Tổng quan nghiên cứu

Nghề nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là nuôi cá rô phi, đã trở thành ngành kinh tế quan trọng tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới. Theo ước tính, diện tích nuôi cá rô phi tại Việt Nam năm 2015 đạt khoảng 21.000 ha với sản lượng 150 nghìn tấn, xuất khẩu sang hơn 60 quốc gia, đạt kim ngạch trên 36 triệu USD. Sản lượng cá rô phi toàn cầu năm 2017 đạt khoảng 6 triệu tấn, trong đó Trung Quốc chiếm 27,65% với 1,8 triệu tấn. Việt Nam đứng thứ 6 thế giới với sản lượng trên 300 nghìn tấn. Dự kiến đến năm 2028, sản lượng cá rô phi toàn cầu sẽ tăng lên khoảng 9 triệu tấn, tăng 28,5% so với năm 2019.

Tuy nhiên, sự phát triển nuôi cá rô phi thâm canh với mật độ cao dẫn đến ô nhiễm môi trường ao nuôi, đặc biệt là sự tích tụ các khí độc như NH3, NO2-, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cá và làm bùng phát dịch bệnh. Bệnh xuất huyết do vi khuẩn Streptococcus agalactiae là một trong những bệnh nguy hiểm, gây tỷ lệ chết lên đến 90-100% trong các đợt dịch tại Việt Nam từ năm 2009 đến nay. Việc sử dụng kháng sinh và hóa chất trong phòng trị bệnh không những tốn kém mà còn gây ra hiện tượng kháng thuốc và tồn dư kháng sinh trong sản phẩm thủy sản, ảnh hưởng đến xuất khẩu.

Mục tiêu nghiên cứu là tạo ra chế phẩm sinh học từ các chủng vi khuẩn Bacillus có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi, giảm nồng độ khí độc NH4+, NO2- và phòng bệnh xuất huyết trên cá rô phi do Streptococcus agalactiae gây ra. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại công ty TNHH Dược Hanvet từ tháng 10/2018 đến 05/2020, tập trung vào các chủng Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis và Bacillus pumilus. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững, nâng cao năng suất và chất lượng cá rô phi, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vi sinh vật probiotic trong nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là vai trò của vi khuẩn Bacillus trong xử lý môi trường và phòng bệnh. Bacillus là nhóm vi khuẩn gram dương, có khả năng sinh bào tử chịu nhiệt, sinh enzyme ngoại bào (amylase, protease, cellulase, xylanase) giúp phân hủy các chất hữu cơ dư thừa trong ao nuôi. Ngoài ra, Bacillus còn sản sinh các chất kháng khuẩn ức chế vi khuẩn gây bệnh như Streptococcus agalactiae.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm: (1) Khả năng sinh enzyme thủy phân các hợp chất hữu cơ trong môi trường ao nuôi; (2) Khả năng khử khí độc NH4+ và NO2- trong nước; (3) Tính đối kháng và ức chế vi khuẩn gây bệnh Streptococcus agalactiae. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh Bacillus subtilis có thể hấp thu đến 99,55% NH4+ và Bacillus licheniformis có khả năng khử nitrit trên 95% trong điều kiện hóa dị dưỡng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nước ao nuôi cá rô phi khỏe mạnh đã nuôi từ 5-8 tháng tại các tỉnh phía Bắc như Nam Định, Hải Phòng, Hải Dương, Bắc Ninh, Hưng Yên. Tổng số 68 chủng vi khuẩn được phân lập, trong đó 55 chủng là Bacillus gram dương.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân lập và tuyển chọn chủng Bacillus dựa trên đặc điểm hình thái, sinh hóa và khả năng sinh enzyme ngoại bào (amylase, protease, cellulase, xylanase).
  • Đánh giá khả năng khử khí độc NH4+ và NO2- bằng phương pháp Griess và Nesstle.
  • Xác định tính đối kháng với Streptococcus agalactiae qua phương pháp khuếch tán dịch lọc trên môi trường thạch.
  • Định danh chủng bằng phản ứng sinh hóa API 50CH và giải trình tự gen 16S rRNA.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH, môi trường dinh dưỡng, lưu lượng khí) đến sinh trưởng của các chủng Bacillus trên hệ thống lên men 5 lít.
  • Tạo chế phẩm vi sinh từ sinh khối thu được phối trộn với tá dược (tinh bột sắn, maltodextrin), sấy khô và đánh giá độ ổn định trong 30 tháng.
  • Thí nghiệm đánh giá hiệu quả chế phẩm trong bể nuôi cá rô phi với các nồng độ khác nhau (500-3000 g/1000 m3) theo dõi nồng độ NO2-, NH4+, tăng trọng cá và khả năng ức chế Streptococcus agalactiae trong 2 tháng.

Phương pháp xử lý số liệu sử dụng thống kê mô tả, so sánh và phân tích trên phần mềm Excel 2016. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 5 bể mỗi bể 400 lít nước, 50 con cá rô phi trọng lượng 38-42 g, lặp lại 3 lần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và tuyển chọn chủng Bacillus có hoạt tính sinh học mạnh
    Từ 68 chủng phân lập, 55 chủng là Bacillus gram dương. Trong đó, ba chủng nổi bật là Bacillus subtilis SHV27, Bacillus licheniformis SHV43 và Bacillus pumilus SHV52 có khả năng sinh enzyme amylase, protease, cellulase, xylanase với đường kính vòng phân giải enzyme từ 5 đến 8 mm, đồng thời có khả năng khử NO2- và NH4+ lần lượt đạt trên 28% và 2,8%. Các chủng này cũng thể hiện tính đối kháng rõ rệt với Streptococcus agalactiae, tạo vòng vô khuẩn trên môi trường thạch.

  2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến sinh trưởng Bacillus
    Nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng của Bacillus subtilis SHV27 là 37-40°C, pH tối ưu từ 7,0 đến 7,5. Môi trường dinh dưỡng MT1 (chiết xuất từ đậu tương, cà chua, trùn quế) cho mật độ tế bào cao hơn so với môi trường Nutrient Broth. Lưu lượng khí vào cũng ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng, với lưu lượng tối ưu giúp tăng mật độ tế bào lên đến 10^9 CFU/ml sau 24-36 giờ nuôi cấy.

  3. Hiệu quả của chế phẩm vi sinh trong xử lý môi trường ao nuôi
    Khi bổ sung chế phẩm với nồng độ 1000-2000 g/1000 m3, nồng độ NO2- và NH4+ trong nước giảm lần lượt 35% và 30% so với đối chứng sau 60 ngày. Tăng trọng cá rô phi trong các bể có chế phẩm tăng 15-20% so với bể không bổ sung. Nồng độ Streptococcus agalactiae giảm mạnh trong các bể có chế phẩm, đặc biệt ở nồng độ 2000 g/1000 m3, giảm trên 80% sau 3 ngày bổ sung.

  4. Độ ổn định và tuổi thọ chế phẩm
    Chế phẩm vi sinh được bảo quản ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng, duy trì hoạt tính sinh học ổn định trong vòng 30 tháng, đảm bảo mật độ vi khuẩn trên 10^8 CFU/g.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của Bacillus trong xử lý môi trường và phòng bệnh thủy sản. Khả năng sinh enzyme ngoại bào giúp phân hủy thức ăn thừa và chất hữu cơ, giảm thiểu khí độc NH4+ và NO2-, từ đó cải thiện chất lượng nước ao nuôi. Tính đối kháng với Streptococcus agalactiae cho thấy chế phẩm có tiềm năng phòng bệnh xuất huyết hiệu quả, giảm sự phụ thuộc vào kháng sinh.

Việc tối ưu điều kiện nuôi cấy và tạo chế phẩm giúp nâng cao mật độ vi khuẩn và độ ổn định sản phẩm, phù hợp với yêu cầu ứng dụng thực tế trong nuôi trồng thủy sản. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu quả giảm khí độc và tăng trưởng cá đạt mức tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ tính khả thi của chế phẩm trong điều kiện Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ NO2-, NH4+ theo thời gian và biểu đồ tăng trọng cá ở các nhóm thí nghiệm, cũng như bảng so sánh kích thước vòng vô khuẩn của các chủng Bacillus đối với Streptococcus agalactiae.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng chế phẩm vi sinh Bacillus trong nuôi cá rô phi thâm canh
    Khuyến nghị sử dụng chế phẩm với liều 1000-2000 g/1000 m3 nước ao nuôi, bổ sung định kỳ 7 ngày/lần để giảm khí độc và phòng bệnh xuất huyết. Thời gian áp dụng liên tục trong suốt chu kỳ nuôi (5-8 tháng).

  2. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và sản xuất chế phẩm
    Đề xuất các cơ sở sản xuất áp dụng quy trình lên men ở nhiệt độ 37-40°C, pH 7,0-7,5 và kiểm soát lưu lượng khí để đảm bảo mật độ vi khuẩn cao, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật cho người nuôi trồng thủy sản
    Tổ chức các khóa tập huấn về sử dụng chế phẩm sinh học, quản lý chất lượng nước và phòng bệnh sinh học nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng cho người dân và doanh nghiệp.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục và mở rộng ứng dụng
    Khuyến nghị các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển các chế phẩm probiotic đa chủng, mở rộng ứng dụng cho các đối tượng thủy sản khác và nghiên cứu tác động lâu dài đến môi trường và sức khỏe người tiêu dùng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Người nuôi trồng thủy sản
    Hướng dẫn áp dụng chế phẩm sinh học để cải thiện chất lượng nước, tăng năng suất và phòng bệnh hiệu quả, giảm chi phí thuốc kháng sinh.

  2. Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học
    Cung cấp cơ sở khoa học và quy trình công nghệ để phát triển sản phẩm probiotic chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu thị trường nuôi trồng thủy sản.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, thủy sản
    Tham khảo phương pháp phân lập, tuyển chọn vi sinh vật, kỹ thuật lên men và đánh giá hiệu quả chế phẩm trong môi trường nuôi cá.

  4. Cơ quan quản lý và chính sách
    Làm cơ sở xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng biện pháp sinh học trong nuôi trồng thủy sản, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chế phẩm vi sinh Bacillus có an toàn cho cá và môi trường không?
    Có. Bacillus là vi khuẩn gram dương không gây bệnh, có khả năng sinh bào tử chịu nhiệt và không sinh độc tố, được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản để cải thiện môi trường và phòng bệnh.

  2. Liều lượng sử dụng chế phẩm như thế nào là hiệu quả?
    Nghiên cứu cho thấy liều 1000-2000 g/1000 m3 nước ao nuôi là tối ưu, giúp giảm khí độc NH4+, NO2- và ức chế vi khuẩn gây bệnh, đồng thời tăng trưởng cá rõ rệt.

  3. Chế phẩm có thể thay thế hoàn toàn kháng sinh trong phòng bệnh không?
    Chế phẩm giúp giảm đáng kể sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh và tăng sức đề kháng cho cá, tuy nhiên trong một số trường hợp cấp tính, kháng sinh vẫn cần thiết. Việc kết hợp sử dụng hợp lý sẽ giảm thiểu tác hại của kháng sinh.

  4. Chế phẩm có thể bảo quản trong bao lâu và điều kiện nào?
    Chế phẩm được bảo quản ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng, duy trì hoạt tính ổn định trong vòng 30 tháng, đảm bảo mật độ vi khuẩn trên 10^8 CFU/g.

  5. Có thể áp dụng chế phẩm cho các loại thủy sản khác ngoài cá rô phi không?
    Có thể. Bacillus có tính phổ biến và hiệu quả trong nhiều loại thủy sản như tôm, cá chép, cá tra. Tuy nhiên cần nghiên cứu bổ sung để tối ưu hóa công thức và liều lượng phù hợp từng đối tượng.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công các chủng Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis và Bacillus pumilus có khả năng sinh enzyme thủy phân, khử khí độc và ức chế Streptococcus agalactiae.
  • Chế phẩm vi sinh từ các chủng Bacillus này giúp giảm nồng độ NH4+, NO2- trong ao nuôi, tăng trưởng cá rô phi lên 15-20% và giảm tỷ lệ vi khuẩn gây bệnh trên 80%.
  • Quy trình lên men và tạo chế phẩm được tối ưu với điều kiện nhiệt độ 37-40°C, pH 7,0-7,5, lưu lượng khí phù hợp, đảm bảo mật độ vi khuẩn cao và độ ổn định sản phẩm trong 30 tháng.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp sinh học bền vững trong nuôi trồng thủy sản, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sử dụng kháng sinh.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng chế phẩm trong nuôi cá rô phi thâm canh tại Việt Nam, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các đối tượng thủy sản khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở nuôi trồng thủy sản áp dụng chế phẩm, đồng thời phối hợp nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện công nghệ sản xuất để nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng thực tiễn.