Tỷ lệ Redfield (Redfield ratio)

Tỷ lệ Redfield (Redfield ratio) là một khái niệm trong hóa học hải dương, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu và quản lý môi trường biển. Tỷ lệ Redfield là tỷ lệ mà nitrogen (N), phosphorus (P), và carbon (C) tồn tại trong các hợp chất hữu cơ của các sinh vật biển, như tảo và thực vật biển, và nó được đặt tên theo tên của người nghiên cứu Mary Redfield.

Tỷ lệ Redfield thường là 106:16:1, tức là có 106 nguyên tử carbon (C) cho mỗi 16 nguyên tử nitrogen (N) và 1 nguyên tử phosphorus (P). Tỷ lệ này được sử dụng để mô tả thành phần dinh dưỡng cần thiết cho các sinh vật biển, và nó có thể giúp trong việc đánh giá tình trạng môi trường biển và hiểu cơ chế của sự biến đổi hóa học trong nước biển.

Sự thay đổi trong tỷ lệ Redfield có thể dẫn đến các vấn đề về khả năng sinh trưởng và phát triển của các sinh vật biển, và nó cũng liên quan đến các vấn đề về ô nhiễm môi trường biển.

Thực vật phù du là nền tảng của hầu hết các chuỗi thức ăn ở biển. Năng lượng được khóa trong sinh khối của thực vật phù du là nhiên liệu cung cấp năng lượng cho sinh vật biển ở tất cả các cấp độ dinh dưỡng khác, cho dù là động vật phù du, vi khuẩn, sứa, vi rút, cá hay cá voi. Năng lượng được đưa vào thực vật phù du thông qua quá trình quang hợp, nhờ đó năng lượng ánh sáng mặt trời và các chất dinh dưỡng hòa tan trong nước được kết hợp để tạo thành sinh khối thực vật phù du chứa năng lượng hóa học dự trữ dưới dạng carbohydrate. Tốc độ sản sinh ra thực vật phù du mới trong đại dương ảnh hưởng đến năng suất đánh bắt cá và cũng ảnh hưởng đến khí hậu, thông qua hoạt động của máy bơm carbon hữu cơ và bằng các phương tiện khác. Do đó, có nhiều sự quan tâm đến các yếu tố kiểm soát tốc độ sản xuất thực vật phù du (sơ cấp) trong các đại dương, trong đó quan trọng nhất là tốc độ cung cấp các thành phần cơ bản, tức là chất dinh dưỡng. Một số chất dinh dưỡng, đáng chú ý nhất là nitrat và phốt phát, ít nhiều đã cạn kiệt trên phần lớn các đại dương trên bề mặt, ngăn cản quá trình sản xuất sơ cấp tiếp theo. Trọng tâm của bài viết này là các chất dinh dưỡng cần thiết cho thực vật phù du và chu trình dinh dưỡng do các tế bào thực vật phù du phân hủy trong nước ở vị trí thấp hơn nơi chúng được hình thành. ‘Tỷ lệ RedReld’ được mô tả và giải thích tính hữu dụng của chúng.

Chất dinh dưỡng là chất hòa tan trong nước mà từ đó sinh vật có thể thu được nguyên tố thiết yếu cho sự phát triển. Ví dụ, thực vật phù du đáp ứng nhu cầu về nguyên tố hóa học phốt pho bằng cách đồng hóa chất dinh dưỡng photphat. Các ion nitrat và amoni là hai chất dinh dưỡng là nguồn nitơ thay thế. Thực vật phù du đòi hỏi nhiều nguyên tố hóa học khác nhau để tạo nên các phân tử cần thiết cho sự sống. Một số nguyên tố này rất phong phú trong đại dương (ví dụ: natri, canxi, lưu huỳnh, cacbon) và không bao giờ cạn kiệt do sự hấp thụ của thực vật phù du. Những chất khác (nitơ, phốt pho, silicon, sắt) đôi khi cạn kiệt, ngăn cản sự phát triển thêm của thực vật phù du. Thảo luận về các chất dinh dưỡng có xu hướng tập trung vào những chất dinh dưỡng đôi khi hoặc thường xuyên hạn chế sự phát triển của thực vật phù du vì những lý do rõ ràng.

Một số chất dinh dưỡng (ví dụ như sắt, kẽm) chỉ có trong nước biển ở lượng rất nhỏ, nhưng những lượng vết này phải có thì thực vật phù du mới có thể phát triển. Chúng được gọi là vi chất dinh dưỡng, trái ngược với các chất dinh dưỡng đa lượng dồi dào hơn như nitơ, phốt pho và silicon. Trong khi hầu hết thực vật phù du có thể tổng hợp tế bào mới chỉ từ các chất dinh dưỡng vô cơ, thì các thực vật phù du khác yêu cầu những lần nở hoa trước đó phải bổ sung vitamin B12 vào nước vì chúng không thể tự tổng hợp được. Vì vậy vitamin B12 là chất bổ sung chất dinh dưỡng cần thiết cho một số thực vật phù du.

Tỷ lệ RedReld là tỷ lệ trong đó các nguyên tố hóa học khác nhau có mặt trong sinh khối thực vật phù du trung bình. Nó xác định tính chất cân bằng hóa học của các phản ứng quang hợp và tái khoáng hóa.

Trung bình mỗi nguyên tử phốt pho trong sinh khối thực vật phù du có sự tham gia của 16 nguyên tử nitơ và 106 nguyên tử cacbon, và tỷ lệ C:N:P 106:16:1 này là giá trị được sử dụng phổ biến nhất của tỷ lệ RedReld. Tỷ lệ này đôi khi được mở rộng cho các nguyên tố khác nhưng thường bị giới hạn ở C, N, P và O2.

Chỉ xem xét các nguyên tố hóa học có số lượng nhiều hơn và quan trọng hơn trong công thức trung bình dành cho thực vật phù du, điều này dẫn đến một phản ứng hóa học lý tưởng hóa cho sự hình thành thực vật phù du

Các chu kỳ dinh dưỡng của đại dương và những biến đổi về không gian và thời gian về nồng độ chất dinh dưỡng được kiểm soát mạnh mẽ nhất bởi sự khác biệt giữa địa điểm và thời điểm chất hữu cơ được hình thành và phá hủy. Một số quá trình khác, đặc biệt là sự dịch chuyển theo chiều ngang và chiều dọc của khối nước, cũng rất quan trọng. Tỷ lệ RedReld mô tả công thức nguyên tố của thực vật phù du và rất hữu ích trong việc tính toán tốc độ tương đối mà các chất dinh dưỡng xâm nhập và rời khỏi chất hữu cơ.

Tài liệu tham khảo

T. Tyrrell, in Encyclopedia of Ocean Sciences, 2001 

Nội dung bài viết bởi tác giả Khánh Phan - 11o2reef.com