Hotline: 
Email: 
Sinh vật tự dưỡng tự tổng hợp chất hữu cơ từ CO₂. Đây là nhóm mở đầu mọi chuỗi thức ăn trên Trái Đất. Chúng cũng giữ vai trò then chốt trong chu trình cacbon và chu trình nitơ. Bài viết trả lời 2 câu hỏi: bản chất của nhóm sinh vật này là gì, và dựa vào đâu để phân biệt chúng với sinh vật dị dưỡng.
Sinh vật tự dưỡng là gì?
Sinh vật tự dưỡng là nhóm sinh vật tự tổng hợp chất hữu cơ từ nguồn cacbon vô cơ, chủ yếu là CO₂. Chúng không lấy chất hữu cơ có sẵn từ cơ thể sống khác.
Nguồn năng lượng của chúng đến từ hai hướng. Hướng thứ nhất là ánh sáng mặt trời. Hướng thứ hai là phản ứng oxy hóa các chất vô cơ.
Sản phẩm tạo ra gồm cacbohydrat, chất béo và protein. Tên tiếng Anh của nhóm này là autotroph. Từ này ghép từ auto nghĩa là tự thân và troph nghĩa là dinh dưỡng.
Trong sinh thái học, nhóm này còn mang tên sinh vật sản xuất. Hãy tưởng tượng hệ sinh thái vận hành như một nhà máy. Sinh vật tự dưỡng đứng ở khâu sản xuất. Động vật, nấm và phần lớn vi khuẩn chỉ đứng ở khâu tiêu thụ.
Quá trình tạo phân tử giàu năng lượng từ nguồn vô cơ mang tên sản xuất sơ cấp. Toàn bộ năng lượng nuôi sống sinh quyển đi qua cửa ngõ này trước.
Sinh vật tự dưỡng có những đặc điểm nào?
Sinh vật tự dưỡng có 3 đặc điểm nhận dạng. Bạn cần đối chiếu đủ cả 3 trước khi xếp một loài vào nhóm này.
- Nguồn cacbon vô cơ: lấy cacbon từ CO₂, HCO₃⁻ hoặc CO₃²⁻. Đây là tiêu chí quyết định.
- Nguồn năng lượng ngoài chất hữu cơ: khai thác ánh sáng hoặc năng lượng từ phản ứng oxy hóa chất vô cơ.
- Tạo ra chất hữu cơ mới: sản phẩm được tổng hợp lần đầu, không phải chất hữu cơ tái sử dụng.
Giới sinh học còn ghi nhận một nhóm trung gian mang tên hỗn dưỡng. Nhóm này đứng giữa dị dưỡng và tự dưỡng. Chúng sống được trong cả hai điều kiện.
Tảo mắt Euglena là ví dụ quen thuộc. Có ánh sáng, chúng quang hợp. Thiếu ánh sáng, chúng hấp thụ chất hữu cơ hòa tan.
Sinh vật tự dưỡng gồm những ví dụ nào?
Sinh vật tự dưỡng gồm 5 nhóm đại diện phổ biến. Danh sách trải rộng từ thực vật quen thuộc đến vi khuẩn sống trong bùn đáy.
- Thực vật bậc cao trên cạn: lúa, ngô, cây thân gỗ, cây bụi. Nhóm này dễ nhận biết nhờ lá xanh chứa diệp lục.
- Tảo và thực vật phù du: tảo lục Chlorella, tảo silic, rong biển. Nhóm này chiếm ưu thế trong môi trường nước.
- Vi khuẩn lam: Anabaena, Nostoc, Spirulina. Một số chi còn cố định nitơ khí quyển.
- Vi khuẩn nitrat hóa: Nitrosomonas, Nitrobacter, Nitrospira. Nhóm này không cần ánh sáng.
- Vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh: Thiobacillus. Chúng lấy năng lượng từ hợp chất lưu huỳnh dạng khử.
Một ví dụ đáng chú ý nằm ở đáy đại dương. Ánh sáng mặt trời không chạm tới độ sâu đó.
Quanh các miệng phun thủy nhiệt, vi khuẩn oxy hóa hợp chất lưu huỳnh đóng vai trò sinh vật sản xuất. Chúng nuôi sống cả quần xã giun ống và nhuyễn thể. Hệ sinh thái này chứng minh sinh vật tự dưỡng không đồng nghĩa với thực vật xanh.
Phân biệt sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng dựa vào đâu?
Phân biệt sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng dựa vào nguồn cacbon. Nguồn năng lượng không phải tiêu chí quyết định.
Sinh vật lấy cacbon từ CO₂ vô cơ thuộc nhóm tự dưỡng. Sinh vật lấy cacbon từ chất hữu cơ có sẵn thuộc nhóm dị dưỡng.
Đây là điểm gây nhầm lẫn phổ biến nhất. Sinh vật lấy cacbon hữu cơ nhưng lấy năng lượng từ ánh sáng thuộc nhóm quang dị dưỡng. Sinh vật lấy cacbon hữu cơ và lấy năng lượng từ oxy hóa chất vô cơ thuộc nhóm hóa dị dưỡng.
Nói cách khác, hai vi khuẩn cùng dùng ánh sáng vẫn có thể khác nhóm. Bạn hãy hỏi “cacbon đến từ đâu” trước. Câu hỏi “năng lượng đến từ đâu” đứng sau.
Bảng dưới tổng hợp 5 tiêu chí phân biệt:
Tiêu chí | Sinh vật tự dưỡng | Sinh vật dị dưỡng |
Nguồn cacbon | CO₂, HCO₃⁻, muối cacbonat | Chất hữu cơ có sẵn |
Nguồn năng lượng | Ánh sáng hoặc oxy hóa chất vô cơ | Oxy hóa chất hữu cơ |
Vị trí chuỗi thức ăn | Sinh vật sản xuất, bậc 1 | Sinh vật tiêu thụ và phân giải |
Vai trò với chất hữu cơ | Tổng hợp | Phân giải |
Ví dụ điển hình | Thực vật, tảo, vi khuẩn lam, Nitrosomonas | Động vật, nấm, Bacillus, Pseudomonas |
Bảng này cho thấy hai nhóm đối lập ở mọi tiêu chí. Điểm chung của chúng là cả hai đều cần nitơ, photpho và khoáng chất để xây dựng tế bào.
Sinh vật dị dưỡng là gì?
Sinh vật dị dưỡng là nhóm sinh vật lấy cả cacbon lẫn năng lượng từ chất hữu cơ có sẵn. Chúng không tổng hợp được chất hữu cơ từ nguồn vô cơ.
Nhóm này gồm tất cả động vật. Danh sách còn có gần như tất cả các loại nấm, phần lớn vi khuẩn và động vật nguyên sinh.
Về vai trò sinh thái, chúng chia thành 2 phân nhóm. Sinh vật tiêu thụ ăn trực tiếp cơ thể sống khác. Sinh vật phân giải phá vỡ xác hữu cơ và trả khoáng chất về môi trường.
Chúng phân hủy tinh bột, protein và chất béo thành các chất đơn giản hơn. Sản phẩm gồm glucose, axit amin, axit béo và glycerol. Toàn bộ nguyên liệu đầu vào này do sinh vật tự dưỡng tổng hợp trước đó.
Hai nhóm sinh vật này liên hệ với nhau ra sao?
Hai nhóm liên hệ theo quan hệ phụ thuộc một chiều về dinh dưỡng. Về chu trình vật chất, quan hệ này mang tính hai chiều.
Sinh vật dị dưỡng phụ thuộc hoàn toàn vào sản phẩm của sinh vật tự dưỡng. Ngược lại, sinh vật tự dưỡng nhận lại CO₂ và khoáng chất do nhóm kia thải ra.
Sinh vật ăn thịt cũng phụ thuộc gián tiếp vào sinh vật tự dưỡng. Chất dinh dưỡng trong con mồi của chúng vốn bắt nguồn từ nhóm sản xuất. Chuỗi thức ăn vì thế luôn khởi đầu từ bậc sản xuất.
Vòng tuần hoàn này khép kín trong mọi hệ sinh thái. Sinh vật tự dưỡng cố định cacbon vô cơ thành chất hữu cơ. Sinh vật dị dưỡng phân giải chất hữu cơ và trả cacbon về dạng vô cơ.
Sinh vật tự dưỡng được chia thành mấy nhóm?
Sinh vật tự dưỡng được chia thành 2 nhóm theo nguồn năng lượng. Nhóm quang tự dưỡng sử dụng năng lượng ánh sáng. Nhóm hóa tự dưỡng sử dụng năng lượng hóa học.
Cách chia này phản ánh hai môi trường sống khác nhau. Nhóm thứ nhất chỉ tồn tại ở nơi có ánh sáng. Nhóm thứ hai sống được cả ở nơi tối hoàn toàn.
Sinh vật quang tự dưỡng hoạt động theo cơ chế nào?
Sinh vật quang tự dưỡng hấp thụ năng lượng ánh sáng bằng sắc tố diệp lục. Chúng dùng năng lượng đó khử CO₂ thành đường glucose.
6CO₂ + 6H₂O + năng lượng ánh sáng → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Quá trình gồm 2 pha nối tiếp. Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid, tách phân tử nước và giải phóng oxy. Pha tối diễn ra trong chất nền lục lạp, cố định CO₂ thành hợp chất hữu cơ.
Nhóm này gồm 3 đại diện chính. Thực vật bậc cao chiếm ưu thế trên cạn. Tảo và thực vật phù du chiếm ưu thế trong nước. Vi khuẩn lam phân bố ở cả hai môi trường.
Oxy trong khí quyển là sản phẩm phụ của quá trình này. Trước khi vi khuẩn lam xuất hiện, khí quyển Trái Đất gần như không chứa oxy tự do.
Sinh vật hóa tự dưỡng hoạt động theo cơ chế nào?
Sinh vật hóa tự dưỡng oxy hóa các hợp chất vô cơ dạng khử để lấy năng lượng. Nguồn cơ chất gồm amoniac, nitrit, hydro sulfua, sắt hai và lưu huỳnh. Chúng dùng năng lượng thu được để khử CO₂ thành chất hữu cơ.
Toàn bộ quá trình diễn ra độc lập với ánh sáng. Nhóm này gồm vi khuẩn và cổ khuẩn. Chúng phân bố ở đáy biển sâu, trong lòng đất và trong nước ngầm.
Hai chi tiêu biểu là Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrosomonas là vi khuẩn Gram âm, hình que. Chi này dùng amoniac làm nguồn năng lượng và CO₂ làm nguồn cacbon.
Nitrobacter là vi khuẩn hình que, Gram âm, hiếu khí. Chi này lấy năng lượng từ phản ứng oxy hóa nitrit thành nitrat.
Quá trình nitrat hóa diễn ra qua 2 bước oxy hóa nối tiếp:
- Bước 1: NH₄⁺ + 1,5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O. Nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni thực hiện.
- Bước 2: NO₂⁻ + 0,5O₂ → NO₃⁻. Nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit thực hiện.
Vi khuẩn Anammox cũng thuộc nhóm hóa tự dưỡng. Chúng oxy hóa amoni trong điều kiện kỵ khí, với nitrit làm chất nhận điện tử. Sản phẩm cuối là khí nitơ.
Sinh vật tự dưỡng giữ vai trò gì trong tự nhiên và môi trường?
Sinh vật tự dưỡng giữ vai trò khởi đầu cho dòng năng lượng và dòng vật chất trong sinh quyển. Phần lớn sinh vật khác phụ thuộc vào sản phẩm của chúng.
Vai trò này thể hiện ở 2 cấp độ. Ở cấp hệ sinh thái, chúng duy trì chuỗi thức ăn và các chu trình sinh địa hóa. Ở cấp ứng dụng, con người nuôi chúng để xử lý chất ô nhiễm.
Vai trò của sinh vật tự dưỡng trong hệ sinh thái là gì?
Sinh vật tự dưỡng đảm nhiệm 3 chức năng nền tảng trong hệ sinh thái. Không có nhóm này, hệ sinh thái mất nguồn năng lượng đầu vào.
- Cung cấp năng lượng cho chuỗi thức ăn: chúng chuyển năng lượng mặt trời hoặc năng lượng hóa học thành chất hữu cơ. Các bậc dinh dưỡng phía trên khai thác nguồn này.
- Vận hành chu trình cacbon: chúng cố định CO₂ từ khí quyển và nước vào sinh khối sống. Đây là con đường chính đưa cacbon vô cơ vào thế giới sinh vật.
- Tham gia chu trình nitơ: vi khuẩn lam cố định nitơ khí quyển thành dạng cây trồng hấp thụ được. Vi khuẩn nitrat hóa chuyển amoni thành nitrat.
Nhóm quang tự dưỡng còn tạo ra oxy tự do. Đây là điều kiện tồn tại của mọi sinh vật hiếu khí.
Nhóm hóa tự dưỡng mở rộng giới hạn của sự sống. Chúng duy trì hệ sinh thái ở những nơi ánh sáng không tới được.
Sinh vật tự dưỡng được ứng dụng vào xử lý môi trường ra sao?
Sinh vật tự dưỡng được ứng dụng để chuyển hóa các chất ô nhiễm vô cơ. Nhóm vi sinh vật dị dưỡng không xử lý được các chất này.
Bốn ứng dụng phổ biến gồm:
- Xử lý amoni trong nước thải: vi khuẩn nitrat hóa chuyển amoni thành nitrit rồi thành nitrat. Đây là bước bắt buộc để khử nitơ.
- Xử lý amoni trong nước cấp: bể lọc sinh học nuôi vi khuẩn nitrat hóa để loại amoni khỏi nước ngầm.
- Khử mùi hydro sulfua: vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh chuyển H₂S thành sulfat trong tháp lọc sinh học.
- Ổn định môi trường ao nuôi thủy sản: vi khuẩn nitrat hóa giữ nồng độ amoni và nitrit ở mức an toàn cho tôm cá.
Nhóm quang tự dưỡng phục vụ 2 hướng khác. Trong hồ sinh học, tảo quang hợp cấp oxy hòa tan cho lớp nước mặt. Trong bãi lọc trồng cây, thực vật và hệ vi sinh vật vùng rễ loại bỏ nitơ và photpho hòa tan.
Mặt trái xuất hiện khi nước thải giàu dinh dưỡng xả vào nguồn tiếp nhận. Nitơ và photpho dư thừa làm tảo phát triển quá mức. Hiện tượng này gây thiếu oxy trong nước và làm hại hệ sinh thái.
Kết luận
Sinh vật tự dưỡng là nhóm sản xuất chất hữu cơ từ cacbon vô cơ. Nhóm này chia thành 2 phân nhóm: quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng.
Căn cứ phân biệt với sinh vật dị dưỡng nằm ở nguồn cacbon. Từ căn cứ đó phát sinh 4 khác biệt còn lại. Các khác biệt gồm nguồn năng lượng, vị trí chuỗi thức ăn, vai trò với chất hữu cơ và đại diện điển hình.
Nắm chắc ranh giới này giúp bạn hiểu đúng cách vận hành của chuỗi thức ăn. Đó cũng là nền tảng để hiểu vì sao vi khuẩn tự dưỡng quyết định hiệu quả xử lý amoni trong công trình môi trường.
CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ENVICO
Địa chỉ: Lầu 3, Indochina Tower, 4 Nguyễn Đình Chiểu, P. ĐaKao, Quận 1, Tp. HCM
Hotline: 0909 794 445 (Mr.Huy)
Điện thoại: (028) 66 797 205
E-mail: admin@envico.vn
Website: Congnghemoitruong.net
Fanpage : Công nghệ môi trường Envico
