Tổng quan nghiên cứu

Ngành nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam đã có sự phát triển nhanh chóng với sản lượng năm 2023 đạt khoảng 5.455,8 nghìn tấn, tăng 4,2% so với năm trước, trong đó tôm nước lợ chiếm diện tích nuôi lớn với 737 nghìn ha. Tuy nhiên, sự phát triển này đi kèm với các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm hữu cơ và dịch bệnh, đặc biệt là các bệnh do vi khuẩn Vibrio gây ra, có thể gây thiệt hại lên đến 100% sản lượng trong các đợt bùng phát dịch. Các vi khuẩn Vibrio như Vibrio harveyi và Vibrio parahaemolyticus là nguyên nhân chính gây ra các bệnh vibriosis, ảnh hưởng đến nhiều loài thủy sản và gây thiệt hại kinh tế lớn, ước tính khoảng 3 tỷ USD mỗi năm trên toàn cầu.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ sinh điện hóa có điện cực ở đáy (SBES) để kiểm soát tại chỗ các vi khuẩn Vibrio gây bệnh trong mô hình nuôi thủy sản nước lợ mô phỏng. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian vận hành các mô hình quy mô phòng thí nghiệm 10 L và quy mô pilot nuôi tôm thẻ chân trắng tại Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển một giải pháp kiểm soát dịch bệnh thân thiện môi trường, bền vững, thay thế cho các biện pháp hóa học và kháng sinh hiện nay, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về hệ thống sinh điện hóa (Bioelectrochemical Systems – BES), đặc biệt là hệ thống sinh điện hóa có điện cực ở đáy (Sediment Bioelectrochemical System – SBES). SBES hoạt động dựa trên nguyên lý vi sinh vật điện hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ trong bùn đáy, tạo ra dòng điện và các chất oxy hóa khử có khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vi khuẩn điện hóa: vi sinh vật có khả năng chuyển electron ra ngoài tế bào, xúc tác phản ứng điện hóa tại điện cực.
  • Thế oxy hóa khử (ORP): chỉ số đo khả năng oxy hóa hoặc khử của môi trường, ảnh hưởng đến hoạt động vi sinh vật và khả năng ức chế vi khuẩn.
  • Quorum sensing (QS): cơ chế giao tiếp tế bào vi khuẩn điều chỉnh biểu hiện gen độc lực, có thể bị can thiệp để kiểm soát vi khuẩn Vibrio.
  • Mật độ vi khuẩn (CFU/ml): đơn vị đo số lượng vi khuẩn sống trong mẫu, dùng để đánh giá hiệu quả ức chế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm GREENLAB và Trung tâm Khoa học Sự sống, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Các mô hình nghiên cứu gồm:

  • Mô hình phòng thí nghiệm quy mô 10 L: sáu cột mica cao 1,5 m, ba cột có lồng ghép SBES và ba cột đối chứng không có SBES, được làm giàu vi sinh vật điện hóa từ bùn đáy ao nuôi tôm nước lợ.
  • Mô hình pilot quy mô bể composite: bốn bể nuôi tôm thẻ chân trắng, hai bể có SBES và hai bể đối chứng.

Nguồn vi sinh vật gồm các chủng Vibrio harveyi NBRC15634, Vibrio parahaemolyticus NBRC12711 và chủng V. parahaemolyticus phân lập từ ao nuôi thực tế. Các dịch lọc nước SBES được lấy từ vị trí gần anode và cathode, lọc qua màng 0,22 µm để loại bỏ vi sinh vật trước khi thử nghiệm ức chế vi khuẩn.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp đếm khuẩn lạc trên môi trường TCBS, tính mật độ vi khuẩn theo log10(CFU/ml), và đánh giá độ giảm log (log reduction) để xác định hiệu quả ức chế. Các điều kiện vận hành như nồng độ cơ chất (COD), pH, thế oxy hóa khử, điện trở ngoài, khoảng cách và vị trí điện cực được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu quả ức chế.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ vài tuần đến 5 tháng, với các lần lấy mẫu định kỳ để đánh giá mật độ vi khuẩn và cường độ dòng điện của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Làm giàu vi sinh vật điện hóa và ổn định dòng điện: Sau 40 ngày vận hành, cường độ dòng điện của các cột SBES ổn định ở mức trung bình khoảng 2,19 - 2,85 mA, chứng tỏ hệ vi sinh vật điện hóa phát triển và duy trì ổn định trong môi trường nước lợ mô phỏng.

  2. Giảm mật độ Vibrio tổng số trong bùn đáy: Sau 5 tháng vận hành, mật độ Vibrio tổng số trong bùn đáy giảm đáng kể ở các cột có SBES, trung bình còn khoảng 1.600 CFU/g, thấp hơn gấp 4 lần so với cột đối chứng (6.400 CFU/g).

  3. Khả năng ức chế vi khuẩn Vibrio tại vị trí anode: Dịch lọc cột nước gần anode có khả năng ức chế mạnh các chủng V. harveyi, V. parahaemolyticus và chủng phân lập thực tế, với mật độ vi khuẩn giảm rõ rệt sau 180 phút tiếp xúc. Ngược lại, dịch lọc gần cathode không có tác dụng ức chế, thậm chí mật độ vi khuẩn có thể tăng lên.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành:

    • Nồng độ cơ chất (COD) tăng từ 94,1 đến 846,9 mg/L làm tăng hiệu quả ức chế Vibrio, với mức giảm log10 mật độ vi khuẩn cao nhất ở COD 846,9 mg/L.
    • pH trong khoảng 7-9 cho hiệu quả ức chế tốt nhất, pH quá cao hoặc quá thấp làm giảm khả năng ức chế.
    • Thế oxy hóa khử tại anode điều chỉnh từ -800 mV đến +400 mV ảnh hưởng đến hiệu quả ức chế, với mức thế khoảng -280 mV đến -80 mV cho kết quả tối ưu.
    • Điện trở ngoài và khoảng cách giữa anode và cathode cũng ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và hiệu quả ức chế, với điện trở ngoài 10 Ω và khoảng cách cathode-anode 104 cm là tối ưu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy SBES có khả năng làm giàu vi sinh vật điện hóa và tạo ra môi trường có thế oxy hóa khử phù hợp để ức chế vi khuẩn Vibrio gây bệnh. Việc giảm mật độ Vibrio trong bùn đáy và nước mô phỏng cho thấy SBES có thể kiểm soát vi khuẩn tại chỗ hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

Khả năng ức chế tập trung chủ yếu ở vùng gần anode do các chất oxy hóa khử được sinh ra tại đây, trong khi cathode không tạo ra môi trường ức chế đáng kể. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác dụng diệt khuẩn của anode BES.

Ảnh hưởng của các điều kiện vận hành như COD, pH, thế oxy hóa khử và điện trở ngoài cho thấy cần tối ưu hóa các thông số này để đạt hiệu quả kiểm soát vi khuẩn cao nhất. Các kết quả này cũng tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng BES trong xử lý ô nhiễm và kiểm soát vi sinh vật gây bệnh.

Việc vận hành thành công mô hình pilot với tôm thẻ chân trắng cho thấy SBES an toàn với thủy sản và có tiềm năng ứng dụng thực tế trong nuôi trồng thủy sản nước lợ tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng SBES trong ao nuôi thủy sản nước lợ: Lắp đặt hệ thống sinh điện hóa có điện cực ở đáy trong các ao nuôi để kiểm soát vi khuẩn Vibrio, giảm thiểu dịch bệnh và tăng năng suất. Thời gian triển khai nên bắt đầu từ các mô hình pilot trong 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành SBES: Điều chỉnh nồng độ cơ chất (COD khoảng 800 mg/L), pH duy trì trong khoảng 7-9, thế oxy hóa khử anode khoảng -280 đến -80 mV, và điện trở ngoài 10 Ω để đạt hiệu quả ức chế vi khuẩn tối ưu. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư và nhà quản lý ao nuôi.

  3. Đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật cho người nuôi: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành và bảo trì hệ thống SBES, cách theo dõi cường độ dòng điện và các chỉ số môi trường để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Thời gian đào tạo nên thực hiện trước khi lắp đặt hệ thống.

  4. Nghiên cứu mở rộng và giám sát lâu dài: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô và đa dạng hóa đối tượng nuôi, đồng thời giám sát lâu dài hiệu quả kiểm soát vi khuẩn và tác động môi trường. Các tổ chức nghiên cứu và cơ quan quản lý nên phối hợp thực hiện trong vòng 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, vi sinh vật học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về ứng dụng công nghệ sinh điện hóa trong kiểm soát vi khuẩn gây bệnh, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Chuyên gia và kỹ sư nuôi trồng thủy sản: Tham khảo để áp dụng công nghệ SBES vào thực tế, nâng cao hiệu quả kiểm soát dịch bệnh, giảm thiểu sử dụng kháng sinh và hóa chất độc hại.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp thủy sản: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng các chính sách phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững, khuyến khích ứng dụng công nghệ thân thiện môi trường.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị và chế phẩm sinh học: Tham khảo để phát triển các sản phẩm công nghệ sinh điện hóa phù hợp với nhu cầu thị trường, mở rộng ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. SBES là gì và hoạt động như thế nào trong kiểm soát vi khuẩn Vibrio?
    SBES là hệ thống sinh điện hóa có điện cực đặt ở đáy ao nuôi, nơi vi sinh vật điện hóa phân hủy chất hữu cơ tạo ra dòng điện và các chất oxy hóa khử tại anode, ức chế sự phát triển của vi khuẩn Vibrio gây bệnh. Ví dụ, trong nghiên cứu, mật độ Vibrio giảm đáng kể sau khi tiếp xúc với dịch lọc gần anode.

  2. SBES có an toàn cho thủy sản nuôi không?
    Nghiên cứu mô hình pilot với tôm thẻ chân trắng cho thấy SBES không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và tỷ lệ sống của tôm sau 22 ngày vận hành, chứng tỏ tính an toàn khi áp dụng trong nuôi trồng thủy sản.

  3. Điều kiện vận hành nào ảnh hưởng đến hiệu quả ức chế vi khuẩn của SBES?
    Các yếu tố như nồng độ cơ chất (COD), pH, thế oxy hóa khử tại anode, điện trở ngoài và khoảng cách giữa các điện cực đều ảnh hưởng đến hiệu quả ức chế. Ví dụ, COD khoảng 846,9 mg/L và pH từ 7 đến 9 cho hiệu quả tốt nhất.

  4. SBES có thể thay thế hoàn toàn các biện pháp kháng sinh và hóa chất không?
    SBES là giải pháp thân thiện môi trường và có tiềm năng giảm thiểu việc sử dụng kháng sinh, tuy nhiên cần kết hợp với các biện pháp quản lý dịch bệnh tổng hợp để đạt hiệu quả bền vững.

  5. Làm thế nào để triển khai SBES trong thực tế nuôi trồng thủy sản?
    Cần xây dựng mô hình pilot, đào tạo kỹ thuật viên vận hành, tối ưu hóa các thông số vận hành và giám sát liên tục hiệu quả kiểm soát vi khuẩn. Thời gian thử nghiệm thực tế nên kéo dài ít nhất 6-12 tháng để đánh giá toàn diện.

Kết luận

  • Hệ thống sinh điện hóa có điện cực ở đáy (SBES) có khả năng làm giàu vi sinh vật điện hóa và tạo ra môi trường ức chế vi khuẩn Vibrio trong mô hình nuôi thủy sản nước lợ mô phỏng.
  • Sau 5 tháng vận hành, mật độ vi khuẩn Vibrio tổng số trong bùn đáy giảm đáng kể, thấp hơn gấp 4 lần so với đối chứng không có SBES.
  • Dịch lọc gần anode của SBES có tác dụng ức chế mạnh các chủng Vibrio harveyi và Vibrio parahaemolyticus, trong khi dịch lọc gần cathode không có hiệu quả ức chế.
  • Các điều kiện vận hành như nồng độ cơ chất, pH, thế oxy hóa khử và điện trở ngoài cần được tối ưu để đạt hiệu quả kiểm soát vi khuẩn cao nhất.
  • Nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng SBES trong thực tế nuôi trồng thủy sản nước lợ tại Việt Nam, góp phần kiểm soát dịch bệnh bền vững và thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai các mô hình pilot tại các vùng nuôi trọng điểm, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên và giám sát hiệu quả vận hành để chuẩn bị cho ứng dụng rộng rãi trong ngành nuôi trồng thủy sản.