Sinh vật quang tự dưỡng khác sinh vật hóa tự dưỡng ở những điểm cốt lõi nào?

Sinh vật quang tự dưỡng sử dụng năng lượng từ photon ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các sắc tố quang hợp để khử carbon dioxide thành chất hữu cơ, phổ biến ở thực vật, vi tảo và vi khuẩn lam. Ngược lại, sinh vật hóa tự dưỡng không dùng ánh sáng mà thu nhận năng lượng tự do từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ khử như hydro sulfide, amoniac hoặc sắt hai, chủ yếu hiện diện ở vi khuẩn và cổ khuẩn tại các môi trường không có ánh sáng như đáy biển sâu hoặc trong lòng đất.

Vì sao enzyme RuBisCO được coi là loại protein dồi dào bậc nhất trên Trái Đất?

Theo nghiên cứu định lượng của Bar-On và Milo (2019) trên PNAS, enzyme RuBisCO xúc tác phản ứng cố định carbon dioxide mở đầu cho chu trình Calvin ở toàn bộ thực vật bậc cao, tảo và vi khuẩn lam. Nhóm tác giả ước tính tổng khối lượng toàn cầu của enzyme này đạt khoảng 0.7 gigaton, trong đó hơn 90% tập trung trong lá cây trên cạn và chiếm khoảng 3% khối lượng lá khô, đưa RuBisCO trở thành một trong những phân tử protein dồi dào bậc nhất trên Trái Đất dù tốc độ xúc tác hiệu dụng tương đối chậm.

Hiện tượng phú dưỡng tác động như thế nào đến sinh vật tự dưỡng và hệ sinh thái thủy sinh?

Sự tích tụ quá mức của các dưỡng chất nitơ và phospho trong nước kích thích các loài vi tảo quang tự dưỡng phù du nở hoa dữ dội. Khi lớp tảo này chết đi, quá trình phân hủy hiếu khí của vi sinh vật tiêu thụ cạn kiệt oxy hòa tan trong nước xuống dưới 2 mg/L, tạo nên các vùng chết ven biển khiến các sinh vật thủy sinh khác bị ngạt thở và làm suy thoái nghiêm trọng hệ sinh thái đáy.

Rừng ngập mặn tại Việt Nam đóng góp vai trò gì trong việc lưu trữ carbon xanh?

Theo tổng quan của Alongi (2012), rừng ngập mặn nhiệt đới trên toàn cầu lưu giữ mật độ carbon trung bình ước tính đạt khoảng 937 tấn carbon trên mỗi hecta và đóng góp tới 14% tổng lượng carbon chôn lấp của đại dương. Tại Việt Nam, các hệ sinh thái rừng ngập mặn tiêu biểu như Cần Giờ và Cà Mau đóng vai trò là những bể chứa carbon xanh vô cùng quan trọng nhờ thảm thực vật tự dưỡng phát triển mạnh kết hợp với trầm tích bùn yếm khí giúp cô lập carbon lâu dài.

Sinh vật tự dưỡng là gì? Bản chất, phân loại và vai trò

Bản chất sinh học và cơ chế tự dưỡng

Sinh vật tự dưỡng là nhóm sinh vật có khả năng tự tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp giàu năng lượng từ các chất vô cơ đơn giản trong môi trường xung quanh, sử dụng nguồn năng lượng ngoại sinh từ bức xạ mặt trời hoặc năng lượng giải phóng từ các phản ứng oxy hóa vô cơ. Về mặt phân loại học và sinh thái học, sinh vật tự dưỡng đóng vai trò là sinh vật sản xuất sơ cấp trong hầu hết các hệ sinh thái của sinh quyển, đảm nhận chức năng biến đổi các phân tử carbon vô cơ như carbon dioxide thành sinh khối hữu cơ nuôi dưỡng toàn bộ sinh quyển. Thuật ngữ sinh vật tự dưỡng bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ đại, trong đó tiền tố autos mang nghĩa là "tự thân" và trophe biểu thị cho "dinh dưỡng" hoặc "nuôi dưỡng".

Trái ngược hoàn toàn với sinh vật dị dưỡng vốn phải tiêu thụ và chuyển hóa các chất hữu cơ có sẵn do sinh vật khác tạo ra, sinh vật tự dưỡng sở hữu hệ enzyme đặc hiệu cho phép khử trực tiếp carbon dioxide thành carbon hữu cơ. Tùy thuộc vào bản chất của nguồn năng lượng và nguồn chất cho điện tử mà sinh vật tự dưỡng khai thác để thực hiện phản ứng đồng hóa carbon, sinh giới tự dưỡng được phân định thành hai nhóm chức năng cơ bản: sinh vật quang tự dưỡng và sinh vật hóa tự dưỡng. Trong cả hai nhóm, các cơ chế chuyển hóa năng lượng đều tuân thủ nguyên lý nhiệt động lực học sinh học, vận hành dòng truyền điện tử liên kết với quá trình bơm proton qua màng bán thấm để thiết lập gradient điện hóa, qua đó kích hoạt phức hệ ATP synthase tổng hợp phân tử tích lũy năng lượng adenosine triphosphate (ATP), đồng thời các phản ứng trong chuỗi truyền điện tử tạo ra các lực khử coenzyme (như NADPH hoặc NADH).

Phân loại sinh vật tự dưỡng

Dựa trên nguồn năng lượng và chất cho điện tử dùng để khử carbon dioxide, sinh giới phân chia sinh vật tự dưỡng thành hai phân nhóm chính với những đặc điểm tiến hóa và sinh thái học riêng biệt.

Sinh vật quang tự dưỡng

Sinh vật quang tự dưỡng khai thác năng lượng từ các photon ánh sáng mặt trời để thúc đẩy phản ứng tổng hợp chất hữu cơ. Quá trình này được thực hiện nhờ hệ sắc tố quang hợp chuyên biệt, bao gồm diệp lục a, diệp lục b, carotenoid và phycobiliprotein. Đối với các sinh vật quang tự dưỡng tạo oxy (bao gồm thực vật bậc cao trên cạn, các nhóm vi tảo nước ngọt và nước mặn, cùng vi khuẩn lam), hệ sắc tố hấp thụ ánh sáng trong dải bức xạ quang hợp hữu hiệu (PAR) có bước sóng quang phổ từ 400 nm đến 700 nm. Ngược lại, theo tổng quan của Bryant và Frigaard (2006), các vi khuẩn quang tự dưỡng không giải phóng oxy sử dụng các phân tử bacteriochlorophyll chuyên biệt có khả năng hấp thụ ánh sáng trong dải cận hồng ngoại từ 700 nm lên tới 1050 nm (như ở loài Blastochloris viridis), giúp chúng quang hợp hiệu quả dưới các tầng nước sâu hoặc bùn đáy kỵ khí thiếu ánh sáng khả kiến.

Ở thực vật, tảo và vi khuẩn lam, quá trình quang hợp diễn ra theo con đường quang dưỡng giải phóng oxy. Các sinh vật này sử dụng nước làm chất cho điện tử, vận hành hệ thống quang hóa I và hệ thống quang hóa II, dẫn đến sự phân ly phân tử nước và giải phóng khí oxy tự do vào khí quyển theo phương trình tổng quát:

6\mathrm{CO}_2 + 6\mathrm{H}_2\mathrm{O} \xrightarrow{\text{ánh sáng, diệp lục}} \mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}\mathrm{O}_6 + 6\mathrm{O}_2

Trong phương trình trên, sáu phân tử carbon dioxide kết hợp với sáu phân tử nước dưới tác động của năng lượng photon ánh sáng được hấp thụ bởi diệp lục để tổng hợp một phân tử glucose và giải phóng sáu phân tử oxy.

Bên cạnh quang hợp giải phóng oxy, một số nhóm vi khuẩn cổ xưa như vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục và vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía thực hiện quá trình quang tự dưỡng không giải phóng oxy. Nhóm này không sử dụng nước mà sử dụng các hợp chất vô cơ khử khác như hydro sulfide, hydro phân tử hoặc ion thiosulfate làm chất cho điện tử, do đó sản phẩm phụ sinh ra không phải là oxy mà là lưu huỳnh nguyên tố hoặc ion sulfate.

Sinh vật hóa tự dưỡng

Sinh vật hóa tự dưỡng, hay vi sinh vật hóa tự dưỡng vô cơ, không sử dụng năng lượng ánh sáng mà thu nhận năng lượng tự do từ các phản ứng oxy hóa học giữa các hợp chất vô cơ khử với các chất nhận điện tử vô cơ như oxy, nitrate hoặc sulfate. Năng lượng giải phóng từ các phản ứng oxy hóa khử này được ghép cặp với chuỗi truyền điện tử trên màng sinh chất để tổng hợp ATP và tạo lực khử, phục vụ trực tiếp cho quá trình cố định carbon dioxide thành chất hữu cơ.

Theo Sievert và Vetriani (2012), sinh vật hóa tự dưỡng giữ vai trò trung tâm trong việc duy trì sự sống tại các hệ sinh thái miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu không có ánh sáng mặt trời. Tại các miệng phun thủy nhiệt này, các vi khuẩn hóa tự dưỡng (chủ yếu thuộc các ngành như Campylobacterota và Gammaproteobacteria) oxy hóa hydro sulfide theo phương trình:

\mathrm{H}_2\mathrm{S} + 2\mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{SO}_4^{2-} + 2\mathrm{H}^+

Trong phản ứng này, phân tử hydro sulfide bị oxy hóa bởi hai phân tử oxy để tạo thành ion sulfate cùng hai proton, giải phóng năng lượng tự do thúc đẩy quá trình cố định carbon vô cơ nuôi dưỡng toàn bộ quần xã sinh vật đáy sâu như giun ống khổng lồ, trai nhiệt dịch (trai đáy sâu thuộc chi Calyptogena) và cua mù.

Ngoài vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh, các nhóm hóa tự dưỡng quan trọng khác bao gồm vi khuẩn nitrat hóa (như Nitrosomonas oxy hóa amoniac thành nitrite, và Nitrobacter oxy hóa nitrite thành nitrate), vi khuẩn oxy hóa sắt (oxy hóa ion sắt hóa trị hai thành ion sắt hóa trị ba) và vi khuẩn oxy hóa hydro.

So sánh giữa quang tự dưỡng, hóa tự dưỡng và dị dưỡng

Để làm rõ sự khác biệt căn bản về mặt trao đổi chất và năng lượng sinh học giữa các phương thức dinh dưỡng trong tự nhiên, bảng so sánh chi tiết dưới đây tổng hợp các đặc tính cốt lõi giữa sinh vật quang tự dưỡng, sinh vật hóa tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng:

Tiêu chí so sánh	Sinh vật quang tự dưỡng	Sinh vật hóa tự dưỡng	Sinh vật dị dưỡng
Nguồn carbon chủ yếu	Carbon dioxide vô cơ	Carbon dioxide vô cơ	Hợp chất hữu cơ có sẵn
Nguồn năng lượng	Photon bức xạ ánh sáng	Phản ứng oxy hóa vô cơ	Oxy hóa hợp chất hữu cơ
Chất cho điện tử	Nước hoặc hợp chất khử lưu huỳnh	Hydro sulfide, amoniac, sắt hai	Glucose, acid amin, lipid
Giải phóng oxy tự do	Có ở nhóm quang hợp oxy hóa	Không giải phóng oxy	Không giải phóng oxy
Sinh vật đại diện	Thực vật, vi tảo, vi khuẩn lam	Vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn lưu huỳnh	Động vật, nấm, đa số vi khuẩn
Môi trường phân bố	Nơi có ánh sáng mặt trời chiếu tới	Đáy biển sâu, đất, suối khoáng nóng	Mọi sinh cảnh trong sinh quyển

Các con đường cố định carbon tự dưỡng trong sinh giới

Quá trình chuyển hóa carbon dioxide thành hợp chất hữu cơ là phản ứng sinh hóa then chốt xác định bản chất của sinh vật tự dưỡng. Theo tổng quan của Fuchs (2011), tính đến thời điểm đó sinh giới tự dưỡng được xác định vận hành thông qua 6 con đường cố định carbon vô cơ tự nhiên (các nghiên cứu hiện đại về sau đã phát hiện thêm con đường thứ 7 là con đường glycine khử), phản ánh sự đa dạng thích nghi sinh hóa và lịch sử tiến hóa trao đổi chất từ giai đoạn sớm của sự sống trên Trái Đất:

Chu trình Calvin-Benson-Bassham: Con đường quang tự dưỡng phổ biến nhất trên Trái Đất, hiện diện ở toàn bộ thực vật bậc cao, tảo nhân thực và vi khuẩn lam. Enzyme xúc tác phản ứng carboxyl hóa then chốt là ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase. Chu trình này gắn một phân tử carbon dioxide vào đường ribulose-1,5-bisphosphate để tạo ra hai phân tử 3-phosphoglycerate.
Chu trình acid tricarboxylic khử: Còn gọi là chu trình Arnon-Buchanan, vận hành ngược chiều so với chu trình Krebs dị dưỡng thông thường. Con đường này sử dụng các enzyme đặc thù như ATP citrate lyase và 2-oxoglutarate synthase để biến đổi hai phân tử carbon dioxide thành acetyl-coenzyme A. Chu trình này đòi hỏi tiêu tốn ít năng lượng hơn chu trình Calvin và hiện diện chủ yếu ở vi khuẩn lưu huỳnh màu lục cùng các vi khuẩn hóa tự dưỡng tại miệng phun thủy nhiệt.
Con đường Wood-Ljungdahl: Còn gọi là con đường acetyl-coenzyme A khử, là một trong những con đường cố định carbon dạng thẳng không khép vòng. Con đường này khử hai phân tử carbon dioxide theo hai nhánh song song (nhánh methyl và nhánh carbonyl) rồi kết hợp chúng lại nhờ enzyme phức hệ carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase. Đây được xem là con đường cố định carbon cổ xưa nhất về mặt tiến hóa và có hiệu quả năng lượng cao nhất.
Chu trình 3-hydroxypropionate: Vận hành dạng chu trình kép trong vi khuẩn quang dưỡng không lưu huỳnh màu lục, biến đổi carbon dioxide thành glyoxylate và pyruvate qua chất trung gian 3-hydroxypropionate.
Chu trình dicarboxylate/4-hydroxybutyrate: Hiện diện ở các cổ khuẩn kỵ khí ưa nhiệt độ cực cao, cố định carbon dioxide thành acetyl-coenzyme A mà không cần enzyme RuBisCO.
Chu trình 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate: Hiện diện ở các cổ khuẩn hiếu khí ưa nhiệt axit và vi sinh vật thuộc ngành Thaumarchaeota phân bố rộng khắp đại dương, cho phép cố định carbon hiệu quả trong điều kiện nghèo dinh dưỡng.

Về mặt chi phí năng lượng sinh học, Fuchs (2011) đã chỉ ra sự khác biệt rõ rệt giữa các con đường. Chu trình Calvin tiêu tốn khoảng 3 phân tử ATP và 2 đương lượng khử cho mỗi phân tử carbon dioxide được cố định, tương ứng 18 phân tử ATP và 12 phân tử NADPH để tổng hợp 1 phân tử hexose glucose chứa 6 nguyên tử carbon. Ngược lại, chu trình acid tricarboxylic khử và con đường Wood-Ljungdahl vận hành với hiệu suất năng lượng cao hơn, tiêu tốn ít phân tử ATP hơn đáng kể để tổng hợp cùng một lượng tương đương pyruvate hoặc acetyl-coenzyme A.

Xét về quy mô sinh học của enzyme đồng hóa carbon, nghiên cứu định lượng của Bar-On và Milo (2019) công bố trên tạp chí PNAS đã xác định rằng tổng khối lượng enzyme RuBisCO trên toàn bộ Trái Đất ước tính đạt khoảng 0.7 gigaton. Trong đó, hơn 90% khối lượng enzyme này phân bố tập trung trong các tế bào thịt lá của thực vật trên cạn, tương ứng với khoảng 3% tổng khối lượng khô của lá cây (ước tính toàn cầu khoảng 30 gigaton khối lượng lá khô). Đáng chú ý, nghiên cứu của Bar-On và Milo (2019) ghi nhận tốc độ xúc tác hiệu dụng trung bình theo thời gian của enzyme RuBisCO đạt khoảng 0.6 s⁻¹ ở đại dương, cao gấp nhiều lần so với mức khoảng 0.03 s⁻¹ trên cạn. Tác giả giải thích sự chênh lệch này là do thực vật phù du biển phát triển cơ chế tập trung carbon (CCM) giúp duy trì nồng độ carbon dioxide cục bộ quanh enzyme ở mức bão hòa; ngược lại, trên cạn, RuBisCO thường xuyên bị hạn chế bởi tán lá che bóng, nồng độ carbon dioxide nội tại trong tế bào thịt lá dưới mức bão hòa, và một tỷ lệ lớn protein RuBisCO trong lá đóng vai trò như kho dự trữ nitơ thay vì tối ưu hóa tối đa tốc độ xúc tác.

Vai trò sinh thái và chu trình sinh địa hóa toàn cầu

Sinh vật tự dưỡng giữ vai trò trung tâm trong cấu trúc và chức năng của mọi hệ sinh thái, đóng vai trò là điểm xuất phát của dòng năng lượng và là động lực điều phối các chu trình vật chất sinh địa hóa trên quy mô hành tinh.

Mắt xích sản xuất sơ cấp và dòng năng lượng sinh thái

Năng lượng bức xạ mặt trời đi vào sinh quyển bắt buộc phải qua cửa ngõ của sinh vật tự dưỡng. Sản lượng sơ cấp thô biểu thị tổng lượng năng lượng hóa học mà sinh vật tự dưỡng cố định được trong một đơn vị thời gian. Một phần năng lượng này bị tiêu hao cho quá trình hô hấp duy trì sự sống của chính bản thân sinh vật tự dưỡng, phần năng lượng tích lũy còn lại tạo nên sinh khối mới được gọi là sản lượng sơ cấp thực ròng. Mối quan hệ này được biểu diễn qua phương trình cân bằng năng lượng:

\mathrm{NPP} = \mathrm{GPP} - R_a

Trong phương trình trên, biến số $\mathrm{NPP}$ đại diện cho sản lượng sơ cấp thực ròng, $\mathrm{GPP}$ biểu thị cho sản lượng sơ cấp thô và đại lượng $R_a$ phản ánh lượng năng lượng bị hao hụt do quá trình tự hô hấp của sinh vật tự dưỡng.

Theo công trình nền tảng của Field và cộng sự (1998) trên tạp chí Science, tổng sản lượng sơ cấp thực ròng của toàn bộ sinh quyển Trái Đất ước tính đạt khoảng 104.9 petagram carbon mỗi năm. Trong đó, các sinh vật tự dưỡng trên cạn đóng góp khoảng 56.4 petagram carbon mỗi năm (chiếm 53.8% tổng sản lượng toàn cầu), còn các sinh vật tự dưỡng tại đại dương đóng góp khoảng 48.5 petagram carbon mỗi năm (chiếm 46.2% tổng sản lượng toàn cầu). Mặc dù sinh khối thực vật đại dương nhỏ hơn rất nhiều so với rừng trên cạn, tốc độ quay vòng sinh khối của vi tảo biển diễn ra nhanh chóng, cho phép duy trì sản lượng sơ cấp xấp xỉ ngang bằng với toàn bộ thảm thực vật mặt đất.

Nghiên cứu của Bar-On, Phillips và Milo (2018) về phân bố sinh khối Trái Đất cho thấy tổng sinh khối toàn cầu đạt khoảng 550 gigaton carbon. Trong cấu trúc sinh khối khổng lồ này, giới thực vật chiếm ưu thế áp đảo với khoảng 450 gigaton carbon, tương đương khoảng 80% tổng sinh khối sinh giới. Vi khuẩn chiếm khoảng 70 gigaton carbon (khoảng 13%), nấm chiếm khoảng 12 gigaton carbon, trong khi toàn bộ giới động vật chỉ chiếm vỏn vẹn khoảng 2 gigaton carbon. Số liệu này minh chứng rằng sinh vật tự dưỡng cấu thành nên phần lớn cấu trúc vật chất sống của sinh quyển.

Bơm sinh học đại dương và chu trình sinh địa hóa

Tại các đại dương, thực vật phù du đóng vai trò then chốt trong cơ chế bơm sinh học carbon. Quá trình quang hợp của thực vật phù du vận chuyển các hạt hữu cơ lắng đọng từ tầng mặt giàu ánh sáng xuống tầng nội mạc sâu của đại dương, cô lập carbon hữu cơ khỏi sự trao đổi trực tiếp với khí quyển trong hàng trăm đến hàng nghìn năm, điều hòa nồng độ khí carbon dioxide toàn cầu.

Bên cạnh chu trình carbon, sinh vật tự dưỡng tham gia trực tiếp vào chu trình nitơ và lưu huỳnh. Vi khuẩn hóa tự dưỡng nitrat hóa chuyển hóa các dạng nitơ khử độc hại như amoniac thành dạng nitrate dễ hấp thụ cho thực vật bậc cao, hoàn thiện chu trình chuyển hóa dưỡng chất trong đất và nước. Trong khi đó, các vi khuẩn hóa tự dưỡng oxy hóa lưu huỳnh ngăn ngừa sự tích tụ độc hại của khí hydro sulfide tại các vùng ranh giới giữa tầng nước hiếu khí và kỵ khí.

Ứng dụng thực tiễn và bối cảnh sinh thái tại Việt Nam

Tại Việt Nam, với đường bờ biển dài và khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, sinh vật tự dưỡng thể hiện vai trò sinh thái và tiềm năng ứng dụng kinh tế to lớn trong nhiều lĩnh vực.

Hệ sinh thái rừng ngập mặn và tiềm năng carbon xanh

Rừng ngập mặn là một trong những hệ sinh thái tự dưỡng ven biển có năng suất sinh học cao nhất hành tinh. Tổng quan của Alongi (2012) ghi nhận rừng ngập mặn nhiệt đới lưu giữ mật độ carbon trung bình lên tới 937 tấn carbon trên mỗi hecta. Với tốc độ bồi tụ trầm tích khoảng 5 mm/năm và tốc độ chôn lấp carbon đạt 174 g C m⁻² năm⁻¹, các dải rừng ngập mặn đóng góp khoảng 14% tổng lượng carbon chôn lấp của toàn bộ đại dương thế giới mặc dù chỉ chiếm diện tích bờ biển rất khiêm tốn.

Tại Việt Nam, các vùng rừng ngập mặn trọng điểm như Khu dự trữ sinh quyển rừng ngập mặn Cần Giờ và rừng ngập mặn bán đảo Cà Mau là minh chứng điển hình cho khả năng cố định carbon xanh. Các loài cây tự dưỡng tiên phong như đước đôi, mắm trắng và bần trắng hấp thụ lượng lớn carbon dioxide từ khí quyển, chuyển hóa thành sinh khối rễ và thân gỗ ngập nước. Do điều kiện bùn lầy yếm khí ngập mặn, tốc độ phân hủy chất hữu cơ bị ức chế mạnh mẽ, giúp giữ lại phần lớn lượng carbon trong các tầng trầm tích đáy sâu hàng nghìn năm mà không bị phân giải thành khí nhà kính.

Công nghệ sinh học vi tảo và rong biển

Việt Nam đang phát huy lợi thế nguồn tài nguyên sinh vật tự dưỡng thủy sinh để phát triển kinh tế biển xanh. Các loài rong biển tự dưỡng như rong câu chỉ vàng và rong sụn được canh tác quy mô lớn tại các đầm phá ven biển miền Trung và miền Nam. Chúng không chỉ hấp thụ dư lượng dưỡng chất dư thừa để làm sạch nguồn nước mà còn cung cấp nguồn nguyên liệu quý cho ngành sản xuất agar, carrageenan và thức ăn thủy sản giàu dinh dưỡng.

Song song đó, công nghệ nuôi cấy các chủng vi tảo tự dưỡng như vi khuẩn lam Arthrospira platensis và vi tảo lục Chlorella trong các hệ thống quang sinh học kín đang được mở rộng tại Việt Nam. Các sinh vật quang tự dưỡng đơn bào này sở hữu tốc độ sinh trưởng nhanh gấp nhiều lần thực vật trên cạn, cho phép thu nhận sinh khối giàu protein, lipid, sắc tố chống oxy hóa và phục vụ xử lý sinh học nước thải nông nghiệp.

Thách thức môi trường và biến đổi toàn cầu

Mặc dù sinh vật tự dưỡng là nền tảng của sự sống, sự mất cân bằng sinh thái do hoạt động nhân sinh đang đặt ra những thách thức môi trường nghiêm trọng liên quan trực tiếp đến nhóm sinh vật này.

Hiện tượng phú dưỡng và vùng chết ven biển

Sự gia tăng quá mức của các dòng thải nông nghiệp chứa phân bón hóa học và nước thải sinh hoạt đô thị dẫn đến hiện tượng tích tụ dinh dưỡng thừa nitơ và phospho trong các thủy vực nội địa và ven biển. Tình trạng này kích hoạt sự bùng nổ mất kiểm soát của các loài vi tảo quang tự dưỡng phù du, tạo nên hiện tượng tảo nở hoa hoặc thủy triều đỏ.

Khi sinh khối vi tảo bùng phát chết đi, quá trình phân hủy hiếu khí của vi sinh vật dị dưỡng tiêu thụ cạn kiệt lượng oxy hòa tan trong tầng nước đáy; khi oxy cạn kiệt, phân hủy kỵ khí diễn ra sinh các khí độc (như hydro sulfide và methane), làm trầm trọng thêm tình trạng suy thoái môi trường sống. Theo công trình của Diaz và Rosenberg (2008) công bố trên tạp chí Science, sự ô nhiễm dưỡng chất ven biển đã làm gia tăng tình trạng thiếu oxy ở mức dưới 2 mg/L, khiến số lượng các vùng chết trên toàn cầu tăng vọt kể từ thập niên 1960. Nghiên cứu đã thống kê hơn 400 hệ thống vùng biển chết trên khắp thế giới với tổng diện tích vượt quá 245000 km², làm tê liệt các chuỗi thức ăn thủy sản và hủy hoại các hệ sinh thái đáy.

Tại Việt Nam, các hiện tượng nở hoa tảo gây hại đã từng bùng phát tại nhiều thủy vực ven biển miền Trung, đặc biệt là tại vùng biển Bình Thuận và các đầm nuôi trồng thủy sản tập trung, gây thiệt hại nghiêm trọng cho ngành nuôi tôm cá và làm suy thoái đa dạng sinh học ven bờ.

Tác động của biến đổi khí hậu đến trao đổi chất tự dưỡng

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng nhiệt độ nước biển đang làm thay đổi căn bản điều kiện sinh lý của sinh vật tự dưỡng. Hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong các đại dương ngăn cản quá trình đảo nước trồi mang dưỡng chất từ tầng sâu lên bề mặt, làm suy giảm năng suất sơ cấp của thực vật phù du biển nhiệt đới. Đồng thời, quá trình axit hóa đại dương do hấp thụ dư thừa carbon dioxide làm biến đổi tính khả dụng sinh học của các ion vi lượng, ảnh hưởng tiêu cực đến các loài tảo tự dưỡng có vỏ bọc canxi.

Trên cạn, nhiệt độ cực đoan và hạn hán kéo dài làm suy giảm hoạt tính carboxyl hóa của enzyme RuBisCO, thúc đẩy quá trình hô hấp sáng lãng phí năng lượng ở thực vật, từ đó đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực và khả năng hấp thụ carbon của các bể chứa sinh thái toàn cầu.