• Nenhum resultado encontrado

Hóa học biển, năng suất sinh học và các vấn đề môi trường trong vùng biển Việt Nam - Nguyễn Tác An

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Hóa học biển, năng suất sinh học và các vấn đề môi trường trong vùng biển Việt Nam - Nguyễn Tác An"

Copied!
230
0
0

Texto

(1)

NGUYỄN TÁC A N , HOÀNG TRUNG DU

HOÁ HỌC BI6N, NÂNG SUÍT SINH HỌC

vft CÁC VÂN Đế MÔI TRƯỜNG

(2)

NGUYỄN TÁC AN, HOÀNG TRUNG DU

HOÁ HỌC BlếN, NỒNG SUỐT SINH HỌC

vồ CÁC VÂN Đế MÔI TRƯỜNG

TRONG VÙNG (ỈICN V lậ NflM

(3)

Trang

Muc luc » • 11

Mở đầu 5

CHƯƠNG I. CÁC THÔNG TIN c ơ BẢN VÈ HOÁ HỌC BIÊN 7

I. Các thông tin cơ bản về biển 1

1. Thành phần hoá học trong nước biển 8

ỉ. ỉ. Độ mặn của nước biển 10

Ỉ.2. Các nhóm yếu tồ hóa học trong nước biển 16

2. Các quả trình sình học trong môi trường biển 28

2.1. Sình vật phù du 29

2.2. Sự trao đối chất trong đại dương 31

II. Năng suất sinh học và mốỉ quan hệ vói các thành phần lý- hóa học của môi trường biên

35

ỉ. Quá trình quang hợp 35

2. Năng suất sinh học sơ cấp trong đại dương 43

CHƯƠNG II. T H M H PHAN HÓA HỌC VÀ NẠNG SUẤT SINH HỌC S ờ CẤP VÙNG BIỂN VIỆT NAM

47

I. Lịch sử phát triển về khảo sát điều tra, nghiên cứu trang vùng biển Việt Nam

47

1. Giai đoạn trước 1975 48

(4)

2 Nguyễn Tác An, Hoàng Trung Du

3. Những két quả điều tra khảo sát và nghiên cứu chủ yêu trong

vũng biên và thêm lục địa

51

3. ỉ.

về

địa chất và địa vật

ỉỷ

52

3.2.

về

khí tượng thủy văn và động lực biên 54

3.3.

về

sinh vật, sinh thải và môi trường biến 57

II. Phân bố thành phần hóa học trong vùng biển Việt Nam 70

/. Vị trí địa lý tự nhiên và đặc điếm hình thái vùng bờ biến Việt

Nam

70

2. Đặc điếm khí tượng và thuỳ vãn biến 77

3. Đặc điếm phân bố các yêu tố hoá học và môi trường trong

vùng biển Việt Nam

85

3.1. Phân bo của yếu tố thủy hóa 85

3.2. Muối dinh dưỡng vô cơ hòa tan (bao gồm NO 2, NO Ị, P 0 4>

s ỉ o3)

91

3.3. Hàm lượng sac to chlorophyll a trong vũng biển Việt Nam 97

III. Nghiên cứu về năng suất sinh học sơ cấp trong vùng biển Việt Nam

103

1. Kỹ thuật sử dụng các phương pháp xác định sức sản xuất sơ cấp ở vùng biển nhiệt đới Việt Nam

104

ỉ. ỉ. Xây dựng sơ đô khối nghiên cứu 104

ỉ. 2. Phương pháp xác định sức sản xuất sơ cấp của vực nước 106

2. Sức sản xuât sơ cấp của thực vật phù du 119

3. Những đặc trưng sản xuất của vi sinh vật 127

4. Sức sản xuất sơ cấp của các quần xã sình vật đảv 142

Cơ sở vật chât và nâng ỉưựng của quả trình sản xuất sơ cấp ở

vừnẹ biên Việt Nam

(5)

5.1. Những đặc trưng sản xuất của thực vật phù du 153 5.2. Mô hình hóa quá trình chuyển hóa năng lượng ở đầm Nha Phu 170

- Khánh Hòa

5.3 Sơ bộ đánh giá khả năng sản xuất của vùng biển thềm lục địa ỉ 76

phỉa Nam Việt Nam

IV. Tình trạng môi trường biển Việt Nam 186

ì. Nguy cơ ỏ nhiễm môi trường biến của Việt Nam 190

2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trong việc bảo 195

vệ môi trường Biến tại Việt Nam

CHƯƠNG III. TÀM QUAN TRỌNG ĐỐI VỚI NGHIÊN c ứ u

201

NĂNG SUẤT SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG BIỂN

I. Vai trò của nghiên cứu năng suất sinh học trong môi 201 trường biển

II. Tầm quan trọng đối với việc phát triển kinh tế, môi 215 trường biển và an ninh quốc phòng

(6)

MỞ ĐÀU

Việc soạn thảo cuốn sách chuyên khảo về “Hóa học biển, năng suất sinh học và các vấn đề môi trường trong vùng biển Việt Nam ” nhằm tạo ra một nguồn thông tin bô ích cho các sinh viên, nhà nghiên cứu và những độc giả yêu thích tham khảo, tìm hiểu và khám phá về đại dương cũng như trong vùng biển Việt Nam.

Những nguyên lý cơ bản hoá học của nước biển sẽ giúp hiểu biết thêm về những quá trình liên quan đến các chu trình trong đại đương. Chủ đề trong cuốn sách chuyên khảo này ỉà rất cần thiết nhằm tăng cường khả năng hiểu biết về vai trò quan trọng của đại đương. Trong đó, lĩnh vực nghiên cứu hóa học biển đã phát triển qua rất nhiều thập kỷ, là ngành khoa học cơ bản trong việc xem xét và tìm hiếu sự phân bố của các thành phần hóa học qua đó hiểu biết rõ hơn các quá trình vật lý, địa chất, sinh học trong các đại dương. Việc nghiên cứu hóa học biển đòi hỏi phải có nền tảng kiến thửc vững chắc để có thể hiểu rõ được các chu trình trong đại dương (như là các chu trình Carbon, Nitơ, Phốtpho, và Si lie), trong đó quan trọng nhất là chu trình carbon với nhiều quy mô khác nhau. Qua đó hiểu rõ hơn vai trò của đại dương rất quan trọng trong kiểm soát các nguồn thải khí COo từ hoạt động của con người, nó ảnh hưởng rất lớn đến khí hậu toàn cầu hôm nay và tương lai sau này.

Việc nghiên cứu, điều tra khảo sát vồ vùng biển Việt Nam đã đã được tiến hành từ khá lâu (trên 80 năm), tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, các tư liệu, số liệu vẫn còn chưa được phổ biến, chủ yếu được sử dụng khai thác trong các lĩnh vực chuyên ngành sâu về khoa học biển. Nhìn chung, phần lớn các hoạt độn^ khảo sát nghiên cứu đều mang tính chuyên đề, phục vụ cho mỗi đề tài và có định hướng nhằm giải quyết một số mục tiêu cụ thế trước mẩt.

Qua cuốn sách chuyên khảo này, ngoài các giá trị kiến thức về các điều kiện môi trường hóa học và năng suất sinh học sơ cấp trong vùng Biển Đông, chúng tôi còn mong muốn độc giả có được khái quát về quá trình phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học biển. Đặc biệt, sự phát triển của ngành Hải dương học

(7)

nước ta luôn luôn gắn liền với sự phát triền của đất nước. Sự lớn mạnh đó được thể hiện bẳng sự quan tâm của chính phủ trong việc đầu tư trang thiết bị chiều sâu, đào tạo năng lực trong công tác nghiên cứu, tạo ra nhiều cơ hội và khả năng hội nhập với quốc tế. Từ đó, nhằm thúc đẩy việc điều tra nghiên cứu biển có hiệu quả, phục vụ kịp thời việc thực hiện Chiến lược biển của nước ta trong giai đoạn tới.

Mặc dù đã cố gắng, song cuốn sách không thể tránh khỏi những khiếm khuyết và thiếu sót trong việc tập hợp các tài liệu và công trình nghiên cứu ở trong nước cũng như ngoài nước. Tập thể tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các đồng nghiệp và các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu biển. Từ đó, chúng tôi sẽ kịp thời bổ sung và hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.

Tập thể tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Hội đồng xuất bản của Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, đã tạo cơ hội và điều kiện thuận lợi trong việc hỗ trợ về mặt tinh thần, tài chính và các tài liệu tham khảo để cuốn sách chuyên khảo sớm được ra mắt độc giả.

(8)

Chương I

THÀNH PHẢN HOÁ HỌC CỦA NƯỚC BIẺN

I. CÁC THỒNG TIN c ơ BẢN VÈ BIẺN

Biển Đông là vùng biển được bao quanh bởi một số quốc gia và là nơi có tuyến vận tải đường biến tấp nập trên thế giới. Theo Cục thủy văn quốc tế, Biển Đông là một vùng nước nửa kín kéo dài 1900 hải lý theo hướng từ Tây Nam đến Đông Bắc, ranh giới phía Nam ở vĩ tuyến 3 độ Nam giữa Sumantra và Karimatan, ranh giới phía Bắc là eo biển Đài Loan từ đỉnh cực bắc đảo Đài Loan đến bờ biển Phúc Kiến của Trung Quốc. Biển Đông có chiều ngang nơi rộng nhất khoảng 600 hải lý, điện tích khoảng 3.447.000km2, độ sâu trung bình 1060m, độ sâu lớn nhất đo được là 5016m. {Phạm Văn Giáp và cs., 2006). Biển Đông có thể xem là một hệ sinh thái đặc biệt nhờ có các quần đảo và bán đảo, rải rác là các đảo nhỏ và dải san hô ngầm. Với hai dạng thời tiết gió mùa đặc biệt làm luân chuyển chế độ mưa và gió là: gió mùa Đông Bắc từ tháng 12 đến tháng 2 và gió mùa Tây Nam từ tháng 6 đến tháng 8 làm thay đổi chế độ vận động của nước mặt theo quy luật.

Biển Đông đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế của các quốc gia qua việc cung cấp các nguồn tài nguyên. Chính vì vậy, hoạt động điều tra về biển nước ta thực sự được tiến hành từ rất sớm, bắt đầu từ những chuyến khảo sát biển từ những năm 1923 của Hải học viện Nha Trang. Hoạt động điều tra khảo sát biển nước ta trong hơn 80 năm qua đã thu được một khối lượng dữ liệu rất lớn về điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên biển. Theo thống kê, có trên 13.500 chuyến khảo sát biển lớn nhỏ đã được thực hiện trong vùng biển và thềm lục địa nước ta với 338.500 trạm khảo sát trên khắp vùng biển ở các thời điểm khác nhau. Các hoạt động khảo sát đã thu được khoảng 30 triệu bản số liệu về các lĩnh

(9)

vực: khí tượng, thủy văn, động lực biển, địa chất - khoáng sản, địa vật lý biển, mỏi trường biến, sinh thái và tài nguyên sinh vật biển, V, V. Ngoài ra còn phải kể

đến một khối lượng dữ ỉiệu quan trọng về biển Việt Nam hiện nay còn được lưu giữ ở nước ngoài dưới nhiều hình thửc, từ nhiều nguồn khác nhau (Đặng Ngọc Thanh, 2007). Việc khảo sát, điều tra đo đạc các yếu tố về môi trường hóa học và năng suất sinh học sơ cấp cũng được tiên hành song song với các lĩnh vực chuyên môn khác nhằm tập trung vào nghiên cứu các yếu tố hóa học của nước biển, các mối quan hệ qua lại giừa vật lý - hóa học - sinh học. Trong đó hóa học biển được xem là lĩnh vực khá quan trọng trong việc mô tả các đặc điểm về thành phần, phân bố các yếu tố hóa học trong các đại dương. Việc nghiên cứu không chỉ đơn thuần đừng lại ở mô tả các yếu tố mà nó còn khám phá ra các cơ chế, quá trình sinh học và cuộc sống trong các đại dương.

1. Thành phần hoá học trong nước biển

Đe bắt đầu cuốn chuyên khảo, chúng tôi giới thiệu một số thông tin cơ bản về các yếu tố hoá học của nước biển, và các quá trình sinh học cơ bản liên quan đến sự sống trong dại dương.

Như chúng ta đã biết, nước biển không phải là nước tinh khiết, cũng không phải Jà nước ngọt giống như ở các sông, suối, ao hồ. Có rất nhiều tác giả và nhà nghiên cửu trên thế giới đã chỉ ra rằng nước biển có rất nhiều các thành phần khoáng hoà tan trong nước. Ngoài ra, trong nước biển còn chứa rất nhiều các phần tử lơ lửng khác nhau (các hạt keo, vật chất lơ lửng, mảnh vụn hữu cơ của xác động, thực vật và vi sinh vật, V.V.).

Trong nước biến bao gồm rất nhiều các thành phần khác nhau, và có thể chia thành 4 pha (Millero, 1996):

- Pha rắn (là những vật chất mà nó không thể đi lọt qua giấy lọc có đường kính 0.45|im), bao gồm:

o Các vật chất hữu cơ lơ lửng (mảnh vụn hữu cơ của động thực vật) o Vật liệu vô cơ lơ lửng (các khoáng vật)

- Pha khí: các khí bền vững (N2, Ar, Xc) - các khí không bền ( 02 và C 0 2) - Chât keo tụ (chất không hòa tan, nhưng lọt qua giấy lọc có đường kính 0.45fim): dạng hữu cơ - và vô cơ

(10)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biển 9

- Pha hòa tan:

o Vô cơ hòa tan: nguyên tố đa lượng (>lppm) - nguyên tố vi lượng (<lppm)

o Hữu cơ hòa tan

Việc phân tích nước biển được phát triển từ rất sớm bởi Bergman vào năm 1779, và có rât nhiều nhà nghiên cứu tham gia xác định một hay nhiều nguyên tô trong nước biển của các đại dương trên thế giới. Năm 18Ỉ9, Marcet là người đầu tiên khang định mối quan hệ giữa các thành phần và độ mặn của nước biển gần như là một hằng số. Ông đã phân tích rất nhiều mẫu nước biển ở nhiều vùng khác nhau trên thế giới. Người đầu tiên mở rộng phạm vi khảo sát các nguyên tố vô cơ đa lượng trong nước biển chính là Forchhammer. Vào nãm 1865, ông đã xác định hàm lượng các ion

cr,

S 0 42", Mg2+, Ca2+, và K+ bằng cách trực tiếp, và Na+ bằng phương pháp khác. Ông đã nhận thấy rằng tỷ lệ giữa các nguyên tố đa lượng gần như không thay đối hoặc rất ít thay đổi. Các thành phần hòa tan này chiếm 99,9% các ion hòa tan trong nước biển. Vào năm 1884, Dittmar đã phân tích 70 mẫu nước được thu ở nhiều tầng sâu khác nhau trong các đại dương với chuyến khảo sát H.M.S Challenger (1873-1876). Mặc dù kết quả của ông hầu như không khác so với những phân tích trước, và mẫu đã được lưu giữ khá lâu (2 năm), với các kỹ thuật phân tích không khác nhiều. Kết quả thí nghiệm đạt được của ông khá hơn nhiều so với Forchhammer. Ông đã tìm ra được sự thay đồi rất nhỏ của S 0 42', Mg2\ Ca2+, và K+ và Na+. Giá trị của ion Ca2+ ở các lớp nước biển sâu cao hơn 0.3% so với nước biển bề mặt, và cao hơn gấp 5 lần so với sai số phân tích.

Cho đến nay, bằng nhiều phương pháp phân tích, đo đạc với những thiết bị tiên tiến, người ta đã tìm thấy trong nước biển có khoảng 60 nguyên tố hóa học tồn tại ở nhiều dạng khác nhau (Đoàn Bộ, 2001). Có rất nhiều nguyên tố tồn tại trong nước biển với nồng độ cao (nguyên tố đa lượng), song cũng có rất nhiều nguyên tố ở nồng độ thấp và rất thấp (nguyên tố vi lượng). Các thành phần yếu tố hóa học tồn tại trong nước biển được thể hiện ở bảng 1.1.

(11)

Bảng 1.1. Các thành phần nguyên tố hóa học chính trong nước biển Các nguyên tổ đa lượng (> 100ppm) Tên ion Phần trăm % Chloride, c r 55.04 Sodium, Na+ 30.61 Sulfate, S 0 42' 7.68 Magnesium, Mg2+ 3.69 Caỉcium, Ca2+ 1.16 Potassium, K+ 1.10 99.28 Các nguyên tố vi lượng (1-100ppm) Bromine 65.0 Carbon 28.0 Strontium 8.0 Boron 4.6 Silicon 3.0 Fluorine 1.0 Các nguyên tố vết (<1ppm) Nitrogen iodine Lithium Iron Rubidium Zinc Phôtphorus Molybdenum

ĩ . l . Độ mặn của nieởc biển a. Khái niệm cơ bản

Mặc dù trong nước biển có rất nhiều nguyên tố đa lượng, song nguyên tố hòa tan có trong nước biển nhiều nhất vẫn là Clo (trung bình vào khoảng 19.374g/l nước biển), tiếp đến là Natri (I0,5g/l) và tổng chất khoáng hòa tan trong nước biên đạt khoảng 35g/l (bảng 1.2). Căn cứ vào thành phân hoá học của nước biển, ta có thê tạo ra được nước biển nhân tạo dùng để sử dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm, bằng cách pha các thành phần muối theo bảng 1 . 2 vào trong 1 lít nước (sử dụng thêm 52ml của IM- MgCli , và (0.3ml của ỈM- CaCỈ2 và 0.1 ml của

(12)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biển 11

Bảng 1.2. Các muối dùng để pha nước biển nhân tạo có độ mặn là 35ppt (1kg)

Các muối vô cơ g/kg mol/kg NaCI 23.9849 0.41040 Na2S 0 4 4.0111 0.02824 KCI 0.6986 0.00937 NaHCOs 0.1722 0.00205 KBr 0.1000 0.00084 B(OH) 0.0254 0.00041 NaF 0.0029 0.00007

Trong nghiên cứu hải dương học, người ta sử dụng độ mặn để thể hiện đặc trưng cho độ khoáng của nước biển. Vỉ tổng hàm lượng các ion chính chiếm tới 99,9% tổng lượng các chất khoáng hòa tan nên có thể coi độ mặn của nước biển chính bằng giá trị này. Từ đó, độ mặn có thể được định nghĩa như sau: ”ĐỘ mặn là hàm lượng tổng cộng tính bang gram của tất cả các chất khoáng rắn hòa tan trong 1000 gram nước biển với điều kiện: các thành phần nhóm Halogen được thay thế bằng lượng Clo tương đương, các muối carbonat được chuyển thành oxit, các chất hữu cơ bị đốt cháy ở 500°C".

Để xác định độ mặn trong nước biển, người ta sử dụng phương pháp chuẩn độ ion chloride (Cl) bằng dung dịch bạc Nitrate (A gN 03).

Ag+ +

g

c r AgCl(s)

( 1) Độ mặn được ký hiệu là s (đơn vị tính là %o hoặc ppt - part per thousand ig/kg) nước biển), độ Clo - C1 %0; Mối quan hệ giữa hai đại lượng này là:

s (%o) = 1. 805 Cl(%o) + 0.030 (2)

Ngoài ra còn có phương pháp hiện đang được dùng rộng rãi trong nghiên cứu hải dương học để xác định độ mặn đó là xác định độ dẫn của nước biển bằng thiết bị đo độ mặn (salinometer). Đây là phương pháp sử dụng các thang lý thuyết về độ mặn thay thế cho mối tương quan giữa chlorinity - độ mặn dựa vào tỷ lệ độ dẫn điện của nước (Millero, 1996). Độ mặn của nước biển ở 35(*í,„) tương ứng với độ dẫn của dung dịch KC1 (có chứa 32.4356g KC1 trong 1 kg dung địch ở tại nhiệt độ là

15°c

và áp suất là latm). Hiện nay, trên thế giới đã sử dụng rất

(13)

nhiều thiết bị đo độ mặn có độ chính xác cao, và có thể đo được độ mặn tới 40 ppt (± 0.001) tốt hơn rất nhiều so với phương pháp chuẩn độ hóa học (Emerson và Hedges, 2008).

Nhiệt độ và độ mặn là nhân tố cơ bản để xác định mật độ của nước biển. Mật độ của nước biển bề mặt hầu hết dao động từ 1024 đến 1028kg/m3, mật độ được dùng ký hiệu là sigma ơ và được xác định theo công thức:

Trong đó: p ià mật độ của mẫu (kg/m3)

po là mật độ cực đại của nước biển tại 3.98°c (999.974kg/m3)

b. Các nhân tô ảnh hưởng đến độ mặn của nước biến và phân bo độ mặn trong bề mặt các đại dương

Các quá trình và các nhân tố ảnh hưởng lên sự dao động của độ mặn trong các đại dương như: tác động của các dòng nước ngọt từ lục địa đổ ra biển, hiện tượng băng tuyết tan, mưa và tuyết rơi... Hàng năm lượng mưa và tuyết rơi trên bề mặt tất cả các đại dương vào khoảng 411.000 km2. Tuy nhiên, lượng nước này phân bố không đồng đều theo không gian và thời gian; phụ thuộc rất lớn vào kinh vĩ độ địa lý và điều kiện khí hậu từng vùng từ đó dẫn đến sự biến động các độ mặn của bề mặt nước biển.

ơ = (p/po -1) X 1000 (3)

'■-.^7" ° 2 0 0 0 4 0 0 0 km 3 3 5 S o à le i s t r u e o rd y jtfi t h e ♦ q u à ío l' r í o * r“— Enc yc l opa e di a B n t a n n ic a , Ino.

ị ĩ é ị S a lin ity v a lu e s in p a r t s p e r th o u sa n d o f d is s o lv e d so lid s

J______i______ I- - V I______ 1 ' r

Hình 1.1. Độ mặn trung bình năm của nước biển trên bề mặt cùa các đại dương

(14)

Chương I. Thành phần hoá học của nưởc biển 13

Dòng nước từ lục địa đổ ra biển cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố của độ mặn, bởi tính chât của dòng nước lục địa có độ khoáng thấp, và được xem như là nước ngọt. Khối nước ngọt này đổ ra biến chỉ chiếm 0.0026% so với khối nước không lô của đại dương thế giới, nển khả năng pha loãng nước đại dương là không đáng kể. Tuy nhiên, ảnh hưởng này nó chỉ có ý nghĩa đối với sự dao động của các thủy vực trong vùng biển ven bờ, đặc biệt là vào thời kỳ mùa mưa.

Ngoài ra quá trình bốc hơi trên bề mặt các đại đương cũng rất quan trọng đối với sự dao động của độ mặn. Nước bốc hơi từ bề mặt các đại dương và biển có độ khoáng không đáng kể, gần như tinh khiết. Đây ỉà nhân tố gây nên sự gia tăng độ mặn ở các lớp nước bề mặt đại dương và biển. Lượng bốc hơi này phân bố theo không gian và thời gian, chúng cũng phụ thuộc vào vĩ độ địa lý và điều kiện tự nhiên của từng vùng, miền khác nhau, V. V. Phân bố của độ mặn trong bề mặt

các đại dương được trình bày trong hình 1.1.

Kinh đố

tệ!.* % i

ĐÔ mặn trung binh của càc đai dương tiồ i thế giãi

(N guồn từ W orid O cean D ata Centre (W O D C )- W orld Ocean A tlas, 2001)

Hình 1.2. Độ mặn trung binh của các đại dương trên thế giới

(15)

Hình 1.3. Độ mặn trung bình ở tầng nước mặt của các đại dương trên thế giới (ppt)

Độ muối (psu)

4Ồ*N ĨQ'N EO 2Ồ*S 40 S 6ỒỘ$

Hình 1.4. Cấu trúc phân bố thẳng đửng của độ mặn trong vùng biển Tây Bắc Đại Tây

Dương (Schlitzer, R., 2005, Ocean Data View, http://www.awi-

bremerhaven.de/GEO/ODV). * Ký hiệu: North Atlantic Deep Water (NADW); Antarctic Intermediate Water (AAIW); Antarctic Bottom Water (AABW)

(16)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biển 15

Do hàm lượng các nguyên tố đa lượng trong nước biển không ảnh hưởng tới các phản ứng hóa học trong các dòng hải ỉưu, vì vậy sự phân bố độ mặn sẽ được kiểm soát bởi tính cân bằng giữa các quá trình vật lý, bốc hơi và lượng mưa. Ở vùng xích đạo, thường có độ mặn thấp gây ra bởi lượng mưa từ khí quyển đưa vào biển và độ mặn cao thường xảy ra ở những vùng cận nhiệt đới, ranh giới phía Bắc và phía Nam của đường xích đạo (vĩ độ 20-35°) (hình 1.2).

Độ mặn trung bình của lớp nước bề mặt đại dương thế giới là 34.73%,., nói chung độ mặn của lớp nước bề mặt đại dương là không đồng nhất có vùng tới 36 ^ 37%o, có vùng chỉ có 32 -*• 33%,, (hình 1.3 và hình 1.4). Sự không đồng nhất này phụ thuộc vào hàng loạt quá trình tương tác và các nhân tố ỉàm tăng hay giảm độ mặn như đã nêu ở trên (hình 1.5). Nhiệt độ (°C) 1000 Độ 1 5 0 0 sâu (m ) 2000 2500 3000 3500 4000 4500

(17)

1.2. Phàn loại các nhóm yếu tố hóa học trong nivớc biển

Theo (Millero, 1996) đã chia các thành phần hoá học trong nước biến thành 4 pha như đã nêu ở trên. Trong đó pha hòa tan chiếm gần như toàn bộ trong các tầng nước biến (đặc biệt là ở độ sâu dưới iOOm), và các yếu tố hóa học được chia thành 4 nhóm :

* Nhóm yếu tố ít thay đổi (conservative elements);

- Nhóm yếu tố có hoạt tính sinh học (Bioactive elements);

- Nhóm yếu tố dễ phân hủy và hấp phụ (Scavenged or adsorbed elements) và - Nhóm các chất khí hòa tan.

7.2. ỉ. Nhóm yếu tố ít thay đoi

Chiếm khoảng vài phần trăm, các nguyên tố nhóm này trong nước biển có nồng độ tỷ lệ với độ mặn là hằng số. Nồng độ của các yếu tố nhóm này ít chịu ảnh hưởng bởi các quá trình như mưa hay bay hơi. Các nguyên tố có nồng độ cao thường có khuynh hướng ít thay đổi bởi chúng không có phản ứng. Tuy nhiên, các nguyên tố này nhìn chung hiện diện trong hầu hết ở các dải nồng độ, bởi một trong số đó chiếm tỷ lệ cao trong vỏ Trái đất. Bảng 1.3 chỉ ra các thành phần ion có trong nước biển với nồng độ lớn hơn 10fAmol/kg. Hầu hết các thành phần ion đa lượng là ít thay đổi (trừ Sr2+, HCO 3' và cc>32‘) các ion này chiếm hơn 99.4% khui lượng các chất hòa tan trong nước biển.

Bảng 1. 3. Các thành phần ion chính trong nhóm yếu tổ ít thay đổi

Cations " ■... Anions

Nguyên tố

mmol/kg meq/kg Nguyên tố mmol/kg meq/kg

Na+ 469.09 469.06 cr 545.86 545.86 Mg2+ 52.82 105.64 SO42' 28 24 56.48 Ca2+ 10.28 20.56 Br’ 0.84 0.84 K+ 10.21 10.21 F' 0.07 0.07 Sr2+ 0.09 0.18 . Li+ í 0.02 0.02 í Cations 605.67 I Anions 603.25

(18)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biển 17

ỉ. 2.2. Nhóm các yêu tố có hoạt tính sình học

Là các thành phần hòa tan trong nước biển và nồng độ của các nguyên tố này chúng tạo ra các cấu trúc phân bố (profile) thắng đứng theo độ sâu, được sử dụng ở trong tầng nước bề mặt và tầng quang hợp bởi thực vật; và được phóng thích ở các lớp nước sâu bởi các mảnh vụn của xác sinh vật chìm xuống, phân hủy. Ví dụ như các yếu tố dinh dường cung cấp cho thực vật nổi phát triển ( í\ NO3" và H C 0 3'X oxy trong quá trình hô hấp, là các vếu tố cần thiết tạo thành các vỏ tế bào của thực vật phù du (như Si và Ca) và yếu tố dạng vết (trace) rất cần thiết cho sự sinh trưởng (ví dụ như sắt - Fe) hoặc tương tác trong các thực vật phù du (như Cd và Zn). Hai ion chính là HCO3- và CO32', trone khi các muối dinh dường p, N và Si có nòng độ dao động từ nmol đến Ịimol/kg.

Các hợp chất dinh dưỡng vô cơ

Theo cách gọi, các chất dinh dưỡng là các chất và hợp chất hoá học cần thiết cho sự sống. Với quan niệm đó, trong tự nhiên nói chung và trong nước biển nói riêng có rất nhiều chất và hợp chất vô cơ được gọi là "dinh dưỡng" như p, N, Si, Ca, K, s, Fe... Đặc tính quan trọng này được quy định bởi 2 nguyên nhân: một là, các nguyên tố p, N, Si là những đơn vị cơ bản của cấu trúc tế bào nôn thiếu nó thì không có sự sống; hai là, sự tồn tại trong nước biển với nồng độ nhỏ bé đẩ làm cho các nguyên tố này trở thành các điều kiện giới hạn của các quá trình sinh học (cụ thể là quá trình quang hợp). Chính vì vậy, nồng độ và biến động các nguyên tố của muối dinh dưỡng trong biến luôn luôn có ỉicn quan chặt chẽ với các quá trình sinh hoá học xảy ra trong môi trường nước biến

a. Hợp chất Phối pho trong nước biên

Trong nước biển, Phốt pho không tồn tại ở dạng nguyên tử độc lập mà có mặt trong thành phần của nhiều hợp chấl hữu cơ (kể cả chất sốn^) và vô cơ, dưới dạng lơ 1 ửn£ hay hoà tan. Neu không kể đến Phôt pho trong tế bào của các cơ thể sống thì trong nước biển, Phot pho có 4 dạng tồn tại là Phot pho hữu cơ lơ lửng (Phdi)* Phốt pho hữu cơ hoà tan (P h c h tX Phốt pho vô cơ lơ lửng (Pvcii) và Phốt pho

vô cơ hoà tan (Pvcht)’ Tổng lượng Phot pho trong nước biển được biểu diễn như sau:

(19)

Phốt pho hữu cơ tồn tại ở dạng ỉơ lửng trong nước biển có trong thành phần các chất hữu cơ là xác chét động thực vật, mảnh vụn hay cặn bã của quá trình hô hấp, bài tiết của sinh vật... Dưới tác dụng của các quá trình sinh hoá với sự tham gia của vi khuẩn hoặc lên men, Phốt pho hữu cơ dạng lơ lửng có thể chuyển thành dạng hoà tan. Thực chất, đây là một trong các giai đoạn của quá trình phân huỷ chất hữu cơ lơ lửng để chuyển thành dạng chất hữu cơ hoà tan trong đó có Phốt pho. Có thể một phần Phốt pho hữu cơ hoà tan tồn tại dưới dạng keo. Phốt pho vô cơ dạng lơ lửng trong nước biển có nguồn gốc từ các nham thạch phun trào hoặc trầm tích. Các chất lơ lửng này do sông đưa ra biển, một phần bị kết tủa hoặc lắng chìm xuống đáy, một phần sẽ chuyển sang dạng hoà tan nhờ tác dụng của nước biển. Phot pho vô cơ hoà tan trong nước biển tồn tại ở dạng axít Phốtphoric và các dẫn xuất phân iy của nó. Đây là dạng tồn tại có ý nghĩa nhất của các hợp chất Phot pho trong biển bởi vì thực vật chủ yếu sử dụng Phốt pho dạng này để tổng hợp chất hữu cơ. Phốt pho với ý nghĩa là một hợp phần dinh dưỡng trong nước biển cung hoàn toàn do dạng tồn tại này tạo nên, mặc dù có ý kiến cho rằng thực vật cũng có thể đồng hoá được Phốt pho có trong một số chất hữu cơ đơn giản.

Như vậy, Phôtphoric trong nước biển thường xuyên tồn tại với 4 tiểu phần (4 dạng) là H3PO4, H2P 0 4\ HPO4' 2, PCV 3. Cả 4 dạng này được gọi chung là các Phốt phát, chúng tồn tại trong mối cân bằng động và có thể chuyển hoá cho nhau tuỳ từng điều kiện cụ thể. Do không thể tách riêng từng tiểu phần nên xác định nồng độ Phốt phát trong nước biển thực chất là xác định tổng nồng độ của cả 4 tiểu phần này và thường biểu diễn qua khối lượng của nguyên tố Phốt pho hoặc ion PO4 ' 3 có trong các dạng đó.

Cũng như một số chất vô cơ khác, Phot pho trong nước biển có sự vận chuyển tuần hoàn từ môi trường vào sinh vật rồi lại trở lại môi truờng tạo nên chu trình Phot pho. (Cụ tỉiể, khi Phọt pho vô cờ^ở dạng các Phot phát có trong môi trựờng được thực vật sử dụng vào quang hợp, nó đã được chuyên hoá thành Phốt pho liên két trong tế bào thực vật (nằm chủ yéu ở cấu trúc ATP và TPN-H), tiếp dỏ được chuyển hoá thành Phot pho liên kết trong tế bào các động vật từ bậc thấp tới bậc cao trong chuỗi thức ăn ở biển. Khi các sinh vật chết đi, Phốt pho được chuyến hoá thành dạng liên kết lơ lửng, để rồi nhờ quá trình phân huỷ và khoáng hoá, Phot pho vô cơ (các Phot phát) được tái phục hồi cho môi trường. Mức độ và cường độ sử dụng Phốtpho vô cơ có trong môi trường nước biển của các dạng

(20)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biẻn 19

thực vật là rất khác nhau, phụ thuộc vào nhiều điều kiện sinh học, sinh thái học và môi trường như sinh vật lượng, tính chất thành phần loài, kích thước cá thể, nhiệt độ môi trường, cường độ chiếu sáng... và do vậy có liên quan tới rất nhiều yếu tố hải dương. Tuy nhu cầu Phốt pho của các sinh vật biển nói chung khồng nhiều như nhu cầu đối với Nitơ và Silic (kém Nitơ khoảng 7 lần, kém Silic khoảng 32 lần) nhưng Phốt pho lại đễ trở thành yếu tố giới hạn trong quang hợp bởi nồng độ các Phot phát trong nước biển quá nhỏ bé, thậm chí có lúc không thoả mãn nhu cầu của quang hợp. Khi quang hợp với cường độ cao, nồng độ các Phot phát có thể giảm đến 0, sẽ dẫn đến hiện tượng quang hợp tạm ngừng lại. Cho đến khi Phốt phát được tái phục hồi (hoặc được bổ sung từ một nguồn nào đó), quang hợp lại tiếp tục hoạt động ở một chu kỳ mới.

Nồng độ các Phốt phát hoà tan trong nước biển thường dao động trong giới

3 ~ ,

hạn tương đôi rộng, từ 0 đên 100 mgP/m . Tại môi vị trí và môi thời điêm, nông độ các Phốt phát phụ thuộc vào tương quan giữa quá trình hấp thụ và sản sinh chúng. Phân bố Phốt phát theo mặt rộng trong lớp nước tầng mặt (hay tầng quang hợp) của đại dương thế giới có quy luật chung là nồng độ Phot phát ở vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới thấp nhất (thường nhỏ hơn 0,2 jigAt.P/l), ở vùng xích đạo cao hơn (khoảng 0,2 đến trên 0,5ịX g-At.P/1) và đạt cực đại ở các vùng biến vĩ độ cao. Cụ thể, các vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới có nhiều điều kiện thuận lợi cho sự sống, đặc biệt là năng lượng bức xạ dồi dào, đó chính là các vùng biển có cường độ quang hợp mạnh nhất nên lượng Phốt phát bị tiêu thụ nhiều nhất. Cùng với điều đó, mức độ ổn định cao theo phương thẳng đứng của các khối nước vùng biển nhiệt đới đã cản trở sự xáo trộn, dẫn đến hạn chế sự bổ sung Phốt phát từ lớp nước tầng sâu lẽn lớp quang hợp.

Theo thời gian, nồng độ Phốt phát có 2 chu kỳ biến đổi: chu kỳ mùa và chu kỳ ngày đêm. Cả 2 chu kỳ này đều phụ thuộc vào biến đổi của quang hợp và do vậy nó chỉ xảy ra ở lớp nước tầng trên. Riêng đối với vùng biển ven bờ, quy luật biến đổi theo mùa của Phốt phát còn có thể bị chi phối bởi sự biến thiên của lưu lượng nước từ lục địa đổ ra biển.

b. Hợp chất Nitơ vô cơ trong nước biển

Các hợp chất của Nitơ trong nước biển cũng đa dạng như của Phốt pho, nhưng các quá trình ảnh hưởng tới nồng độ của chúng còn phức tạp hơn nhiều. Nitơ tồn

(21)

tại trong nước biến ngoài dạng phân tử khí N 2, 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 Phổi pho, trong nước biển các hợp chất của Nitơ cũng có 4 dạng tồn tại. Phần quan trọng và có ý nghĩa nhất của các hợp chất Nitơ trong nước biển là hợp phần Nitơ vô cơ hoà tan, tồn tại ở dạng ion Ammonium (NI-Ỉ4+) Nitrite (N 0 2") và Nitrate ( N O 3 ) . Đây là dạng muối Nitơ vô

cơ tồn tại mà thực vật có thế đồng hoá được 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 đinh dưỡng của Nitơ trong nước biến hoàn toàn do quá trình này tạo nên.

Giữa các dạng Nitơ vô cơ và hữu cơ cũng có sự chuyền hoá lẫn nhau tương tự Phot pho. Sự chuyển hoá xảy ra trong hai chu trình trái neược: quang hợp và phân huỷ chất hữu cơ. Nitơ trong các hợp chất Nitơ vô cơ (NH4+, N 0 2‘ , N O /) khi được thực vật đồng hoá trong quá trình quang hợp đã tham gia vào thành phần mô của thực vật và trở thành Nitơ liên két trong tế bào thực vật, tiếp đó đuợc chuyển hoá thành Nitơ liên kết trong tế bào độne vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau. Ngược lại, quá trình phân huỷ và khoáng hoá các tàn tích hữu cơ ở các giai đoạn khác nhau đã chuyển hoá hầu hết Nitơ liên kết trong các chất hữu cơ thành các hợp ch4t Nitơ vô cơ trả ỉại cho môi trường.

Tương tự như đối với phot pho, quang hợp của thực vật biển, chủ yếu là thực vật phù du là quá trinh duy nhất làm giảm nồng độ Nitơ vô cơ trong nước biển. Do vậy nguồn tiêu thụ các hợp chất dinh dường Nitơ vô cơ cùng chỉ xuất hiện ở các lớp nước tầng trên, nơi có hoạt động quang hợp. Tốc độ hấp thụ Nitơ vô cơ đương nhiên phụ thuộc vào cường độ quang hợp và do đó phụ thuộc nhiều vào 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 ticu nồng độ các hợp chất dinh dưỡng Nitơ vô cơ, khi đó thực vật tạm ngừng phát triển. Cho đến khi Nitơ vô cơ được lái phục hồi (hoặc được bồ sung từ một nguồn nào đó), thực vật lại tiếp tục phát triến ở một chu kỳ mới. Mặc dù đã biết khá rồ về lượng Nitơ được thực vật đồng hoá, song tỷ lệ đồng hoá Nitơ ở các dạng NH4\ N 02 , NO,ì' còn chưa được nghiên cứu nhiều. Theo một số tác giả, dạng Nitrate thường dược thực vật biển sử dụng nhiêu hơn, ticp đó là dạn^ Ammonium và cuôi cùng là Nitrite.

Dòng nước từ lục địa đổ ra biển là một nguồn bố sung Nitơ vô cơ cho biển. Với lưu lượng nước 35,5 nghìn km3/năm và nồng độ trung bình các hợp chất

(22)

ChiPơng I. Thành phần hoá học cùa nước biển 21

Nitơ vô cơ trong nước sông khoảng 0,3 mgN/ỉ, hàng năm dòng nước từ lục địa đă tải ra biên trên 10 triệu tấn Nitơ vô cơ dưới dạng các muối Ammonium và Nitrate. 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 trưng của dòng chảy từ lục địa đố ra. Nước mưa rơi từ bầu khí quyển cũng ỉà một nguồn bổ sung Nitơ vô cơ cho biển. Nồng độ trung bình các hợp chât Nitơ vô cơ trong nước mưa khoảng 0,1- 0,2 mgN/1, khi có hiện tượng phóng điện trong khí quyển, nồng độ này có thê cao hơn.

Nguồn cơ bản của các hợp chất Nitơ vô cơ trong nước 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 cua hoạt động hô hấp, bài tiết trong đó có cả thức ăn chưa tiêu hoá hết bao gồm các hợp chát khác nhau như Amonic, Ưre, Trimetylamin, axit amin và Ammonium, Nitrite, Nitrate được thải trực tiếp ra môi trường có thể sẽ được thực vật sử dụng ngay. 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 của hoạt động 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 ca trong đó có các hợp chất Nitơ vô cơ được trả Ịại 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 lên men. So với tái sinh gián tiếp Phốt pho 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, như là một trong những đơn vị cấu trúc cơ bản của protit. Khác với các hợp chat Phot pho vô cơ là dẫn xuất phân ly của axít yếu H 3 P O 4 , các hợp chất Nitơ v ô cơ tồn tại trong nước biển ở

dạng ion độc lập nên chúng không nằm trong hệ cân bằng kiểu axít phân ly. Tuv nhiên trong những điều kiện nhất định chúng vẫn có thế chuyển hoá lẫn nhau bằng các quá trình sinh hoá học.

v ề phân bố: Đối với Nitrate, quy luật phân bố, biến động cùng các neuyên nhân chi phối đến nó hoàn toàn tương tự Phốt phát. Riêng đối với Nitrite và Ammonium do ảnh hưởng quá trình đạm hoá nên xu thế phân bố và biến dộng bị biến dạng ít nhiều. Trong nước biến, nồng độ Nitrate có thể biến đổi từ 0 đến 400-500 mgN/m3. Phân bố Nitrate trong lớp mặt đại dương có quy luật giảm dần từ các vùng biển vĩ độ cao xuông vùng biên nhiệt đới và xích đạo. Trong lớp

(23)

nước sát mặt ở vùng biển nhiệt đới rất hay gặp hiện tượng không có Nitrate vì chúng bị thực vật phù du hấp thụ nhanh chóng, mặt khác, sự ổn định của cấu trúc thẳng đứng các khối nước đã cản trở sự trao đổi dinh dưỡng giữa tầng quang hợp với các tầng sâu. Theo độ sâu, phân bố nồng độ Nitrate cũng tương tự như Phot phát với xu thế tăng theo độ sâu và đạt cực đại trong lớp oxy cực tiểu. Tuy nhiên, do quá trình tái sinh gián tiếp Nitơ ở các lớp nước sâu và đáy chậm hơn so với tái sinh Phốt pho nên cực đại của Nitrate thường nằm sâu hơn của Phốt phát. Theo thời gian. Nitrate cũng có 2 chu kỳ biến đổi: chu kỳ mùa và chu kỳ ngày đêm. Cả hai chu kỳ này đều phụ thuộc vào biến đồi của quang hợp tương tự như đối với Phốt phát. {Đoàn Văn Bộ, 200Ỉ)

Nồng độ trung bình Nitrite trong lớp nước mặt biển khá nhỏ, chỉ vào khoảng

3 3

10 mgN/m , ít khi đạt tới 20-30 mgN/m . Nitrite là sản phâm trung gian của quá trình đạm hoá nên không bền, mùa đông thường biến mất do bị chuyển thành Nitrate, mùa xuân xuất hiện do bắt đầu phân huỷ và khoáng hoá chất hữu cơ mới, cuối hè-đầu thu đạt cực đại. Nitrite chỉ tồn tại ở các lóp nước tầng trên, cực đại thường ở dưới lớp quang hợp, khoảng hơn 50m sâu. Cực đại của Nitrite thể hiện rồ nhất vào mùa thu khi cường độ quá trình khoáng hoá chất hữu cơ lớn nhất. Ở các độ sâu lớn hơn nồng độ Nitrite không đáng kể.

Nồng độ trung bình Ammonia trong lớp nước mặt biển vào khoảng 20- 25

3

mgN/m . Theo độ sâu do ảnh hưởng của quá trình nitrate hoá nên nông độ Ammonia giảm. Ammonia thường tăng cao trong mùa thu đồng khi quá trình phân huỷ chất hữu cơ xảy ra mạnh mẽ, giảm vào mùa xuân hè khi quang hợp với cường độ cao.

c. Hợp chất Siỉic vô cơ trong nước biển

Silic là một trong các nguyên tố dinh dưỡng được các sinh vật đồng hoá để tạo nên lớp vỏ của mình. Cũng như các hợp chất dinh dưỡng vô cơ Phốtpho và Nitơ, Silic trước hết được các thực vật đồng hoá trong quá trình quang hợp, tiếp đó được các động vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau đồng hoá. Nhu cầu Silic trong quang hợp của các loài thực vật biển là không như nhau, cỏ thề có loài cần nhiều, có loài cần ít. Theo Sverdrup, tỷ lệ đồng hoá Silic so với các nguyên tố dinh dưỡng khác trong quang hợp của các loài tảo khuê (tảo silic) là C:Si:N:P-- 42:28:7:1.

(24)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biền 23

với Nitơ và Phốtpho. Tuy nhiên, do có nguồn dự trữ dồi dào trong vỏ Trái đất nên Si lie luôn có mặt trong nước biển với nồng độ khá lớn, bao giờ cũng thoả mãn nhu cầu quang hợp của thực vật. Do vậy, Silic không bao giờ là yếu tố giới hạn của quá trình quang hợp.

Trong nước biển, Silic tồn tại ở nhiều dạng: dung dịch phân tử (của các phần tử Silicate và axit Sílisic), huyền phù (của dạng ôxít Silic - Si0 2 .yH2 0 , các khoáng chất, các hạt sét) và liên kết trong tế bào sinh vật hoặc trong các chất hữu cơ. Trong số các dạng tồn tại này, dạng đung dịch phân tử chiếm ưu thế và cũng được nghiên cứu nhiều hơn do ý nghĩa "dinh dưỡng" của nó, thực tế, các sinh vật quang hợp cũng chỉ đồng hoá được Silic ở dạng này.

Trong nước biển, các nguồn cung cấp để làm tăng và giảm nồng độ Silic cũng tương tự như đối với Phốt phát, đó là bị thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp, được tái sinh trực tiếp từ các hoạt động hô hấp, bài tiết của sinh vật, được tái sinh gián tiếp từ quá trình phân huỷ và khoáng hoá tàn tích hữu cơ ở các lớp nước sâu và đáy và được bổ sung từ dòng lục địa. Quá trình tái sinh gián tiếp Silíc thường xảy ra nhanh hơn so với tái sinh Nitơ và Phốt pho vì sau khi động vật ăn khuê tảo chết đi, vỏ Silíc dễ dàng bị tách khỏi xác của chúng. Nhưng chuyển Silíc thành dung dịch phân tử đòi hỏi khoảng thời gian nhất định.

Ngoài các nguồn cung cấp như đã nêu, trong nước biển Si lie còn có những nguồn riêng của mình, đó là: hoà tan các vật chất lơ lửng, các nham thạch ở đáy và bờ biển, bờ đảo, hoà tan các bộ xương và các lớp vỏ silic của xác sinh vật; Silic có thể bị hấp thụ bởi các vật lơ lửng trong nước biển và do đó bị lắng đọng theo chúng xuống các lớp nước sâu và đáy. Trong nước biển, mặc dù Silic tồn tại

3

với nồng độ khá lớn (từ vài chục tới vài nghìn mgSi/m ) song giá trị này còn nhỏ hơn nhiều so với độ hoà tan của nó. Vì vậy nước biển không thề bão hoà các ion Silicat và do đó không thể có kết tủa Silic bàng con đường hoá học. Tuy vậy lượng Silíc được tách khỏi nước biển và đi vào trầm tích khá lớn. Điều này chính là do các vật chất khác nhau có mang Silic chìm lắng xuống đáy biển, ví dụ, bùn khuê tảo chiếm tới 1 0% diện tích đại dương thế giới.

(25)

Đo ũki (km) H*SỉQ, (pnral/hg) 50 60 90 DO 5 S3 Ca<fỉmol/kg) m

Hình 1. 6. Phân bố thẳng đứng của axít silic và calcium (lả các yếu tố hoà tan được

phóng thích từ các hạt khoáng và carbonate vào trong nước biển)

Nồng dộ của Silic vô cơ trong nước biển dao động khá rộng từ vài chục tới vài nghìn mgSi/m3, ở các vùng biển ven bờ, cửa sông có thể tới vài chục nghìn mgSi/m'\ Nét đặc trưng nhất của Silic vô cơ trong nước biển là luôn luôn có mặt với nồng độ cao kể cả lức sinh vật quang hợp với cường độ mạnh nhất. Trong lớp nước biển bề mặt, phân bố Silic vô cơ có xu thế giảm dần từ các vùng biển vĩ độ cao tới các vùng biến nhiệt đới - xích đạo. Đặc trưng này hoàn toàn do cường độ quang hợp của thực vật nổi ở các vùng biển chi phối, tưong tự như đối với Phốt pho và Nitơ. Theo độ sâu, nồng độ Silíc tăng đần, song không thể hiện rõ vùng cực đại như đối với Phôt phát và Nitrate. Cực đại của Silíc thường xuất hiện ở độ sâu rất lớn hoặc ở đáy (hình 1.6). Các biến đổi theo thời gian của Silic cũng tương tự của Phốt phát, nghĩa là cũng liên quan với pha hoạt động quang hợp. Tuy nhiên do nồng độ Silic trong nước biển khá ỉớn nên các đao động nồng độ Silic do ảnh hưởng của hoạt động quane hợp gây nên không rõ như dao động của Phốtpho và Nitơ. Đối với các vùng biền ven bờ, biến đổi năm của nồng độ Silic phụ thuộc chặt chõ vào bicn đồi của lưu lượng nước từ lục địa đổ ra biển.

1,2.3. Nhỏm vếu tố de hấp phụ hay còn gọi lả nhóm nguyên tô vi lượng

Nhóm vếu tố nàv có phân bố thăng đứng ngược với nhóm yếu tố có hoạt tính sinh học. Nồng độ thường cao ở tầng mặt và giảm dần theo độ sâu, lý do là các

(26)

Chương I. Thânh phần hoá học của nước biển 25

yêu tố nhóm này hấp thụ bởi các hạt nhỏ lắng xuốne đại dương (hình 1.7a, L7b). Trong trường hợp các yếu to này tập trung cao ở bề mặt, điều này có thể do các hạt bụi có chửa kim loại được gió đưa từ đất liền ra biển.

Các nguyên tố vi lượng là các nguyên tố mà nồng độ của chúng trong nước biển nhỏ hơn 1 mg/1. Đây là nhóm có số lượng nhiều nhất trong thành phần hoá học của nước biến, nhưng khối lượng chỉ chiếm khoảng 0 ,0 1% tổng các chất khoáng rắn hoà tan. Các nguycn tố vi lượng trong nước biến rất có ý nghĩa đối với các quá trình sinh vật và địa hoá trong biển. Người ta đã chứng minh và khang định rằng sự tồn tại của kẽm, đòng, Vanadi, Coban, Bo và nhiều nguyên tố khác trong mô sinh vật có ý nghĩa sinh lý lớn lao. Ví dụ, đồng không chỉ cấu tạo nên Hemoxyanin (sắc tố hô hấp của nhiều động vật không xương sống) mà còn là thành phần của hồng cầu, Vanadi tham gia vào quá trình hô hấp của một số động vật xoang tràng, sắt rất cần thiết cho khuê tảo phát triển... Tuy nhiên, nhiều nguyên tố vi lượng trong nước biển lại là các độc tố có hại cho đời sống của thuỷ sinh vật và cho con người khi sử dụng các sản phẩm biển (như thuỷ ngân, Cadimi, các chất phóng xạ, thuốc trừ sâu...).

Cũng như vậy, mặc dù nhiều nguyên tố vi lượng có ý nghĩa sinh - hoá - lý đối với đời sống sinh vật biển song sự hấp thụ và tích luỹ quá giới hạn trong cơ thể lại là điều bất lợi.

Mn (nmol/kg) Đò sâu (krn) AI (nmol/kg) í 10 lí 20 2Í .0 35 ỉ í

Hình 1.7a. Phân bố của các thành phần kim loại vết theo các tầng sâu trong các đại

(27)

Fe (nM) I 1 Đd sâu a " (kín) 4 s 0.2 0.4 060 6 0 8 1,0 . 1 Zn (nmol/kg) 2 4 ế 8 10 Đá tây í Unh dưong ị 7 dương \ J í Đô sâu (km) « I . bĐại Uy đoưng Cả (nmol/kg) sâu (kíĩi) ì 4 )^Tháỉ bình # 4ưwig t DIP (ịirnol/Xg)

Hình 1.7b. Phân bố của các thành phần kim loại vết theo các tầng sâu trong các đại

dương trên thế giới

J.2.4. Nhóm các chât khí hòa tan

Một trong hai loại khí hòa tan trong nước biển là: khí trơ hoặc khí có hoạt tính hóa học và sinh học (ví dụ 02 và C 0 2). Các khí hòa tan là một phần không thể tách rờị của thành phần hóa học nước biển. Ở trạng thái cân bằng, hoặc khí bão hòa có tương quan với một hàm của nhiệt độ (ở vùng nước lạnh có thể giữ khí ở trạng thái cân bằng hơn). Quá trình tan một chất khí nào đó từ khí quyển vào trong nước biển là quá trình thuận nghịch và hướng của quá trình phụ thuộc và áp suất của khí đó trên mặt biển. Nếu áp suất của chất khí trên mặt biển lớn hơn áp suât của chính khí đó trong nước biên thì phân tử khí sẽ tiêp tục đi vào trong nước biên, và ngược lại. Quá trình này luôn luôn có xu thế đạt tới trạng thái cân băng, là trạng thái mà áp suất chất khí trong hai môi trường bằng nhau. Tại trạng thái cân bằng, có bao nhiêu phân tử khí từ khí quyển đi vào nước biển thì có bấy

(28)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biển 27

nhiêu phân tử khí đi ra từ nước biển vào không khí. Trạng thái như vậy gọi là trạng thái cân bằng động. Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, nồng độ chất khí trong nước biển gọi là nồng độ bão hòa. Tính ổn định của nồng độ khí sẽ dao động với sự biến động của nhiệt độ tầng mặt của các đại dương, bởi nhiệt độ càng giảm khi càng xuống tầng sâu, khi đó, các khí hòa tan sẽ tăng theo độ sâu. Việc xác định nồng độ khí bão hòa dựa theo công thức Henri-Danton:

C r K i P i

Trong đó: Ci là nồng độ bão hòa của chất khí i trong nước biển Pi là áp suất của khí đó trên mặt nước biển.

Ki là hệ số tỷ !ệ (còn gọi là hệ số hấp thụ) phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, độ mặn.

Định luật Henri-Danton có thể dùng để giải thích nhiều hiện tượng trong quá trình hòa tan các khí từ khí quyển vào nước biển. Ví dụ: nếu nồng độ các khí trong nước biển vượt quá nồng độ bão hòa, nó sẽ tự trở lại khí quyển, ngược lại, khí quyển tiếp tục cung cấp khí cho nước biển. Tuy nhiên, trong những trường hợp cụ thể vẫn có thể tồn tại trạng thái quá bão hòa hoặc chưa bão hòa trong khoảng thời gian dài. Chẳng hạn khi gặp những điều kiện thuận lợi (ánh sáng, nhiệt, muối, dinh dưỡng thích họp) sinh vật quang hợp với cường độ cao sẽ làm nồng độ oxy hòa tan tăng lên trên mức bão hòa. Do chưa kịp thoát ra khí quyển hoặc tốc độ thoát ra khí quyển nhỏ hơn nhiều so với tốc độ giải phóng oxy trong quang hợp, dẫn đến khí oxy vẫn tiếp tục được tích lũy, sẽ dẫn đến hiện tượng trạng thái quá bão hòa được duy trì.

Trong môi trường của nước biển hai loại khí quan trọng nhất đối với môi trường sống trong các đại dương đó là khí oxy và khí carbonic

k h í oxy hộa.ían: trong môi trường nước biển khí oxy hòa tan tồn tại dạng phân tử tự do, là một trong yếu tố thủy hóa quan trọng liên quan đến hàng loạt các quá trình xảy ra trong nước biền. Oxy hòa tan tham gia vào hầu hết các quá trình oxy hóa các chất và hợp chất, trong đó đáng kể nhất là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ. Sự phân bố theo không gian và thời gian của oxy hòa tan trong nước biển chịu tác động bởi nhiều quá trình và các hiện tượng tự nhiên, trong đó đáng kể nhất là quá trình tương tác biển - khí quyển, hoạt động sống của thủy sinh vật các quá trình động lực,... Các nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy hòa tan

(29)

trong nước biền như: quá trình hấp thụ oxy từ khí quyển khi nồng độ của nó trong nước biển chưa đạt bão hòa. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn nước biến và các quá trình động lực ở lớp biên biển - khí nhự sóng, gió,..; Quá trình quang hợp của các dạng thực vật sống trong biển giải phóng khí oxy tự do (các dạng thực vật sống trong các tầng nước bao gồm các loài tảo đơn bào và đa bào, các thực vật lớn sống môi trường nước và đáy). Ngoài ra, các quá trinh làm suy giảm oxy trong nước biến bao gồm: quá trình thoát khí vào khí quyển, quá trình hô hấp của các sinh vật sống, quá trình oxy hóa và phân hủy các chất vô cơ và hữu cơ,...

Khí Carbonic (CO2) có ý nghĩa rất quan đối với các quá trình sinh học, sinh hóa và chu trình sinh địa hóa trong môi trường biển. Trong chu trình carbon của tự nhiên, khí CO2 là một mắt xích quan trọng trong việc chuyển carbon từ khí quyển vào thành phần các khoáng vật và sinh vật. Đặc biệt, tương quan nồng độ CO2 trong nước biển và trong khí quyển rất có ý nghĩa đối với khí hậu của Trái đất. Neu không có sự hấp thụ C 02 trong khí quyển thì hiệu ứng nhà kính trên Trái đất sẽ còn nghiêm trọng hơn rất nhiều so với hiện nay. Như vậy, khí CO7 hòa tan trong nước biển là một hợp phần hóa học tham eia vào cả ba mối tương tác: biển - khí quyển, biển - thạch quyển, và biến - sinh quyển. Các nguồn quan trọng và chủ yếu nhất cung cấp CO2 cho nước biển bao gồm: hấp thụ CO2 từ khí quyển khi nồng độ chưa đạt bão hòa, phân hủy tàn tích hữu cơ trong nước biển và trâm tích đáy, quá trình lên men, hô hấp của sinh vật sống trong biển. Ngoài ra C 02 đi vào biển có thể qua các con đường thứ yếu khác như mạch nước ngầm chảy vào biến, từ các dòng sông tải ra hoặc từ các hoạt động núi lửa,... Các nguồn tiêu thụ và làm giảm CO2 trong nước biển gồm: thoát ra ngoài khí quyển khi nồng độ quá bão hòa, hoạt động quang hợp của thực vật, hòa tan các muối carbonate ở đáy và các ỉục địa.

2. Quá trình sinh học trong môi trường biến

Gần như tất cả các phản ứng hóa học trong nước biển đều được diễn ra thông qua sinh học hoặc là sự trao đối chất xúc tác bằng sản phấm enzym sinh học. Điêu quan trọng nhất chính là quá trình quang hợp và hô hấp. Quá trình quang; hợp sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra các hợp chất hữu cơ bao gồm khoảng 65% proteins, 20% lipid và 15% carbohydrate. Mầu hết các chất hữu cơ đuợc sản sinh ra tron2 quá trình quang hợp nằm ở dạng rất nhỏ (đường kính < 1 0 0 Ịim),

(30)

Chương I. Thành phần hoá học của nước biẻn 29

nhưng một sô nàm ở dạng chất hữu cơ hòa tan (Dissolved Organic Matter- DOM). Một số loài thực vật và động vật rất nhỏ thì tạo ra các lớp vỏ ở dạng khoáng chất vô cơ bao gồm chủ yếu là canxit và Aragonit (C aC 03) và Opal (S i0 2). Trong đó khoảng từ 1 0% đến 30% chất hữu cơ và hầu hết chất khoáng vô cơ sản sinh ra trong vùng ưu quang sẽ đi vào trong các thành phần lãng đọng hoặc được các khối nước vận chuyển, phân hủy hoặc đi vào các ỉớp nước sâu. Một phần nhỏ các mảnh vụn của các hạt vật chất hữu cơ lơ lửng ( 0 .1 -1 .0 % ) ở tầng bề mặt đại dương sẽ lắng đọng vào các lớp trầm tích biển; các khoáng vật mảnh lớn sẽ hòa tan hoặc đưa vào trầm tích.

2.1. Sinh vật phù du

Vi khuẩn

Vi khuẩn là sinh vật đơn giản có kích thước vào khoảng 1 Ịim, bao gồm cả hai loài tự dưỡng và dị dưỡng. Mật độ vi khuẩn vào khoảng 105-107 tế bào/cm3, và ở tầng mặt thường có mật độ cao. Tầm quan trọng của vi khuấn quang hợp tự dưỡng là đóng vai trò quang hợp ở lớp nước phía trên của đại dương. Các vi khuẩn lam Synechococus Prochỉorococcus được biết là các thực vật nổi kích thước nhỏ (kích thước pico) chiếm đa số trong các đại dương và có chứa các chất diệp lục (chỉorophyll), hấp thụ được ánh sáng.

Các loài vi khuẩn tự dưỡng ỉà sử dụng năng lượng từ phản ứng hóa học chứ không phải là từ ánh sáng mặt trời được gọi là uchemoautoírophic” và đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất sơ cấp các chất hữu cơ trong những vùng thiếu ôxy hoặc những vùng biển sâu ở các lưu vực như Biến Đen, và các vùng có núi lửa ngầm dưới các đại dương. Các chất hữu cơ này lả nguồn năng ỉượn£ rất quan trọng đối với sự sống.

Thực vật phù du

Sinh vật phù du là vi khuẩn tự dưỡng đơn bào có chứa các chất diệp lục và được xem như là thành phần vật chất hữu cơ lơ lửng trong nước biển. Chúng được phân chia thành 3 loại chính: tảo silic, tảo hình cầu, và táo roi. Tảo silic có kích thước từ nano đến micromet, nhưng ở dạng cụm chúng có chiều dài là lmm. Các tảo hình cầu là thực vật phù du có kích thước nano mét, chúng tạo ra các CaCƠ3 hình đĩa, vì vậy gọi là tảo hình cầu - "coccoliths,\ dùng bảo vệ chất nguyên sinh “protoplasm”.

(31)

Hình 1.8. Ảnh chụp qua kính hiền vi điện tử: (A) vỏ tảo siỉic có đường kính 20ụm; (B)

hình thái tảo càu với vỏ giáp - CaC03 trên giẩy lọc, đường kính 10ụm; (C) vò trùng lỗ - C aC 03 từ trầm tích biển, đường kính 100 - 200ụm (nguồn từ Kathy Newell, ĐH

Referências

Documentos relacionados

Os valores de energia metabolizável aparente (EMA) e energia metabolizável aparente corrigida para o balanço de nitrogênio (EMAn) das farinhas de silagem de peixe

Ensaio clínico realizado com 100 gestantes comparou o misoprostol vaginal na dose de 25 µg a cada três horas à dinoprostona na dose de 0,5 mg a cada seis horas, administradas por

Entendo que não tendo o autor sido capaz de se desincumbir do ônus processual que lhe competia de comprovar a ocorrência do fato constitutivo do direito alegado por ele

Se um processo tentar abrir uma fila em modo de escrita, e nesse instante não houver um processo que tenha aberto a fila em modo de acesso de leitura, o processo fica

Para entender esse processo tentamos fazer aqui uma análise cultural do projeto Recôncavo Experimental (R.E.), que tem como berço identitário o Recôncavo baiano,

As restrições do problema estão relacionados aos limites operativos (turbinagem e armazenamento) máximos e mínimos da usina hidroelétrica, e o atendimento a demanda que é

Outra classificação define as ILPI de acordo com a Capacidade Funcional (CF) destinada aos residentes: idosos independentes que necessitem ou não de órteses para auxílio,

(2003) estudando o efeito de diferentes tempos entre a pulverização do regulador a base de cloreto de mepiquat na dose de 12,5 g ha -1 do ingrediente ativo e a ocorrência de