วัฎจักรในระบบนิเวศ

วัฏจักรของน้ำ (Water Cycle) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำระหว่าง ของเหลว ของแข็ง และแก๊ส ในวัฏจักรของน้ำนี้ น้ำจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะไป-กลับ จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งอย่างต่อเนื่องไม่มีสิ้นสุดเช่น การเปลี่ยนแปลงระหว่างชั้นบรรยากาศ น้ำพื้นผิวดิน ผิวน้ำ น้ำใต้ดิน และพืช กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถแยกได้เป็น 4 ประเภทคือ

การระเหยเป็นไอ (evaporation) เป็นการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำบนพื้นผิวไปสู่บรรยากาศ ทั้งการระเหยเป็นไอ (evaporation) โดยตรงจากการคายน้ำของพืช (transpiration) ซึ่งเรียกว่า evapotranspiration

หยาดน้ำฟ้า (precipitation) เป็นการตกลงมาของน้ำในบรรยากาศสู่พื้นผิวโลก โดยละอองน้ำในบรรยากาศจะรวมตัวกันเป็นก้อนเมฆ และในที่สุดกลั่นตัวเป็นฝนตกลงสู่ผิวโลก รวมถึงหิมะและลูกเห็บ

การซึม (infiltration) จากน้ำบนพื้นผิวลงสู่ดินเป็นน้ำใต้ดิน อัตราการซึมจะขึ้นอยู่กับประเภทของดิน หิน และปัจจัยประกอบอื่นๆ น้ำใต้ดินนั้นจะเคลื่อนตัวช้า และอาจไหลกลับขึ้นบนผิวดิน หรือ อาจถูกกักอยู่ภายใต้ชั้นหินเป็นเวลาหลายพันปี โดยปกติแล้วน้ำใต้ดินจะกลับเป็นน้ำที่ผิวดินบนพื้นที่ที่อยู่ระดับต่ำกว่า ยกเว้นในกรณีของบ่อน้ำบาดาล

น้ำท่า (runoff) หรือน้ำไหลผ่าน เป็นการไหลของน้ำบนผิวดินไปสู่มหาสมุทร น้ำไหลลงสู่แม่น้ำและไหลไปสู่มหาสมุทร ซึ่งอาจจะถูกกักชั่วคราวตามบึงหรือทะเลสาบ ก่อนไหลลงสู่มหาสมุทร น้ำบางส่วนกลับกลายเป็นไอก่อนจะไหลกลับลงสู่มหาสมุทรการหมุนเวียนของกำมะถันในแต่ละส่วนของระบบนิเวศสรุปได้ดังนี้ ^[1]

วัฏจักรซัลเฟอร์ หรือ วัฏจักรกำมะถัน (Sulphur Cycle) หมายถึง การเคลื่อนย้าย และการเปลี่ยนรูปของสารประกอบซัลเฟอร์จากระบบหนึ่งไปสู่ระบบหนึ่ง ทั้งจากในหิน ดิน น้ำ พืช สัตว์ และอากาศ หมุนเวียนเป็นวัฏจักร

1. ซัลเฟอร์ในหิน และดิน
ซัลเฟอร์ในหิน และดิน ถือเป็นแหล่งซัลเฟอร์ที่มีขนาดใหญ่ และเป็นแหล่งกำเนิดของวัฏจักรซัลเฟอร์ที่เปลี่ยนรูปไปสู่อีกระบบหนึ่ง

ซัลเฟอร์ในหินพบได้มากเป็นองค์ประกอบในกลุ่มแร่ต่างๆ ได้แก่
• กลุ่มแร่ซัลไฟด์ ได้แก่ แร่คาลโคไซท์ (chalcocite) แร่บอร์ไนท์ (bronite) แร่สฟาเลอไรท์ (sphalerite) และแร่ไพไรท์ (pyrite) เป็นต้น
• กลุ่มแร่ซัลโฟซอลท์ ได้แก่ แร่เจมโซไนท์ (Pb4FeSb6S14)
• กลุ่มแร่ซัลเฟต ได้แก่ แร่แบร์ไรท์ (barite) แร่แอนไฮไดร์ท (anhydrite) เป็นต้น

ซัลเฟอร์ในดินเป็นแหล่งที่เกิดจากการย่อยสลาย และผุกร่อนของหินที่ปลดปล่อยซัลเฟอร์ออกมาเข้ารวมกับโลหะหรือธาตุอื่นๆ แต่บางส่วนอาจยังคงเหลือสารประกอบซัลเฟอร์ที่อยู่ในรูปของสินแร่ขนาดเล็กที่ค่อยๆผุผัง และปลดปล่อยซัลเฟอร์ออกมาเรื่อยๆ

2. ซัลเฟอร์ในน้ำ และน้ำทะเล

ซัลเฟอร์ในน้ำ สามารถพบทั้งในแหล่งน้ำจืด น้ำเสีย และน้ำทะเล แบ่งได้ ดังนี้

• ซัลไฟล์ทั้งหมด (Total Sulfide) ได้แก่ ไฮโดรเจนซัลไฟล์ที่ละลายน้ำ (Dissolved H2S) อิออนซัลไฟด์ (S2-) อิออนไบซัลไฟด์ (HS–) และสารประกอบของโลหะซัลไฟด์ที่แขวนลอยหรือตกตะกอนในน้ำ เช่น คอปเปอร์ซัลเฟต (CuSO4) โซเดียมซัลเฟต (Na2SO4) แมกนีเซียมซัลเฟต (MgSO4) เป็นต้น

• ซัลไฟล์ละลาย (Dissolved Sulfide) หมายถึง อิออนซัลไฟด์ (S2-) และอิออนไบซัลไฟด์ (HS–) ที่เหลือจากการกำจัดสารแขวนลอย และสารตกตะกอนของซัลไฟด์ออกไปแล้ว

• ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟล์อิสระ (Un-lonized Hydrogen Sulfide) หมายถึง ไฮโดรเจนซัลไฟล์ (H2S) ที่ไม่แตกตัวเป็นเป็นอิออน

น้ำ ที่มี pH ต่ำ จะมีไฮโดรเจนซัลไฟล์มาก ทำให้มีกลิ่นเหม็นมาก ส่วนน้ำที่มี pH ปานกลาง ที่มีไฮโดรเจนซัลไฟด์อยู่จะไม่มีกลิ่นเหม็น และน้ำที่มี pH สูง จะมีไฮโดรเจนซัลไฟด์น้อย และไม่มีกลิ่นเหม็น ทั้งนี้ การเกิดปริมาณของไฮโดรเจนซัลไฟด์แปรผันโดยตรงกับปริมาณกรด (H+) ในน้ำโดยตรง ดังสมการ

3. ซัลเฟอร์ในพืช และสัตว์

ซัลเฟอร์ในพืชพบมากที่สุดในส่วนราก และพบได้ในส่วนอื่น อาทิ ลำต้น ใบ ดอก และผล ซึ่งพืชจะใช้ซัลเฟอร์มากที่สุดในระยะการออกดอก ซึ่งหน้าที่ทั่วไปของซัลเฟอร์ที่มีต่อพืช ได้แก่ เป็นองค์ประกอบในการสังเคาะห์โปรตีน ช่วยในการแบ่งเซลล์ กระตุ้นการสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ ช่วยเพิ่มปริมาณน้ำมันในพืช ส่งเสริมการเกิดปมรากในพืชตระกูลถั่ว กระตุ้นการสร้างเมล็ด และช่วยเสริมสร้างความแข็งแรงของลำต้น หากพืชขาดซัลเฟอร์มักจะทำให้ใบพืช และลำต้นมีสีเหลือง ลำต้นแคระแกร็น เมล็ดลีบแบน ผลสุกช้า เป็นต้น

เมื่อพืช และสัตว์ตายไปจะเกิดการย่อยสลายด้วยจุลินทรีย์ ทำให้ธาตุซัลเฟอร์ถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จากกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน ดังสมการ

4. ซัลเฟอร์ในอากาศ
ซัลเฟอร์ในรูปของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) จะเกิดจากกระบวนการย่อยสลายอินทรีย์วัตถุในสภาวะไร้อากาศ นอกจากนั้น ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ยังสามารถถูกปลดปล่อยสู่บรรยากาศได้จากแหล่งอื่น เช่น การระเบิดของภูเขาไฟ การทำเหมือง การขุดเจาะน้ำมัน เป็นต้น

ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่ลอยในบรรยากาศจะถูกออกซิไดซ์กลายเป็นก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และเมื่อสัมผัสกับน้ำหรือความชื้นจะเกิดการรวมตัวกันเกิดเป็นกรดซัลฟูริกรวมกับน้ำฝนตกลงสู่พื้นดิน หรือที่เรียกว่า ฝนกรด ดังสมการ

  วัฎจักรไนโตรเจน ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของกรดอะมิโนซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตีนทุกชนิดในสิ่งมีชีวิต  พืชใช้ไนโตรเจนได้ใน 2 รูป คือเเอมโมเนียม (ammonium  หรือ  NH₄ ⁺) และ ไนเตรต (nitrate หรือ NO₃ ^-) และแม้ว่าในบรรยากาศจะประกอบด้วยไนโตรเจนถึง 80% แต่อยู่ในรูปก๊าซไนโตรเจน (N₂) ซึ่งพืชไม่สามารถนำมาใช้ได้ ไนโตรเจนสามารถเข้าสู่วัฏจักรไนโตรเจนของระบบนิเวศได้ 2 ทาง คือ

          1. ฝนชะล้างไนโตรเจนกลายเป็นแอมโมเนียมและไนเตรต ไหลลงสู่ดิน และพืชใช้เป็นธาตุอาหารเพื่อการเจริญเติบโตโดยปฏิกิริยาแอสซิมิเลชั่น (assimilation)
       
          2. การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) ซึ่งมีเพียงแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่สามารถใช้ก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศเปลี่ยนเป็นไนโตรเจนในรูปที่พืชสามารถนำมาใช้ได้แบคทีเรียพวกนี้มีทั้งที่อยู่ในดินและที่อยู่ในสิ่งมีชีวิต ในปัจจุบันการผลิตปุ๋ยไนโตรเจนใช้ในเกษตรกรรมก็เป็นแหล่งไนโตรเจนสำคัญที่เติมไนโตรเจนสู่ระบบนิเวศ

         ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารสำคัญที่พืชใช้  สัตว์กินพืชและผู้บริโภคลำดับถัดมาได้ใช้ไนโตรเจนจากพืชนี่เองเป็นแหล่งสร้างโปรตีนและสารพันธุกรรม เมื่อพืชและสัตว์ตายลง ผู้ย่อยสลายราเเบคทีเรียสามารถย่อยสลายไนโตรเจนในสิ่งมีชีวิตให้กลับเป็นแอมโมเนียมซึ่งพืชสามารถนำมาใช้ได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า แอมโมนิฟิเคชัน (ammonification)

         ไนโตรเจนในสารอินทรีย์สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นก๊าซไนโตรเจนโดยผ่าน 2 กระบวนการ คือ

         1. ไนตริฟิเคชัน  (nitrification) แบคทีเรียบางชนิดใช้แอมโมเนียมในดินเป็นแหล่งพลังงานและทำให้เกิดไนไตรต์ (NO₂ ^-) ซึ่งเปลี่ยนเป็นไนเตรตซึ่งพืชใช้ได้ด้วย

         2. ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) ในสภาพไร้ออกซิเจน  แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างออกซิเจนได้เองจากไนเตรต และได้ผลผลิตเป็นก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ