HÓA HỌC BIỂN - CHƯƠNG 5 potx

100

Chương 5

CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG VÔ CƠ VÀ CÁC NGUYÊN TỐ VI

LƯỢNG TRONG BIỂN

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... Tuy nhiên, trong mọi trường

hợp các hợp chất vô cơ của Phốtpho, Nitơ, Silic luôn giữ vai trò trọng

yếu, tương tự như vai trò của lân, đạm trong đất đối với cây trồng. 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 nên thiếu

nó thì không có sự sống; hai là, sự tồn tại trong nước biển với nồng độ

nhỏ bé đã 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 chế độ của các nguyên tố dinh dưỡng trong biển luôn luôn có

liên quan chặt chẽ với các quá trình sinh hoá học xảy ra trong môi

trường nước biển.

5.1 CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG PHỐTPHO VÔ CƠ

5.1.1 Dạng tồn tại các hợp chất Phốtpho trong nước biển

Trong nước biển, Phốtpho không tồn tại ở dạng nguyên tử độc lập

mà có mặt trong thành phần của nhiều hợp chất hữu cơ (kể cả chất sống)

và vô cơ, dưới dạng lơ lửng hay hoà tan. Nếu không kể đến Phốtpho

trong tế bào của các cơ thể sống thì trong nước biển Phốtpho có 4 dạng

tồn tại là Phốtpho hữu cơ lơ lửng (Phcll), Phốtpho hữu cơ hoà tan

(Phcht), Phốtpho vô cơ lơ lửng (Pvcll) và Phốtpho vô cơ hoà tan (Pvcht).

Tổng lượng Phốtpho trong biển được biểu diễn như sau:

∑P = Phcll + Phcht + Pvcll + Pvcht

101

Phốtpho hữu cơ tồn tại ở dạng lơ lửng trong nước biển có trong

thành phần các chất hữu cơ là xác chết 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 men, Phốtpho 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 Phốtpho.

Phôtpho hữu cơ hoà tan trong nước biển có mặt trong các hợp chất

cao phân tử phức tạp dưới dạng gốc axít Phôtphoric và các este của nó,

trong phức chất protêin hydrat cacbon... Có thể một phần Phôtpho hữu

cơ hoà tan tồn tại dưới dạng keo.

Phôtpho vô cơ dạng lơ lửng trong nước biển có nguồn gốc từ các

nham thạch phun trào hoặc trầm tích. Trong dạng tồn tại này, ưu thế nhất

thuộc về các Apatít, Phôtphorit và phần lớn chúng tồn tại dưới dạng

muối Canxi. 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.

Phôtpho vô cơ hoà tan trong nước biển tồn tại ở dạng axít

Phốtphoric và các dẫn xuất phân ly của nó. Đây là dạng tồn tại có ý

nghĩa nhất của các hợp chất Phốtpho trong biển bởi vì thực vật đã sử

dụng chủ yếu Phốtpho dạng này để tổng hợp chất hữu cơ. Phốtpho với ý

nghĩa là một hợp phần dinh dưỡng trong biển cũng hoàn toàn do dạng tồn

tại này tạo nên, mặc dù có ý kiến cho rằng thực vật cũng có thể đồng hoá

được Phốtpho có trong một số chất hữu cơ đơn giản. Từ đây và trong các

phần tiếp theo, chúng ta chỉ dành sự xem xét đối với Phốtpho vô cơ ở

dạng hoà tan.

Như đã biết, axít Phôtphoric là một axít yếu bậc 3, trong nước biển

nó phân li như sau:

H3PO4 ⇔ H+

+ H2PO4

-

H2PO4

- ⇔ H+

+ HPO4

-2

HPO4

-2 ⇔ H+

+ PO4

-3

Như vậy, hệ Phôtphoric trong biển thường xuyên tồn tại với 4 tiểu

102

phần (4 dạng) là H3PO4, H2PO4

-

, HPO4

-2, PO4

-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 Phốtpho hoặc ion PO4

-3 có trong các dạng đó.

Theo định luật tác dụng khối lượng, các cân bằng kể trên được biểu

diễn định lượng như sau:

[H+

][H2PO4

-

]/[H3PO4] = K1

[H+

][HPO4

-2]/[H2PO4

-

] = K2

[H+

][PO4

-3]/[HPO4

-2] = K3

Trong đó K1, K2, K3 là các hằng số cân bằng, có các giá trị tương

ứng tại 22o

C là 7,51.10-3, 6,23.10-8 và 4,80.10-13. Các tính toán chỉ ra

rằng với các hằng số cân bằng như đã cho và pH của nước biển nằm

trong khoảng 8,0-8,3 thì ion HPO4

-2 có khối lượng lớn nhất, tại pH=8,0

nó chiếm 86,2% tổng nồng độ ion-gam của các dạng Phốt phát và tại

pH=8,3 nó chiếm 92,6%. Cũng với các giá trị pH đó, ion H2PO4

-

chiếm

13,8% và 7,4%, các dạng H3PO4 và PO4

-3 chỉ chiếm khoảng 0,01%.

5.1.2 Vai trò của các hợp chất dinh dưỡng Phốtpho vô cơ hoà

tan trong nước biển

Phốtpho là một nguyên tố dinh dưỡng quan trọng, có trong thành

phần của ATP (Adennozin Triphotphat) và TPN-H (Triphotpho peridin

nucleotit), đó là các hợp chất hữu cơ tích trữ được nhiều năng lượng

dinh dưỡng. Các chất này chỉ được hình thành trong cơ thể khi sinh vật

sử dụng Phốtpho.

Cũng như một số chất vô cơ khác, Phốtpho trong biển có sự vận

chuyển tuần hoàn từ môi trường vào sinh vật rồi lại trở lại môi truờng

tạo nên chu trình Phốtpho. Cụ thể, khi Phốtpho vô cơ ở dạng các Phốt

phát có trong môi trường được thực vật sử dụng vào quang hợp, nó đã

được chuyển hoá thành Phốtpho liên kết trong tế bào thực vật (nằm chủ

yếu ở cấu trúc ATP và TPN-H), tiếp đó được chuyển hoá thành Phốtpho

liên kết trong tế bào các động vật từ bậc thấp tới bậc cao trong chuỗi