Tổng quan luận án

Luận án Tiến sĩ ngành Môi trường Đất và Nước (Mã số: 62440303) của nghiên cứu sinh Phạm Quốc Nguyên, thực hiện tại Trường Đại học Cần Thơ năm 2017 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Văn Công và PGS. Trương Quốc Phú, tập trung giải quyết bài toán môi trường và độc học sinh thái trong nghề nuôi cá tra thâm canh tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Nghiên cứu đi theo hướng thực nghiệm - định lượng, kết hợp giữa điều tra quan trắc thực địa tại các ao nuôi thương phẩm và bố trí các thí nghiệm sinh học có kiểm soát trong phòng thí nghiệm.

Đồng bằng sông Cửu Long là vùng sản xuất cá tra (Pangasianodon hypophthalmus) quy mô lớn tại Việt Nam, đạt diện tích nuôi 5.500 ha, sản lượng 1,0 triệu tấn/năm và kim ngạch xuất khẩu gần 1,77 tỷ USD/năm vào năm 2014. Mô hình nuôi thâm canh duy trì mật độ thả rất cao, từ 50,3 đến 66,3 con/m², đòi hỏi lượng thức ăn lớn (1,5–1,6 tấn thức ăn công nghiệp hoặc 3,2–3,6 tấn thức ăn tự chế để sản xuất ra 1 tấn cá thương phẩm). Lượng chất thải phát sinh từ hoạt động nuôi cá tra ước tính khoảng 1 triệu tấn vào năm 2010, trong đó chứa 90 ngàn tấn chất hữu cơ và 29 ngàn tấn nitơ tính theo vật chất khô. Thức ăn dư thừa và phân cá bị vi sinh vật phân hủy tạo ra các hợp chất đạm vô cơ hòa tan (tổng đạm amon - TAN gồm $\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$, nitrite $\text{NO}_2^-\text{-N}$, nitrate $\text{NO}_3^-\text{-N}$) và khí độc hydro sunfua ($\text{H}_2\text{S}$). Nước thải phát sinh từ các ao nuôi ước tính khoảng 20.000 m³/ha/vụ (hoặc 714 m³/tấn cá), nhưng phần lớn không qua hệ thống xử lý (tỷ lệ hộ có ao lắng chỉ chiếm từ 5% đến 15%), trực tiếp đe dọa môi trường nước mặt tiếp nhận và gây rủi ro dịch bệnh cho chính nghề nuôi.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định bao gồm:

  • Thiếu các dẫn liệu quan trắc có hệ thống về quy luật biến động theo chu kỳ 24 giờ, theo các tầng nước (độ sâu) và qua các giai đoạn nuôi (đầu vụ, giữa vụ, cuối vụ) của các dạng đạm vô cơ và $\text{H}_2\text{S}$ trong ao nuôi thực tế.
  • Thiếu dữ liệu thực nghiệm về giới hạn chịu đựng cấp tính ($\text{LC}_{50}$) của cá tra đối với TAN và $\text{H}_2\text{S}$ ở các ngưỡng pH khác nhau (pH 6, 7 và 8).
  • Chưa làm rõ ngưỡng nồng độ TAN ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng, lượng thức ăn tiêu thụ, hệ số chuyển hóa thức ăn và các chỉ số sinh lý huyết học của cá tra.
  • Thiếu giải pháp xử lý nước thải ao nuôi thâm canh bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt kết hợp thực vật thủy sinh (lục bình - Eichhornia crassipes) có và không có sục khí.

Mục tiêu nghiên cứu được xác lập trong văn bản gồm:

  1. Mục tiêu tổng quát: Đánh giá biến động một số dạng đạm vô cơ và $\text{H}_2\text{S}$ trong nước ao nuôi cá tra thâm canh và ảnh hưởng của các yếu tố này đến tăng trọng của cá tra. Kết quả làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp quản lý nước ao nuôi và xả thải ra môi trường một cách hợp lý hơn, góp phần cho nghề nuôi cá tra được phát triển bền vững.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xác định biến động một số dạng đạm vô cơ và $\text{H}_2\text{S}$ trong ao nuôi cá tra thâm canh nhằm làm cơ sở cho đánh giá tác động đến cá nuôi, tác động đến môi trường và nghiên cứu biện pháp quản lý và xử lý.
    • Xác định ảnh hưởng của $\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$, $\text{H}_2\text{S}$ lên tỷ lệ sống và ảnh hưởng của $\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$ lên tăng trọng của cá tra cỡ giống nhằm làm cơ sở cho quản lý nước ao nuôi.
    • Nghiên cứu sử dụng lục bình để xử lý đạm vô cơ và $\text{H}_2\text{S}$ trong nước thải ao nuôi cá tra thâm canh nhằm làm cơ sở cho đề xuất nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải từ ao nuôi cá tra.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cá tra (Pangasianodon hypophthalmus (Sauvage, 1878)) giai đoạn cá giống (trọng lượng 8,1 ± 0,2 g/con và 11,4 ± 0,5 g/con); chất lượng nước trong ao nuôi cá tra thâm canh và nước thải nuôi cá; cây lục bình (Eichhornia crassipes).
  • Phạm vi không gian: Khảo sát hiện trường tại 3 ao nuôi thương phẩm thuộc Hợp tác xã Thới An, Quận Ô Môn, Thành phố Cần Thơ; các thí nghiệm độc học sinh thái, tăng trọng và mô hình đất ngập nước xử lý nước thải được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Khoa Thủy sản (Trường Đại học Cần Thơ) và phân tích đối chứng tại Trường Đại học Đồng Tháp.
  • Phạm vi thời gian: Khảo sát thực địa thực hiện từ tháng 3/2011 đến tháng 11/2011; các thí nghiệm $\text{LC}_{50}$ và tăng trọng thực hiện từ tháng 12/2011 đến tháng 6/2013; thí nghiệm xử lý nước thải bằng lục bình triển khai từ tháng 10/2013 đến tháng 6/2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nhóm công trình nghiên cứu liên quan đến sinh học cá tra, động học các hợp chất nitơ, sunfua trong thủy vực và các giải pháp xử lý nước thải thủy sản bằng thực vật:

  • Đặc điểm sinh học và phân loại cá tra: Roberts & Vidthayanon (1991), Trương Thủ Khoa & Trần Thị Thu Hương (1993) định danh phân loại loài Pangasianodon hypophthalmus; Lazard (1998) và Dương Nhựt Long (2004) nghiên cứu đặc tính sinh trưởng; Poulsen et al. (2004), Ủy hội sông Mekong (2005) và Nguyễn Văn Thường (2008) phân tích đặc tính di cư sinh sản ở lưu vực sông Mekong; Hung et al. (2003) và Trần Thanh Hiền et al. (2004) nghiên cứu nhu cầu dinh dưỡng và protein của cá tra.
  • Thực trạng ô nhiễm và quản lý chất thải ao nuôi: De Silva et al. (2010), Trần Trọng Tân & Trương Hoàng Minh (2014) khảo sát mật độ thả, định mức thức ăn và tải lượng chất thải phát sinh; Huỳnh Trường Giang et al. (2008) và Châu Minh Khôi et al. (2012) ghi nhận nồng độ TAN dao động từ 0,033 đến 4,062 mg/L trong ao nuôi và có thể đạt cực đại 12,5 mg/L ở các tháng giữa vụ; Anh et al. (2010), Phan Thị Công et al. (2012) và Lê Anh Tuấn (2008) chỉ ra tỷ lệ ao nuôi không có hệ thống xử lý nước thải trước khi thải bỏ ra sông rạch.
  • Độc tính của đạm amon ($\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$) đối với cá: USEPA (1993), Emerson et al. (1975) thiết lập mô hình tính toán tỷ lệ phân ly $\text{NH}_3\text{-N}$ theo pH và nhiệt độ; Tomasso (1994), Boyd (1990), Wicks & Randall (2002) và Ip & Chew (2010) giải thích cơ chế gây độc của $\text{NH}3$ lên hệ thần kinh trung ương, biểu mô mang và các chỉ số huyết học; Wood (2004) nêu hiện tượng TAN nồng độ thấp kích thích tăng trưởng ở cá hồi (Oncorhynchus mykiss); các công trình của Walsh et al. (1993), Wang & Walsh (2000), Zhang et al. (2009), Mona & Soha (2010), Miron et al. (2008), Foss et al. (2009) kiểm chứng biến động $\text{LC}{50}$ và tốc độ tăng trưởng (SGR) trên nhiều loài cá khác nhau.
  • Độc tính của $\text{H}_2\text{S}$: Hershey et al. (1988) và Boyd (1990) xây dựng tương quan phân ly giữa $\text{H}2\text{S}$ và ion $\text{HS}^-$; Bonn & Follis (1967), Smith & Oseid (1970, 1972, 1974), Fung & Bewick (1980), Mance et al. (1988), Hoque et al. (1998) và Lê Văn Cát et al. (2006) xác định nồng độ $\text{LC}{50}$ của $\text{H}_2\text{S}$ trên các loài cá nước ngọt dao động từ 0,002 đến 1,4 mg/L thông qua cơ chế ức chế enzyme cytochrome a3 và liên kết với sắt trong phân tử hemoglobin.
  • Kỹ thuật xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh: Brix (1994), Dushenkov et al. (1995), Lê Anh Tuấn (2007, 2008), Trang et al. (2010), Trương Thị Nga et al. (2007), Lâm Thị Mỹ Nhiên et al. (2012), Zhang et al. (2010, 2011), Hoàng Thị Thanh Thủy & Lê Anh Tuấn (2013) nghiên cứu xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo; Dellarossa et al. (2001), Akinbile & Yusoff (2012), Nyanti et al. (2014), Châu Minh Khôi et al. (2012), Snow & Ghaly (2008), Ayyasamy et al. (2009) đánh giá khả năng xử lý đạm, lân hữu hiệu của bèo lục bình (Eichhornia crassipes).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu quốc tế và trong nước đã đánh giá độc tính của TAN và $\text{H}2\text{S}$ trên nhiều đối tượng thủy sản, nhưng chưa có công trình nào đánh giá đồng bộ trên cá tra (Pangasianodon hypophthalmus) nuôi tại ĐBSCL từ khâu quan trắc động thái thực tế trong ao đến xác định ngưỡng chịu đựng sinh lý ($\text{LC}{50}$), ảnh hưởng mãn tính đến tăng trưởng và huyết học, đồng thời đưa ra mô hình đất ngập nước xử lý nước thải bằng lục bình đạt các quy chuẩn xả thải hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về chu trình chuyển hóa nitơ và lưu huỳnh trong hệ sinh thái ao nuôi thâm canh, cơ chế phân ly ion phụ thuộc vào pH và nhiệt độ nước, cũng như lý thuyết độc học sinh thái học thủy sinh:

  1. Quá trình chuyển hóa nitơ vô cơ:

    • Quá trình nitrite hóa do vi khuẩn Nitrosomonas thực hiện: $$55\text{NH}_4^+ + 76\text{O}_2 + 109\text{HCO}_3^- \rightarrow \text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 54\text{NO}_2^- + 57\text{H}_2\text{O} + 104\text{H}_2\text{CO}_3$$
    • Quá trình nitrate hóa do vi khuẩn Nitrobacter thực hiện: $$400\text{NO}_2^- + \text{NH}_4^+ + 4\text{H}_2\text{CO}_3 + 195\text{O}_2 \rightarrow \text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 3\text{H}_2\text{O} + 400\text{NO}_3^-$$
    • Tỷ lệ phần trăm $\text{NH}3\text{-N}$ tự do không ion hóa trong dung dịch TAN phụ thuộc vào nhiệt độ và pH theo công thức của Emerson et al. (1975): $$f{\text{NH}3\text{-N}} = \frac{1}{10^{\text{pKa} - \text{pH}} + 1}$$ Trong đó: $\text{pKa} = 0,09018 + \frac{2729,92}{T{\text{Kelvin}}}$ ($T_{\text{Kelvin}} = 273,15 + T^\circ\text{C}$).

  2. Quá trình chuyển hóa sunfua:

    • Quá trình khử sulfate yếm khí: $\text{SO}_4^{2-} + \text{H}^+ \rightarrow \text{S}^{2-} + 4\text{H}_2\text{O}$.
    • Cân bằng phân ly của sunfua trong nước: $\text{H}_2\text{S} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HS}^-$ ($K_1 = 10^{-7,01}$) và $\text{HS}^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{S}^{2-}$ ($K_2 = 10^{-13,89}$). Dạng phân tử $\text{H}_2\text{S}$ chiếm ưu thế khi pH < 7 và là dạng chính gây độc đối với động vật thủy sản.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm 4 nội dung thực nghiệm định lượng:

Phương pháp nghiên cứu Đối tượng / Quy mô Thông số / Điều kiện thực nghiệm Kỹ thuật thu mẫu & Phân tích
Khảo sát chất lượng nước ao nuôi 3 ao nuôi thâm canh ($5.000\text{ m}^2/\text{ao}$, sâu 3 m, mật độ 44–46 con/$\text{m}^2$) tại Ô Môn, Cần Thơ Thu mẫu theo 3 đợt nuôi: 30 ngày (đầu vụ), 110 ngày (giữa vụ), 195 ngày (cuối vụ). Thu 3 giờ/lần trong 24 giờ liên tục tại 3 tầng nước (mặt: -50cm, giữa: -150cm, đáy: cách đáy 20cm) bằng thiết bị thu mẫu chuyên dụng. Mẫu tổ hợp 5 điểm/ao. Đo DO, pH, $T^\circ\text{C}$ tại chỗ; mẫu $\text{H}_2\text{S}$ cố định riêng.
Xác định $\text{LC}_{50}$-96h của TAN Cá tra giống ($8,1 \pm 0,2\text{ g/con}$), 10 con/bể composite 60L (chứa 20L dung dịch), 3 lần lặp lại Nước tĩnh, không thay nước, không cho ăn; 3 mức pH (6; 7; 8); nồng độ TAN pha từ $\text{NH}_4\text{Cl}$ (Merck 99,8%). Kiểm soát pH tự động bằng máy Knick Typ 765 bơm $\text{NaOH } 0,1\text{M}$ và $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ } 0,1\text{M}$. Ghi nhận tỷ lệ cá chết ở 1, 3, 6, 12, 24, 48, 72, 96 giờ.
Xác định $\text{LC}_{50}$-24h của tổng sunfua Cá tra giống ($8,1 \pm 0,2\text{ g/con}$), 10 con/bể composite 60L (chứa 20L dung dịch), 3 lần lặp lại Thay nước định kỳ (1,5h/lần ở pH 6; 2h/lần ở pH 7 và 8), tốc độ nạp 12 L/h; nồng độ sunfua pha từ $\text{Na}_2\text{S}\cdot 9\text{H}_2\text{O}$ hòa trong nước cất không oxy. Kiểm soát pH tự động bằng bơm $\text{NaOH } 0,1\text{M}$ và $\text{HCl } 0,1\text{M}$. Định lượng $\text{H}_2\text{S}$ bằng phương pháp Methylene Blue $4500\text{-S}^{2-}\text{ D}$.
Ảnh hưởng TAN lên tăng trọng và huyết học Cá tra giống ($11,4 \pm 0,5\text{ g/con}$, dài $9,2 \pm 0,5\text{ cm}$), 100 con/bể 60L, 3 lần lặp lại trong 90 ngày Nghiệm thức pH 6,5–7,0: ĐC (0 mg/L), 10 mg/L, 26,5 mg/L TAN. Nghiệm thức pH 7,5–8,0: ĐC (0 mg/L), 10 mg/L, 6,5 mg/L TAN. Cho ăn cám viên nổi 30% protein (Tongwei No.6320) tỷ lệ 5–10% khối lượng; vớt thức ăn thừa sau 90 phút, sấy $60^\circ\text{C}$ tính FI, xác định SGR, FCR. Lấy máu phân tích hồng cầu, hematocrit, $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$.
Xử lý nước thải bằng bèo lục bình Nước thải từ 4 bể nuôi cá tra ($1,2\text{ m}^3/\text{bể}$); hệ thống 4 ngăn nối tiếp ($135\text{ L/ngăn}$, lưu lượng $150\text{ L/ngày}$, thời gian lưu $21,6\text{ h/ngăn}$) 3 nghiệm thức (4 lần lặp lại): Nước thải không cây (ĐC); Nước thải + Lục bình (LB); Nước thải + Lục bình + Sục khí (LB+SK, $7,5\text{ L/phút/ngăn}$). Thu mẫu tại đầu vào và đầu ra các ngăn vào các ngày 32, 64, 96. Phân tích $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{CO}_2$, $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{BOD}_5$, SS theo tiêu chuẩn APHA. Đo sinh trưởng lục bình.

Nguồn dữ liệu và phân tích số liệu: Toàn bộ dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc thực địa và phòng thí nghiệm được xử lý thống kê, so sánh trung bình (ANOVA, Duncan) và xác định nồng độ gây chết 50% sinh vật ($\text{LC}_{50}$) tại các mốc thời gian quy định.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1 làm rõ bối cảnh phát triển của ngành nuôi cá tra thâm canh tại ĐBSCL, nêu bật các nguy cơ suy thoái môi trường nước và dịch bệnh do tải lượng chất thải hữu cơ, đạm vô cơ ($\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$) và $\text{H}2\text{S}$. Tác giả xác lập hệ thống 3 mục tiêu cụ thể, 4 nội dung nghiên cứu chính, phân tích ý nghĩa khoa học - thực tiễn và khẳng định 4 điểm mới của đề tài về quy luật biến động chất lượng nước ao nuôi, độ độc cấp tính $\text{LC}{50}$, tác động của TAN lên tăng trọng và giải pháp đất ngập nước xử lý nước thải bằng lục bình.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 2 trình bày tổng quan lý luận gồm 6 phân mục lớn:

  1. Đặc điểm phân loại học loài Pangasianodon hypophthalmus, cấu tạo hình thái, phân bố địa lý trên lưu vực sông Mekong, tập tính di cư sinh sản, dinh dưỡng và sinh trưởng.
  2. Diễn biến diện tích và sản lượng cá tra tại các tỉnh ĐBSCL giai đoạn 2008–2015.
  3. Nguồn gốc thức ăn dư thừa, phân cá và chu trình chuyển hóa đạm vô cơ trong ao nuôi; các yếu tố ảnh hưởng (DO, pH, độ kiềm, nhiệt độ, tuổi cá) và cân bằng nhiệt động học phân ly $\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$; cơ chế gây độc và đào thải amon của cá.
  4. Nguồn gốc sinh khí $\text{H}_2\text{S}$ qua phản ứng phản sunfua hóa và phân hủy chất hữu cơ; cân bằng phân ly $\text{H}_2\text{S}/\text{HS}^-$; cơ chế gây ngạt tế bào và độc tính đối với các loài cá nước ngọt.
  5. Hiện trạng xả thải nước ao nuôi cá tra thâm canh và tỷ lệ ao lắng xử lý thấp tại ĐBSCL.
  6. Nguyên lý xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh trong mô hình đất ngập nước kiến tạo và tiềm năng sinh khối của lục bình (Eichhornia crassipes).

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình bố trí thí nghiệm, vật liệu nghiên cứu và phương pháp phân tích:

  • Quy cách 3 ao nuôi thực địa tại Ô Môn (diện tích $5.000\text{ m}^2$, sâu 3 m, mật độ 44–46 con/$\text{m}^2$) cùng quy trình thu mẫu 24 giờ liên tục theo 3 độ sâu tại các mốc 30, 110, 195 ngày.
  • Phương pháp xác định $\text{LC}_{50}$ của TAN (nước tĩnh 96 giờ) và tổng sunfua (thay nước định kỳ 24 giờ) trên cá tra giống ($8,1 \pm 0,2\text{ g/con}$) ở pH 6, 7 và 8.
  • Phương pháp đánh giá sinh trưởng, hiệu quả thức ăn (FI, SGR, FCR) và huyết học cá tra trong 90 ngày ở các nồng độ TAN (0; 6,5; 10; 26,5 mg/L) dưới hai dải pH (6,5–7,0 và 7,5–8,0).
  • Cấu trúc hệ thống đất ngập nước 4 ngăn nối tiếp (thời gian lưu lý thuyết $21,6\text{ h/ngăn}$, tổng $86,4\text{ h}$) trồng lục bình mật độ 22 cây/$\text{m}^2$ với 3 nghiệm thức (ĐC, LB, LB+SK) để xử lý nước thải ao nuôi cá tra.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 4 tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được:

  1. Diễn biến chất lượng nước trong ao nuôi cá tra thâm canh:

    • Nhiệt độ dao động từ 24,5 đến $35,8^\circ\text{C}$; pH dao động 6,05–7,78 và DO dao động 0,01–7,55 mg/L. Các yếu tố này có sự phân tầng theo độ sâu và biến thiên theo giờ trong ngày cũng như giảm dần về cuối vụ nuôi ($p < 0,05$).
    • Nồng độ TAN, $\text{NO}_2^-\text{-N}$ và $\text{NO}_3^-\text{-N}$ không có sự khác biệt mang ý nghĩa thống kê theo thời gian trong ngày và độ sâu tầng nước ($p > 0,05$).
    • TAN có xu hướng tích lũy tăng dần theo thời gian nuôi ($p < 0,05$): giá trị trung bình ở thời điểm 30, 110 và 195 ngày nuôi lần lượt là 1,4 mg/L; 3,2 mg/L và 5,7 mg/L; nồng độ đỉnh đạt 9,19 mg/L ở cuối vụ.
    • Ngược lại, $\text{NO}_2^-\text{-N}$ và $\text{NO}_3^-\text{-N}$ giảm dần theo thời gian nuôi ($p < 0,05$): $\text{NO}_2^-\text{-N}$ trung bình sau 30, 110 và 195 ngày lần lượt là 1,15; 0,34 và 0,42 mg/L; $\text{NO}_3^-\text{-N}$ trung bình tương ứng là 1,78; 1,21 và 0,27 mg/L.
    • Nồng độ $\text{H}_2\text{S}$ trong ao dao động trong khoảng 0,001–0,693 mg/L.

  2. Độc cấp tính của TAN và tổng sunfua đối với cá tra giống:

    • Giá trị $\text{LC}_{50}\text{-96h}$ của TAN đối với cá tra giảm mạnh khi pH tăng: tại pH 6 đạt 1.599 mg/L; tại pH 7 đạt 327 mg/L; tại pH 8 đạt 67 mg/L.
    • Giá trị $\text{LC}_{50}\text{-24h}$ của tổng sunfua tăng lên khi pH tăng: tại pH 6 đạt 2,61 mg/L; tại pH 7 đạt 6,44 mg/L; tại pH 8 đạt 7,83 mg/L. Kết quả chỉ ra cá tra có ngưỡng chống chịu với TAN và $\text{H}_2\text{S}$ cao hơn đáng kể so với nồng độ ghi nhận trong môi trường ao nuôi tự nhiên.

  3. Ảnh hưởng của TAN lên tăng trọng và huyết học của cá tra:

    • Ở pH 6,5–7,0: nghiệm thức nồng độ TAN 10 mg/L cho lượng thức ăn tiêu thụ hàng ngày (FI) bằng 87,2% so với đối chứng, nhưng tốc độ tăng trưởng tương đối (SGR) đạt 116,9% và khối lượng tươi đạt 107,8% so với đối chứng.
    • Ở pH 7,5–8,0: nghiệm thức TAN 6,5 mg/L có FI bằng 95,9% so với đối chứng, nhưng SGR đạt 112,8% và khối lượng tươi đạt 111,1% so với đối chứng.
    • Ở các mức nồng độ TAN cao hơn (26,5 mg/L ở pH 6,5–7,0 và 10 mg/L ở pH 7,5–8,0), lượng thức ăn cá tiêu thụ tăng nhưng SGR và khối lượng tươi giảm sút so với đối chứng.
    • Các chỉ tiêu huyết học (hematocrit và nồng độ ion $\text{Na}^+$ trong huyết tương) có khuynh hướng giảm dần khi gia tăng nồng độ TAN trong môi trường.

  4. Hiệu quả xử lý nước thải ao nuôi cá tra của lục bình:

    • Nước thải đầu vào có nồng độ trung bình: $\text{NH}_4^+\text{-N} = 3,3 \pm 0,07\text{ mg/L}$, $\text{PO}_4^{3-}\text{-P} = 0,9 \pm 0,05\text{ mg/L}$, $\text{H}_2\text{S} = 1,05 \pm 0,05\text{ mg/L}$, $\text{SS} = 71,6 \pm 5,4\text{ mg/L}$ và $\text{CO}_2 = 24,3 \pm 0,5\text{ mg/L}$.
    • Nghiệm thức kết hợp lục bình và sục khí (LB+SK) cho hiệu suất xử lý chất ô nhiễm cao nhất. Các chỉ tiêu $\text{NH}_4^+\text{-N}$, $\text{H}_2\text{S}$ và $\text{CO}_2$ đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 08:2008/BTNMT cột A2 và Thông tư 44/2010/TT-BNNPTNT) ngay tại ngăn thứ nhất với thời gian lưu 21,6 giờ. Chỉ tiêu $\text{NO}_2^-\text{-N}$ đạt quy chuẩn sau khi qua ngăn thứ hai với thời gian lưu 43,2 giờ.
    • Ở các nghiệm thức có sục khí, tỷ lệ lục bình chết tăng dần qua các ngăn sau theo thời gian lưu nước.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Chương 5 đúc kết các phát hiện định lượng chính từ 4 nội dung thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật quản lý chế độ thay nước ao nuôi dựa trên chu kỳ ngày - đêm, kiểm soát pH để hạn chế độc tính $\text{NH}_3$, ứng dụng hệ thống đất ngập nước trồng lục bình có sục khí để xử lý nước thải trước khi xả ra môi trường bên ngoài.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về cơ sở dữ liệu quan trắc: Luận án cung cấp bộ dữ liệu đầy đủ về quy luật biến động theo thời gian trong ngày (chu kỳ 24 giờ), theo độ sâu tầng nước và theo giai đoạn sinh trưởng của cá (30, 110, 195 ngày) đối với các thông số nhiệt độ, pH, DO, TAN, $\text{NO}_2^-\text{-N}$, $\text{NO}_3^-\text{-N}$ và $\text{H}_2\text{S}$ trong ao nuôi cá tra thâm canh.
  2. Về ngưỡng độc học sinh thái: Luận án xác định chính xác giá trị $\text{LC}{50}\text{-96h}$ của TAN (1.599; 327 và 67 mg/L) và $\text{LC}{50}\text{-24h}$ của tổng sunfua (2,61; 6,44 và 7,83 mg/L) đối với cá tra cỡ giống ở các mức pH tương ứng 6, 7 và 8. Kết quả chứng minh cá tra có khả năng chịu đựng TAN và $\text{H}_2\text{S}$ rất cao, vượt xa nồng độ tồn tại thực tế trong ao nuôi.
  3. Về đáp ứng sinh trưởng của cá tra: Phát hiện hiện tượng cá tra tăng trưởng tốt hơn đối chứng ở nồng độ TAN vừa phải (10 mg/L TAN ở pH 6,5–7,0 và 6,5 mg/L TAN ở pH 7,5–8,0), thể hiện qua việc cá tiêu thụ lượng thức ăn ít hơn nhưng đạt tốc độ tăng trưởng (SGR) và khối lượng tươi cao hơn so với nghiệm thức đối chứng.
  4. Về giải pháp công nghệ môi trường: Xác lập cơ sở khoa học và thông số vận hành cho mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt kết hợp lục bình và sục khí, đưa các thông số $\text{NH}_4^+\text{-N}$, $\text{NO}_2^-\text{-N}$, $\text{NO}_3^-\text{-N}$ đạt Cột A2 QCVN 08:2008/BTNMT và các thông số SS, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{CO}_2$ đạt Thông tư 44/2010/TT-BNNPTNT ở thời gian lưu nước từ 21,6 đến 43,2 giờ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Vận dụng quy luật biến động hàng ngày của DO, pH và TAN để điều chỉnh thời điểm cho ăn và chế độ cấp - thoát nước ao nuôi theo con nước triều phù hợp, nhằm hạn chế tích tụ độc chất trong ao.
  • Duy trì pH nước ao nuôi ở mức trung tính hoặc hơi acid nhẹ (pH 6,5–7,0) để làm giảm nồng độ phân ly của dạng $\text{NH}_3\text{-N}$ tự do gây độc.
  • Áp dụng mô hình hồ sinh học nhiều ngăn trồng lục bình kết hợp sục khí ngắt quãng tại các vùng nuôi thâm canh để xử lý nước thải đạt quy chuẩn ngành trước khi xả ra sông rạch.
  • Cần định kỳ thu hoạch phần lục bình già, sinh khối rễ chết trong các ngăn xử lý nhằm tránh hiện tượng phân hủy yếm khí gây tái ô nhiễm nguồn nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm xử lý nước thải bằng đất ngập nước kết hợp lục bình mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (bể composite $135\text{ L/ngăn}$), chưa phản ánh hết các biến động thời tiết, mưa bão và chế độ thủy văn phức tạp ở quy mô ao hồ thực tế. Thí nghiệm độc tính và tăng trọng mới tập trung thực hiện trên đối tượng cá tra giai đoạn cá giống ($8,1\text{ g}$ và $11,4\text{ g}$), chưa khảo sát trên cá thương phẩm kích cỡ lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng thử nghiệm mô hình đất ngập nước dòng chảy mặt kết hợp lục bình ở quy mô pilot hoặc trang trại thực tế tại các vùng nuôi cá tra tập trung.
    • Nghiên cứu cơ chế enzyme và con đường trao đổi chất chi tiết giúp cá tra chuyển hóa và chịu đựng nồng độ TAN cao ở cấp độ tế bào.
    • Đánh giá khả năng tận dụng sinh khối lục bình sau xử lý nước thải để làm phân hữu cơ hoặc thức ăn chăn nuôi.

Giá trị tham khảo

  • Đối với các nhà nghiên cứu và học viên sau đại học chuyên ngành Môi trường, Nuôi trồng Thủy sản và Độc học Môi trường: Luận án cung cấp phương pháp bố trí thí nghiệm độc cấp tính ($\text{LC}_{50}$) có kiểm soát pH tự động, kỹ thuật thay nước định kỳ đối với các chất dễ bay hơi ($\text{H}_2\text{S}$) và hệ phương trình cân bằng hóa lý của các dạng đạm, sunfua.
  • Đối với các cơ quan quản lý nhà nước và xây dựng chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để rà soát, điều chỉnh các chỉ tiêu chất lượng nước cấp và nước thải trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) về nuôi cá tra thương phẩm.
  • Đối với người nuôi và kỹ sư quản lý trang trại thủy sản: Cung cấp các thông số kỹ thuật thực tiễn về ngưỡng an toàn của TAN, $\text{H}_2\text{S}$, giúp tối ưu hóa chi phí thức ăn, nâng cao hiệu quả chuyển đổi thức ăn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải bằng thực vật chi phí thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Ngưỡng độc cấp tính ($\text{LC}_{50}\text{-96h}$) của TAN đối với cá tra giống ở các mức pH khác nhau là bao nhiêu?

Theo kết quả thực nghiệm của luận án, nồng độ TAN gây chết 50% cá tra giống trong 96 giờ ($\text{LC}_{50}\text{-96h}$) tại pH 6 là 1.599 mg/L; tại pH 7 là 327 mg/L; và tại pH 8 là 67 mg/L. Độc tính của TAN tăng mạnh khi pH tăng do tỷ lệ chuyển hóa từ ion $\text{NH}_4^+$ sang dạng phân tử $\text{NH}_3\text{-N}$ tự do tăng lên.

2. Sự thay đổi nồng độ các dạng đạm vô cơ trong ao nuôi cá tra thâm canh diễn biến như thế nào qua các giai đoạn vụ nuôi?

Trong quá trình nuôi (khảo sát ở 30, 110 và 195 ngày sau khi thả):

  • TAN tăng dần theo thời gian nuôi ($p < 0,05$), với nồng độ trung bình lần lượt là 1,4 mg/L (30 ngày), 3,2 mg/L (110 ngày) và 5,7 mg/L (195 ngày), đạt đỉnh cao nhất 9,19 mg/L.
  • $\text{NO}_2^-\text{-N}$ giảm dần ($p < 0,05$): trung bình đạt 1,15 mg/L (30 ngày), 0,34 mg/L (110 ngày) và 0,42 mg/L (195 ngày).
  • $\text{NO}_3^-\text{-N}$ giảm dần ($p < 0,05$): trung bình đạt 1,78 mg/L (30 ngày), 1,21 mg/L (110 ngày) và 0,27 mg/L (195 ngày).

3. Nồng độ TAN ở mức độ nào giúp kích thích cá tra tăng trưởng tốt hơn đối chứng?

Sau 90 ngày thí nghiệm, ở điều kiện pH 6,5–7,0 với nồng độ TAN 10 mg/L, lượng thức ăn cá tiêu thụ chỉ bằng 87,2% đối chứng nhưng tốc độ tăng trưởng (SGR) đạt 116,9% và khối lượng tươi đạt 107,8% so với đối chứng. Tương tự ở pH 7,5–8,0 với nồng độ TAN 6,5 mg/L, lượng thức ăn tiêu thụ bằng 95,9% đối chứng nhưng SGR đạt 112,8% và khối lượng tươi đạt 111,1% so với đối chứng.

4. Hệ thống đất ngập nước trồng lục bình kết hợp sục khí xử lý nước thải đạt quy chuẩn sau thời gian lưu nước bao lâu?

Trong mô hình 4 ngăn nối tiếp có sục khí ($7,5\text{ L/phút/ngăn}$):

  • Các chỉ tiêu $\text{NH}_4^+\text{-N}$, $\text{H}_2\text{S}$ và $\text{CO}_2$ đạt quy chuẩn ngành (QCVN 08:2008/BTNMT cột A2 và Thông tư 44/2010/TT-BNNPTNT) ngay tại ngăn thứ nhất ở thời gian lưu nước 21,6 giờ.
  • Chỉ tiêu $\text{NO}_2^-\text{-N}$ đạt quy chuẩn sau khi qua ngăn thứ hai với tổng thời gian lưu nước 43,2 giờ.

5. Nồng độ gây chết $\text{LC}_{50}\text{-24h}$ của tổng sunfua đối với cá tra thay đổi như thế nào theo pH?

Giá trị $\text{LC}_{50}\text{-24h}$ của tổng sunfua đối với cá tra giống tại pH 6, 7 và 8 lần lượt là 2,61 mg/L; 6,44 mg/L và 7,83 mg/L. Ở pH thấp (môi trường acid), tỷ lệ phân ly thành khí $\text{H}_2\text{S}$ tự do cao hơn nên độc tính của tổng sunfua đối với cá tăng lên rõ rệt.

Kết luận

Luận án đã xác định quy luật biến động theo chu kỳ ngày - đêm, độ sâu và thời gian nuôi của các thông số chất lượng nước trong ao nuôi cá tra thâm canh tại ĐBSCL, ghi nhận sự gia tăng tích lũy của TAN và sự suy giảm của $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}3^-$, pH và DO về cuối vụ. Nghiên cứu xác lập các ngưỡng độc học cấp tính $\text{LC}{50}$ của TAN và tổng sunfua ở các mức pH khác nhau, chứng minh cá tra có khả năng chống chịu cao với hai độc chất này và phát hiện ngưỡng nồng độ TAN vừa phải giúp nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn và tăng trưởng của cá. Đồng thời, luận án đã kiểm chứng hiệu quả xử lý nước thải ao nuôi cá tra của mô hình đất ngập nước trồng lục bình kết hợp sục khí, làm sạch các chỉ tiêu $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{H}_2\text{S}$ đạt quy chuẩn môi trường ở thời gian lưu từ 21,6 đến 43,2 giờ.