1. Khái niệm và mục tiêu
Hệ sinh thái nhân tạo là hệ sinh thái do con người chủ động tạo lập, bố trí thành phần và can thiệp duy trì. Ví dụ: bể cá cảnh, hồ nuôi cá, ruộng trồng lúa, vườn ươm và mô hình bình sinh học kín.
Mục tiêu bài thực hành:
- Vận dụng kiến thức về cấu trúc (thành phần vô sinh, sinh vật sản xuất – tiêu thụ – phân giải) và chức năng (dòng năng lượng, vòng tuần hoàn chất) của hệ sinh thái để thiết kế một hệ sinh thái nhỏ.
- Bố trí các lớp vật chất, chọn loài sinh vật phù hợp, theo dõi và đánh giá mức độ ổn định của hệ.
Hệ sinh thái nhân tạo chỉ ổn định khi thoả mãn đồng thời ba điều kiện:
- Cân bằng thành phần sinh vật: sinh vật sản xuất đủ cung cấp chất hữu cơ và ; sinh vật tiêu thụ ở mức vừa phải; sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm) đủ phân giải chất thải và xác sinh vật.
- Dòng năng lượng đến từ bên ngoài: năng lượng duy trì hệ đến từ bên ngoài, chủ yếu là ánh sáng Mặt Trời; năng lượng đi một chiều từ sinh vật sản xuất sang sinh vật tiêu thụ rồi thoát dần dưới dạng nhiệt.
- Vòng tuần hoàn chất khép kín bên trong: , và ion khoáng được tái sử dụng liên tục nhờ quang hợp và quá trình phân giải.
2. Quá trình thiết kế
- 1.Chuẩn bị nguyên liệu: bình thuỷ tinh miệng rộng có nắp; sỏi nhỏ hoặc cát sạch; đất sạch hoặc bùn ao; nước ao/hồ để lắng khoảng một ngày; các loại cây thuỷ sinh phù hợp với hệ kín như rong đuôi chó, rong la hán, bèo tấm; động vật nhỏ chịu được môi trường kín (tép, ốc sen, cá con).
- 2.Bố trí cấu trúc theo lớp: đổ sỏi xuống đáy làm lớp lọc; phủ lớp đất; rót nước vào khoảng một đến hai phần ba thể tích, chừa lại không gian chứa không khí; trồng cây xuống lớp đất; thả tép, ốc vào phần nước.
- 3.Đóng hệ: đậy nắp kín để giữ hơi nước bên trong; đặt bình nơi có ánh sáng gián tiếp, nhiệt độ ổn định, tránh nắng trực tiếp lúc trưa.
- 4.Theo dõi và ghi nhận: quan sát định kì qua nhiều ngày, nhiều tuần: sinh vật còn sống hay chết? nước có đục, có mùi? cây ra lá mới? lớp đáy có đen do tích tụ mùn? Ghi vào bảng theo dõi.
- 5.Đánh giá và điều chỉnh: căn cứ số liệu, nhận xét hệ đã ổn định hay chưa; nếu mất cân bằng thì điều chỉnh (bớt sinh vật tiêu thụ, tăng cây quang hợp hoặc tăng cường ánh sáng).
| Lớp (từ dưới lên) | Vai trò |
|---|---|
| Lớp sỏi (đáy) | Thoát nước, giữ đất không vỡ, đóng vai trò bộ lọc vật lí. |
| Lớp đất, bùn | Giữ rễ cây; là môi trường sống của vi khuẩn, nấm phân giải. |
| Lớp nước (giữa) | Môi trường sống của tép, ốc; hoà tan , và chất khoáng. |
| Khoảng không khí (trên) | Chứa cho quang hợp, lưu thông hơi nước; cây nhận ánh sáng. |
3. Vai trò các nhóm sinh vật trong mô hình
Sinh vật sản xuất (cây thuỷ sinh): quang hợp tạo chất hữu cơ, thải .
Sinh vật tiêu thụ (tép, ốc, cá con): hô hấp lấy , thải ; tiêu thụ tảo và chất hữu cơ.
- Sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm): phân giải chất thải, xác sinh vật thành , và ion khoáng để cây tái sử dụng, giúp vòng tuần hoàn chất khép kín.
- Đậy kín hoàn toàn khi chưa đủ cây quang hợp thiếu , sinh vật tiêu thụ chết hàng loạt.
- Cho quá nhiều sinh vật tiêu thụ cạn kiệt, nước đục, hệ bị phá vỡ.
- Đặt nơi thiếu ánh sáng cây không quang hợp được, dòng năng lượng gián đoạn.
- Thiếu sinh vật phân giải chất thải và xác tích tụ, tuần hoàn chất bị tắc nghẽn.
4. So sánh hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo
| Tiêu chí | Hệ sinh thái tự nhiên | Hệ sinh thái nhân tạo |
|---|---|---|
| Sự hình thành | Tự hình thành, tự điều chỉnh. | Do con người tạo ra và can thiệp. |
| Số loài | Đa dạng, nhiều bậc dinh dưỡng. | Ít loài, cấu trúc đơn giản. |
| Năng lượng | Chủ yếu ánh sáng Mặt Trời. | Ánh sáng Mặt Trời, có thể bổ sung. |
| Mức độ ổn định | Cao nhờ cơ chế tự điều chỉnh. | Thấp hơn, dễ mất ổn định nếu sai tỉ lệ. |
| Ví dụ | Rừng mưa nhiệt đới, hồ tự nhiên. | Hồ cá, ruộng lúa, bể thuỷ sinh. |
5. Ý nghĩa và ứng dụng
- Giải thích được cơ chế cân bằng sinh thái, dòng năng lượng và vòng tuần hoàn chất qua một mô hình thu nhỏ dễ quan sát.
- Ứng dụng nguyên tắc cân bằng sinh thái vào nuôi trồng thuỷ sản (hồ ao nhiều tầng), làm bể lọc sinh học xử lí nước thải, thiết kế vườn ươm cân bằng.
- Nâng cao ý thức giữ cân bằng sinh thái, không phá vỡ quan hệ dinh dưỡng khi khai thác tự nhiên.
6. Câu hỏi vận dụng
Khi lắp mô hình, nếu đậy nắp kín hoàn toàn nhưng nước bị đục và các con tép chết dần sau vài ngày, nguyên nhân có thể là gì và cần điều chỉnh thế nào?
Gợi ý trả lời
Đậy kín khi lượng cây quang hợp chưa đủ (hoặc ánh sáng quá yếu) làm nồng độ giảm, tăng; tép chết do thiếu , xác tép phân giải càng làm nước đục. Cách khắc phục: tăng số cây thuỷ sinh, đặt nơi đủ ánh sáng gián tiếp, giảm sinh vật tiêu thụ, hoặc mở nắp thoáng một thời gian để cân bằng lại khí.
Trong mô hình, nếu bỏ hết ốc sen và tép nhưng vẫn giữ cây và vi khuẩn phân giải, hệ còn là hệ sinh thái hoàn chỉnh không? Vì sao?
Gợi ý trả lời
Vẫn là hệ sinh thái nhưng bị đơn giản hoá, thiếu nhóm sinh vật tiêu thụ. Dòng năng lượng chỉ gồm sản xuất và phân giải; vòng tuần hoàn chất vẫn khép kín nhờ vi khuẩn phân giải. Hệ có thể ổn định hơn về mặt khí (cây dư ) nhưng ít đa dạng, dễ bị tảo hoặc nấm phát triển mất kiểm soát.
Một học sinh cho cá vào bể nước sạch đã khử trùng, không có cây thuỷ sinh và không có vi khuẩn. Dự đoán điều gì xảy ra? Vì sao?
Gợi ý trả lời
Cá dần chết vì thiếu thức ăn, có thể thiếu ; chất thải ammonia () từ cá tích tụ gây độc vì không có vi khuẩn nitrate hoá chuyển hoá. Đây là hệ mất cân bằng: không có sinh vật sản xuất cung cấp và thức ăn, không có sinh vật phân giải tái chế chất thải.
Vì sao hệ sinh thái nhân tạo cần can thiệp, điều chỉnh thường xuyên trong khi hệ sinh thái tự nhiên hầu như tự duy trì được?
Gợi ý trả lời
Hệ tự nhiên có nhiều loài, nhiều chuỗi thức ăn đan xen thành lưới thức ăn phức tạp; khi một loài suy giảm, loài khác bù đắp nên hệ tự điều chỉnh. Hệ nhân tạo chỉ có ít loài, lưới thức ăn đơn giản, khả năng tự điều chỉnh kém nên dễ mất ổn định và cần con người bù đắp (thêm cây, bớt cá, bổ sung năng lượng...).