thể sống và các thành phần không sống của hệ sinh thái.
Chu trình carbon 'nhanh' là sự di chuyển của carbon qua các thành phần sinh vật trong môi trường. Thực vật và các sinh vật khác có khả năng quang hợp, thu nhận carbon dioxide từ môi trường của chúng và sử dụng nó để tạo ra các chất sinh học. Thực vật, động vật và các sinh vật phân hủy như vi khuẩn và nấm, trả lại carbon dioxide cho bầu khí quyển bằng cách hô hấp.
Sự di chuyển của cacbon thông qua các yếu tố phi sinh học trong môi trường như đá, đất và đại dương tạo thành chu trình cacbon chậm. Quá trình di chuyển của carbon qua các nguyên tố phi sinh học này có thể mất tới 200 triệu năm.
Khi các sinh vật như vi khuẩn cố định nitơ sử dụng nitơ để tổng hợp các phân tử sinh học cần thiết cho sự tồn tại, nitơ trong khí quyển trước tiên phải được chuyển thành amoniac bởi vi khuẩn cố định nitơ trong môi trường nước và đất. Amoniac sau đó được vi khuẩn chuyển thành nitrit và nitrat. Thực vật lấy nitơ từ đất bằng cách hấp thụ amoni (NH4-) và nitrat qua rễ của chúng. Nitrat và amoni sau đó được sử dụng để sản xuất các hợp chất hữu cơ. Sau đó, động vật tiêu thụ thực vật và do đó đạt được nitơ trong các hợp chất hữu cơ. Nitơ ở dạng hữu cơ sau đó được chuyển sang chuỗi thức ăn khi các động vật khác ăn những động vật này. Các chất phân hủy sau đó trả lại amoniac vào đất bằng cách phân hủy chất thải rắn và các vật chất chết hoặc thối rữa. Vi khuẩn nitrat hóa chuyển đổi amoniac thành nitrit và nitrat. Sau đó, vi khuẩn khử nitơ sẽ chuyển nitrit và nitrat thành nitơ, giải phóng nitơ trở lại bầu khí quyển.
Phốt pho là một chất dinh dưỡng thiết yếu cần thiết cho sự phát triển của thực vật và động vật. Nó có một vai trò quan trọng trong sự phát triển của tế bào và là thành phần quan trọng của các phân tử dự trữ năng lượng như Adenosine Triphosphate (ATP), Deoxyribonucleic Acid (DNA) và lipid.
Đá khi tiếp xúc với nước mưa sẽ giải phóng các ion photphat và các khoáng chất khác theo thời gian. Phosphat vô cơ này sau đó được phân phối trong đất và nước. Sau đó, thực vật hấp thụ phốt phát vô cơ từ đất, và những thực vật này sau đó có thể được động vật tiêu thụ. Sau đó, phốt phát được kết hợp vào các phân tử hữu cơ như DNA, và khi thực vật hoặc động vật chết và thối rữa, phốt phát hữu cơ sẽ được trả lại cho đất. Sau đó, vi khuẩn trong đất sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành các dạng photphat mà cây trồng có thể hấp thụ được. Nó cũng là một quá trình được gọi là quá trình khoáng hóa. Phốt pho trong đất sau đó có thể kết thúc trong các đường nước và đại dương và có thể được kết hợp thành trầm tích theo thời gian.
Lưu huỳnh là chất rắn ở dạng tự nhiên và ở dạng này; nó bị hạn chế trong chu trình trầm tích. Nó có thể được vận chuyển bằng các quá trình vật lý như gió, xói mòn bởi nước và các sự kiện địa chất như phun trào núi lửa. Nó cũng có thể được vận chuyển bởi đại dương và bầu khí quyển, đất liền và trở lại đại dương thông qua các hợp chất của nó như sulfur dioxide, axit sulfuric, muối sunfat hoặc lưu huỳnh hữu cơ theo lượng mưa và sông ngòi.
Thực vật và động vật đều đóng một vai trò trong việc luân chuyển oxy trong khí quyển. Như bạn đã biết, oxy rất quan trọng đối với nhiều loài động vật, bao gồm cả con người. Chúng ta hít thở oxy và cơ thể chúng ta sử dụng nó để tạo ra năng lượng trong một quá trình gọi là hô hấp tế bào. Quá trình này giải phóng carbon dioxide như một sản phẩm chất thải, đó là những gì chúng ta thở ra. Thực vật hấp thụ khí cacbonic trong quá trình quang hợp, trong đó chúng tạo ra thức ăn và ôxy. Ôxy được giải phóng, và chu trình bắt đầu lại.
Tiêu chí quan trọng nhất cho sự sống là nước. Giống như chu trình carbon, vòng tuần hoàn nước là quá trình nước di chuyển giữa các sinh vật, Trái đất và bầu khí quyển. Nước bốc hơi từ các vùng nước trên Trái đất, như hồ, sông và đại dương. Hơi nước ngưng tụ trong các đám mây và tạo thành kết tủa đưa nước trở lại Trái đất. Trên Trái đất, một số nước quay trở lại các hồ và đại dương mà nó có nguồn gốc, và một số ngấm vào lòng đất, tạo thành mạch nước ngầm. Các sinh vật sống, như thực vật và động vật, tiêu thụ nước. Nước lại bay hơi, tiếp tục chu trình.
Một số nhà khoa học cho rằng hệ sinh thái có khả năng tái chế hoàn toàn. Tái chế hoàn toàn có nghĩa là 100% chất thải có khả năng được hoàn nguyên vô thời hạn. Các nhà khoa học khác phản đối ý kiến này, cho rằng không thể tái chế hoàn toàn chất thải công nghệ.
Tái chế sinh thái rất phổ biến trong canh tác hữu cơ. Do đó, các trang trại hữu cơ tiến hành tái chế hệ sinh thái sẽ hỗ trợ nhiều loài hơn, có cấu trúc lưới thức ăn khác nhau. Mô hình nông nghiệp tái chế sinh thái tuân theo các nguyên tắc dưới đây:
1. Chuyển hóa vật chất từ dạng này sang dạng khác - Các chu trình dinh dưỡng cho phép chuyển hóa vật chất sang các dạng cụ thể khác nhau cho phép sử dụng nguyên tố đó ở các sinh vật khác nhau.
2. Chuyển các nguyên tố từ vị trí này sang vị trí khác - Các chu trình dinh dưỡng cho phép chuyển các nguyên tố từ vị trí này sang vị trí khác. Một số nguyên tố tập trung cao độ ở những khu vực mà hầu hết các sinh vật sống không thể tiếp cận được, chẳng hạn như nitơ trong khí quyển. Các chu trình dinh dưỡng cho phép các nguyên tố này được chuyển đến các vị trí dễ tiếp cận hơn như đất.
3. Chức năng của hệ sinh thái - Các chu trình dinh dưỡng hỗ trợ hoạt động của hệ sinh thái. Hệ sinh thái, đòi hỏi trạng thái cân bằng để hoạt động tốt, khôi phục lại trạng thái cân bằng thông qua các chu kỳ dinh dưỡng.
4. Dự trữ các nguyên tố - Các chu trình dinh dưỡng tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự trữ các nguyên tố. Các nguyên tố được vận chuyển qua các chu trình dinh dưỡng được lưu trữ trong các bể chứa tự nhiên của chúng và được giải phóng cho các sinh vật với một lượng nhỏ có thể tiêu thụ được.
5. Liên kết sinh vật, sống và không sống - Các chu trình dinh dưỡng liên kết sinh vật sống với sinh vật sống, sinh vật sống với sinh vật không sống và sinh vật không sống với không sống. Điều này là cần thiết vì tất cả các sinh vật phụ thuộc vào nhau và rất quan trọng đối với sự tồn tại của các sinh vật sống. Các sinh vật này được liên kết với nhau bởi dòng chất dinh dưỡng được thiết kế bởi các chu trình dinh dưỡng.
6. Điều hòa dòng chất - Các chu trình dinh dưỡng điều hòa dòng chất. Khi các chu trình dinh dưỡng đi qua các hình cầu khác nhau, dòng chảy của các nguyên tố được điều chỉnh vì mỗi khối cầu có một môi trường cụ thể và tốc độ dòng chảy của các nguyên tố được xác định bởi độ nhớt và mật độ của môi trường. Do đó, các nguyên tố trong chu trình dinh dưỡng chảy với tốc độ khác nhau trong chu trình và điều này điều chỉnh dòng chảy của các nguyên tố trong các chu trình đó.
