Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá tra việt nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Lê Xuân Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Xuân Hiển
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng chuyển hóa chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến môi trường ao nuôi cá tra Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• Mục đích nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Các đóng góp của luận án
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về cá Tra
• 1.1.1. Đặc điểm hình thái
• 1.1.2. Đặc điểm phân bố
• 1.1.3. Đặc điểm sinh trưởng
• 1.1.4. Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra
• 1.1.4.1. Cân bằng dinh dưỡng trong ao nuôi
• 1.1.4.2. Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra
• 1.1.5. Quản lý chất lượng nước
• 1.1.6. Phòng trị bệnh
• 1.1.7. Thu hoạch cá Tra
• 1.2. Các vấn đề môi trường trong ao nuôi cá Tra
• 1.2.1. Các thông số thủy lý
• 1.2.1.1. Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)
• 1.2.2. Các thông số thủy hóa trong ao nuôi
• 1.2.2.1. Tổng nitơ amôn
• 1.2.2.2. Tổng phốt pho
• 1.2.3. Tính chất của bùn đáy ao nuôi cá Tra
• 1.2.3.1. Nồng độ chất hữu cơ
• 1.2.3.2. Tổng phốt pho (TP)
• 1.2.3.3. Biến động nồng độ Ca và Mg (mg/kg)
• 1.2.3.4. Nồng độ các nguyên tố vi lượng – kim loại nặng
• 1.2.4. Tảo và các chất hữu cơ trong ao
• 1.2.5. Các chu trình sinh học trong ao
• 1.2.5.1. Chu trình nitơ
• 1.2.5.2. Chu trình phốt pho
• 1.2.5.3. Chu trình các bon
• 1.2.6. Các quá trình chuyển hóa trong bùn đáy ao
• 1.3. Enzyme trong thức ăn thủy sản
• 1.3.1. Vai trò và tác dụng của enzyme phytase trong thức ăn thủy sản
• 1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng của enzyme phytase trong nuôi trồng thủy sản
• 1.4. Mô hình và mô hình hóa
• 1.4.1. Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường
• 1.4.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường
• 1.4.3. Mô hình hóa chất lượng môi trường nước ao, hồ
• 1.4.3.1. Các tính chất đặc trưng của hồ
• 1.4.3.2. Các quá trình chuyển đổi vật chất trong hồ
• 1.4.4. Các nghiên cứu về mô phỏng mô hình lưới thức ăn
• 1.4.4.1. Giới thiệu chung mô hình lưới thức ăn
• 1.4.4.2. Tính toán, mô phỏng các mối quan hệ trong lưới thức ăn trong ao nuôi cá
• 1.4.5. Một số mô hình được nghiên cứu trên thế giới
• 1.4.5.1. Mô hình PCLake nghiên cứu về hiện tượng phú dưỡng trong hồ nông
• 1.4.5.2. Nghiên cứu về mô hình hóa chu trình photpho gây phú dưỡng hồ Loosdrecht
• 1.4.5.3. Nghiên cứu mô hình động lực dinh dưỡng trong ao nuôi cá bán thâm canh
• 1.4.5.4. Nghiên cứu mô hình phú dưỡng hồ Washington
• 1.4.5.5. Mô phỏng các chất dinh dưỡng và động học của thực vật phù du trong hồ Bắc Mỹ
• 1.4.6. Các nghiên cứu về xây dựng mô hình mô phỏng trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Thí nghiệm, thu mẫu và phân tích các thông số môi trường ao nuôi
• 2.2.1. Bố trí thí nghiệm
• 2.2.2. Phương pháp thu mẫu và phân tích
• 2.2.2.1. Đánh giá hiệu quả sử dụng thức ăn
• 2.2.2.2. Phương pháp thu mẫu và phân tích
• 2.3. Thiết lập mô hình
• 2.3.1. Cơ sở thiết lập các phương trình
• 2.3.1.1. Mô hình các quá trình sinh học trong đầm hồ và đầm hồ nuôi cá Tra
• 2.3.1.2. Mô hình hóa sự phát triển của cá Tra
• 2.3.2. Mô hình khái niệm ao nuôi cá Tra
• 2.3.2.1. Các giả thiết của mô hình
• 2.3.2.2. Mô hình khái niệm
• 2.3.2.3. Ma trận tác động tương hỗ
• 2.3.2.4. Cơ sở thiết lập mối quan hệ toán học giữa các cấu tử và các quá trình sinh học xảy ra trong ao nuôi
• 2.3.3. Xây dựng các phương trình toán học
• 2.3.3.1. Phương trình sự phát triển của cá trong hồ nuôi cá Tra
• 2.3.3.2. Các phương trình tính toán các thông số môi trường
• 2.3.4. Giải hệ phương trình vi phân
• 2.3.5. Giải bằng phương pháp số trên cơ sở ngôn ngữ máy tính
• 2.4. Phương pháp phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình
• 2.4.1. Phân tích độ nhạy
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của enzyme phytase đến môi trường trong ao nuôi
• 3.1.1. Biến động nhiệt độ, pH, DO giữa đối chứng và thí nghiệm
• 3.1.2. Biến động của BOD và COD
• 3.1.3. Biến động của TSS
• 3.1.4. Biến động của TAN, NH3 và NH4+
• 3.1.5. Biến động N-NO2-, N-NO3-
• 3.1.6. Biến động P-PO43- và TP
• 3.1.7. Biến động TN, TP bùn đáy ao
• 3.2. Đánh giá ảnh hưởng của bổ sung enzym phytase lên hiệu quả sử dụng thức ăn và môi trường ao nuôi cá Tra
• 3.2.1. Đánh giá tốc độ tăng trưởng, tỉ lệ sống và hiệu quả sử dụng thức ăn của cá Tra ở thí nghiệm
• 3.2.2. Hiệu quả của bổ sung enzyme phytase lên môi trường
• 3.3. Số liệu chạy mô hình
• 3.4. Kết quả phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình
• 3.4.1. Phân tích độ nhạy
• 3.5. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du trong ao cá
• 3.6. Mô phỏng quá trình phát triển và chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao
• 3.6.1. Quá trình phát triển của cá
• 3.6.1.1. Quá trình phát triển của cá tại ao nuôi thực địa
• 3.6.1.2. Mô phỏng quá trình phát triển của cá trong ao nuôi
• 3.6.2. Biến động ôxy hòa tan trong ao nuôi thực địa
• 3.6.3. Mô phỏng quá trình biến thiên của ôxy trong ao nuôi
• 3.6.4. Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước
• 3.6.4.1. Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi thực địa
• 3.6.4.2. Mô phỏng tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi cá Tra
• 3.6.5. Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng
• 3.6.5.1. Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng ao nuôi thực địa
• 3.6.5.2. Mô phỏng Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng trong ao nuôi thực địa
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG AO NUÔI CÁ TRA Ở VIỆT NAM
• MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM AO NUÔI THỰC ĐỊA
• MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIAO DIỆN KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH
• BẢNG GIÁ TRỊ THAM SỐ VÀ CODE SỐ

Tóm tắt

I. Nghiên cứu mô phỏng

Nghiên cứu mô phỏng là phương pháp chính được sử dụng để phân tích chuyển hóa chất dinh dưỡng trong môi trường ao nuôi cá tra Việt Nam. Các mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên các phương trình toán học, mô tả các quá trình sinh học và hóa học xảy ra trong ao nuôi. Các mô hình này giúp dự đoán sự biến động của các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho, và oxy hòa tan, từ đó đánh giá ảnh hưởng dinh dưỡng đến chất lượng nước và sức khỏe cá. Các kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa nuôi trồng và quản lý chất thải hiệu quả.

1.1. Mô hình hóa chất lượng nước

Mô hình hóa chất lượng nước là công cụ quan trọng trong nghiên cứu, giúp mô phỏng các quá trình chuyển hóa vật chất trong ao nuôi. Các mô hình như PCLake và các mô hình động lực dinh dưỡng được sử dụng để phân tích sự biến động của các thông số môi trường như DO, BOD, COD, TSS, và các chất dinh dưỡng chính. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan giữa lượng thức ăn, chất thải, và chất lượng nước, từ đó đề xuất các biện pháp quản lý ao nuôi hiệu quả.

1.2. Mô phỏng chu trình dinh dưỡng

Mô phỏng chu trình dinh dưỡng tập trung vào các quá trình chuyển hóa nitơ, phốt pho, và carbon trong ao nuôi. Các mô hình này giúp hiểu rõ cách thức các chất dinh dưỡng được tích lũy, chuyển hóa, và thải ra môi trường. Kết quả cho thấy, chỉ khoảng 37.5% chất dinh dưỡng từ thức ăn được cá tích lũy, phần còn lại thải ra môi trường, gây ô nhiễm. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc tối ưu hóa dinh dưỡng cá tra và quản lý chất thải.

II. Chuyển hóa chất dinh dưỡng

Chuyển hóa chất dinh dưỡng là quá trình trung tâm trong nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là trong ao nuôi cá tra. Các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho, và carbon được chuyển hóa thông qua các chu trình sinh học và hóa học, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước và sức khỏe cá. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc sử dụng enzyme phytase trong thức ăn giúp cải thiện hiệu quả sử dụng phốt pho, giảm thiểu chất thải và tác động môi trường. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa nuôi trồng và quản lý ao nuôi bền vững.

2.1. Chu trình nitơ và phốt pho

Chu trình nitơ và phốt pho là hai quá trình chính trong chuyển hóa chất dinh dưỡng. Nitơ được chuyển hóa qua các dạng như amoni, nitrit, và nitrat, trong khi phốt pho được tích lũy trong bùn đáy ao. Nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung enzyme phytase giúp giảm lượng phốt pho thải ra môi trường, cải thiện chất lượng nước và giảm tác động môi trường. Điều này đóng góp vào việc quản lý chất thải hiệu quả hơn.

2.2. Ảnh hưởng của enzyme phytase

Enzyme phytase đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phốt pho trong thức ăn. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc bổ sung enzyme này giúp giảm lượng phốt pho thải ra môi trường, đồng thời cải thiện tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống của cá. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn giảm thiểu tác động môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững của nuôi trồng thủy sản.

III. Môi trường ao nuôi cá tra Việt Nam

Môi trường ao nuôi cá tra Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức do tác động môi trường từ chất thải nuôi trồng. Nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng chất thải từ ao nuôi cá tra gây ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Việc quản lý chất lượng nước và quản lý chất thải hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo sự bền vững của nghề nuôi cá tra. Các giải pháp như sử dụng enzyme phytase và tối ưu hóa dinh dưỡng được đề xuất để giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao hiệu quả nuôi trồng.

3.1. Chất lượng nước ao nuôi

Chất lượng nước ao nuôi là yếu tố quyết định đến sức khỏe và năng suất của cá tra. Nghiên cứu cho thấy, các thông số như DO, BOD, COD, và TSS có sự biến động lớn trong quá trình nuôi, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường ao nuôi. Việc quản lý chất lượng nước thông qua các biện pháp như sử dụng enzyme phytase và tối ưu hóa dinh dưỡng giúp cải thiện chất lượng nước, giảm thiểu tác động môi trường.

3.2. Quản lý chất thải

Quản lý chất thải là vấn đề cấp bách trong nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là trong ao nuôi cá tra. Nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng chất thải từ ao nuôi gây ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Các giải pháp như sử dụng enzyme phytase và tối ưu hóa dinh dưỡng được đề xuất để giảm thiểu tác động môi trường và đảm bảo sự bền vững của nghề nuôi cá tra.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nghề nuôi cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) giữ vai trò chủ lực trong cơ cấu thủy sản xuất khẩu của Việt Nam. Năm 2018, tổng diện tích nuôi đạt 5.400 ha; đến năm 2019, diện tích ước đạt 6.600 ha (tăng 22,2% so với năm 2018) với sản lượng 1,42 triệu tấn, đạt giá trị xuất khẩu 1,61 tỷ USD sang 131 thị trường quốc tế (theo số liệu từ Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam - VASEP và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn). Ba tỉnh Cần Thơ, An Giang và Đồng Tháp chiếm trên 75% tổng sản lượng cá Tra cả nước.

Bên cạnh giá trị kinh tế, mô hình nuôi thâm canh mật độ cao phát sinh tải lượng chất ô nhiễm lớn. Để sản xuất 1 tấn cá Tra thành phẩm cần tiêu tốn 4.023 m³ nước và khoảng 1,56 tấn thức ăn công nghiệp. Năng suất nuôi trung bình 250 - 300 tấn/ha/vụ xả thải ra môi trường khoảng 2.677 tấn bùn ướt (tương đương 937 tấn bùn khô). Cá chỉ tích lũy được 37,5% tổng lượng dinh dưỡng ăn vào (vật chất khô 32,6%; nitơ 42,7%; phốt pho 29,8%), phần còn lại 67,4% thải trực tiếp ra môi trường (5% tồn tại trong cột nước, 45,63% lắng đọng trong bùn đáy và 16,74% thất thoát do bay hơi hoặc thẩm thấu). Hàm lượng hữu cơ trong bùn đáy dao động 10,5 - 11,7%, tổng nitơ (TN) chiếm 0,5% và tổng phốt pho (TP) chiếm 0,22%. Các thông số chất rắn lơ lửng (TSS), tổng nitơ amôn (TAN), TN và TP trong nước ao thường xuyên vượt mức A, thậm chí vượt mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT).

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào khảo nghiệm đơn lẻ về dinh dưỡng hoặc quan trắc thông số nước tĩnh. Còn thiếu các công cụ mô hình hóa toán học số có khả năng mô phỏng đồng thời và liên kết động học của các chu trình chuyển hóa dinh dưỡng chủ yếu (C, N, P, O₂), động thái phiêu sinh vật và bùn đáy trong ao cá Tra thâm canh, cũng như lượng hóa thực nghiệm giải pháp công nghệ sinh học (bổ sung enzyme phytase) nhằm giảm thiểu tải lượng phốt pho từ nguồn thức ăn.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể:

1. Đánh giá đặc trưng chất lượng môi trường thủy lý, thủy hóa và trầm tích bùn đáy của ao nuôi cá Tra thâm canh ở ĐBSCL;
2. Thiết lập bộ số liệu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung enzyme phytase vào khẩu phần thức ăn đối với tốc độ sinh trưởng, hiệu quả sử dụng thức ăn của cá Tra và mức độ giảm phát thải phốt pho ra môi trường;
3. Xây dựng mô hình toán học và phần mềm mô phỏng số quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu (C, N, P, O₂), động học phát triển của cá và các nhóm sinh vật phù du (tảo lục, tảo lam, tảo cát, copepods, cladocerans) trong nước và bùn đáy ao nuôi cá Tra.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các chất dinh dưỡng và thông số chất lượng môi trường nước, trầm tích bùn đáy; các quá trình sinh học, sinh hóa (chu trình C, N, P, O₂) và động thái phát triển của cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) cùng các nhóm động - thực vật phù du trong ao nuôi nước ngọt.
• Phạm vi không gian: Các hệ thống ao nuôi cá Tra thâm canh tại vùng ĐBSCL (tập trung tại các địa bàn trọng điểm như Cần Thơ, An Giang).
• Phạm vi thời gian và nội dung: Chu kỳ nuôi thương phẩm kéo dài từ khi thả cá giống đến khi thu hoạch (khoảng 6 - 8 tháng); tập trung vào động lực học các chất dinh dưỡng vô cơ/hữu cơ, cân bằng ôxy hòa tan, tích lũy bùn đáy và kiểm chứng mô hình mô phỏng số.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến 4 nhóm chủ đề chính:

1. Đặc tính sinh học và nhu cầu dinh dưỡng của cá Tra: Rainboth (1996) định danh loài Pangasianodon hypophthalmus. Nghiên cứu của Trần Thị Thanh Hiền tổng kết nhu cầu protein tối ưu của cá Tra giống dao động từ 30% đến 35% tùy theo kích cỡ (cỡ 0,2 g cần 25% protein; cỡ 2 - 3 g cần 35%; cỡ 5 - 6 g cần 32,2%; tỷ lệ lipid thích hợp từ 5 - 11%). Các nghiên cứu về cân bằng dinh dưỡng của cá Tra chỉ ra lượng N và P bài tiết tương ứng đạt 43,8 g N/kg cá và 18 g P/kg cá khi sử dụng thức ăn công nghiệp.
2. Hiện trạng môi trường ao nuôi cá Tra thâm canh: Các công trình quan trắc của các nhóm tác giả ghi nhận tải lượng ô nhiễm rất cao: nhiệt độ nước dao động 27,5 - 32 °C; TSS vượt 100 mg/L sau 3 - 5 tháng nuôi; TAN cuối vụ đạt 4 - 8 mg/L; NO₃⁻ đạt 18,0 - 19,5 mg/L; TP dao động 0,05 - 14,4 mg/L; pH nước dao động 6,3 - 9,2; DO sáng sớm thường xuyên xuống dưới 2 mg/L và buổi chiều tăng vọt lên 15,5 mg/L do tảo quang hợp mạnh. Bùn đáy tích lũy hữu cơ cao với pH từ 5,7 đến 7,1.
3. Ứng dụng enzyme phytase trong thủy sản: Các nghiên cứu chỉ ra phytase thủy phân phức hợp phytate-phốt pho trong protein thực vật, giúp giải phóng phốt pho hữu dụng cho động vật dạ dày đơn. Thử nghiệm bổ sung phytase từ Bacillus subtilis Ba 58 hoặc các nguồn vi sinh vật khác ở mức 500 - 1500 UI/kg thức ăn đã cải thiện hiệu quả sử dụng thức ăn (FCR), hệ số hiệu quả protein (PER) và tăng tỷ lệ tích lũy phốt pho (PHR) trên cá da trơn Mỹ, cá trê phi, cá rô phi, cá chép và cá Tra.
4. Mô hình hóa chất lượng nước và lưới thức ăn thủy vực:
   • Mô hình PCLake mô phỏng hiện tượng phú dưỡng và chu trình C, N, P trong hồ nông;
   • Nghiên cứu mô hình hóa chu trình photpho tại hồ Loosdrecht và mô hình phú dưỡng hồ Washington;
   • Efraim Halfon (1996) mô phỏng dòng năng lượng qua lưới thức ăn tại hồ Ontario;
   • Douglas (2003) xây dựng mô hình cấu trúc dinh dưỡng động vật không xương sống và chất lượng nước tại hai hệ đầm lầy Olentangy River Wetlands (ORWs) và Licking County Wetlands (LCWs) bằng phần mềm STELLA dựa trên 10 biến trạng thái;
   • Nghiên cứu mô hình Ecopath tại hồ Kelavarapalli (Ấn Độ, 2009) mô phỏng tương tác 14 nhóm chức năng sinh thái dựa trên phương trình cân bằng sinh khối của Polovina (1984).

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Tại Việt Nam, các mô hình mô phỏng chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản hầu như chưa được xây dựng hoàn chỉnh cho đối tượng cá Tra. Luận án chọn giải quyết bài toán tích hợp: kết hợp thực nghiệm lượng hóa tác động của enzyme phytase đến việc giảm tải phốt pho với việc xây dựng hệ phương trình vi phân động lực học mô tả đồng thời chuỗi quan hệ dinh dưỡng (C-N-P-O₂), chuỗi thức ăn phiêu sinh vật và sinh khối cá Tra trong ao nuôi, được giải số bằng công cụ lập trình chuyên dụng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết cân bằng khối lượng và chu trình sinh địa hóa: Phân tích dòng vật chất C, N, P đi vào ao qua thức ăn, nước cấp; chuyển hóa qua các bậc dinh dưỡng (tảo lục, tảo lam, tảo cát, động vật phù du, cá Tra); tích lũy vào sinh khối; thất thoát qua hô hấp, bài tiết, phân hủy, lắng đọng bùn và thay nước.
• Lý thuyết động học sinh học và chất lượng nước: Sử dụng các phương trình động học mô tả tốc độ quang hợp, hô hấp, nitrat hóa, khoáng hóa chất hữu cơ, tiêu thụ ôxy của bùn đáy (SOD) và tái hòa tan dinh dưỡng từ trầm tích.
• Cấu trúc mô hình hóa 5 thành phần (theo Bùi Tá Long): Biến trạng thái (state variables), hàm điều khiển/ngoại sinh (forcing functions), phương trình toán học (mathematical equations), tham số (parameters) và các hằng số phổ quát (universal constants).

                      Bùn lắng đáy ao (TN, TP, Hữu cơ)

Phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp thực nghiệm thực địa và phân tích phòng thí nghiệm:

   • Bố trí thí nghiệm nuôi thực tế có đối chứng (CT) và nghiệm thức bổ sung enzyme phytase (ET) tại ao nuôi vùng ĐBSCL.
   • Thu mẫu nước định kỳ (tầng mặt, tầng giữa, tầng đáy) và mẫu bùn lắng.
   • Các chỉ tiêu phân tích gồm: nhiệt độ, pH, DO, độ đục (NTU), TSS, BOD, COD, TAN, NH₃, NH₄⁺, N-NO₂⁻, N-NO₃⁻, P-PO₄³⁻, TN, TP nước và TN, TP bùn đáy. Phương pháp phân tích tuân thủ theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN).
   • Đánh giá chỉ tiêu sinh học: Tốc độ tăng trưởng ngày (DWG), hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR), hiệu quả sử dụng protein (PER), tỷ lệ tích lũy photpho (PHR) và tỷ lệ sống của cá.

2. Phương pháp mô hình hóa toán học:

   • Xây dựng ma trận tác động tương hỗ giữa các cấu tử sinh học (tảo, phiêu sinh động vật, cá) và các thành phần hóa học (DO, hợp chất N, hợp chất P, C hữu cơ).
   • Thiết lập hệ phương trình vi phân thường mô tả tốc độ biến thiên của từng biến trạng thái theo thời gian ($\frac{dCi}{dt}$).
   • Phương pháp giải số: Sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 lập trình trên nền tảng phần mềm MATLAB.

3. Phương pháp phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình:

   • Phân tích độ nhạy cục bộ của các tham số để xác định các thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến biến đầu ra.
   • Hiệu chỉnh các tham số mô hình dựa trên số liệu quan trắc thực tế, đánh giá độ tin cậy bằng sai số bình phương trung bình (MSE) và sai số căn bậc hai trung bình (RMSE).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tổng thuật các đặc điểm sinh học của cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus), phân bố tự nhiên ở lưu vực sông Mê Kông và Chao Phraya, đặc điểm thích nghi rộng với môi trường khắc nghiệt (chịu được pH > 4, có cơ quan hô hấp phụ giúp thích ứng với nồng độ DO thấp). Chương này làm rõ chế độ dinh dưỡng, nhu cầu protein thay đổi theo kích cỡ cá và sự phân bố dòng dinh dưỡng trong ao thâm canh.

Tác giả đi sâu phân tích hiện trạng các thông số môi trường thủy lý, thủy hóa trong ao: nhiệt độ nước tương đối ổn định (27,5 - 32 °C); TSS tăng cao cuối vụ do tích tụ chất thải (đạt 38 - 86 mg/L, cực đại 274 mg/L); TAN thường xuyên vượt ngưỡng (đạt 4 - 8 mg/L); NO₃⁻ đạt 0,034 - 19,5 mg/L; PO₄³⁻ biến động 0,003 - 2,28 mg/L; TP đạt 0,05 - 14,4 mg/L; bùn đáy có pH 5,7 - 7,1, chứa lượng lớn hữu cơ và dinh dưỡng N, P.

Phần cuối chương phân tích cơ chế giải phóng liên kết phytate của enzyme phytase trong đường tiêu hóa động vật thủy sản và tổng quan các mô hình chất lượng nước hồ (PCLake, STELLA, Ecopath, hồ Ontario, hồ Washington), làm cơ sở xây dựng mô hình cho ao cá Tra.

Thông số môi trường ao nuôi cá Tra	Giá trị ghi nhận trong thực tế	Giới hạn quy chuẩn/khuyến cáo
Nhiệt độ nước	27,5 – 32,0 °C	25,0 – 30,0 °C (thích hợp)
pH nước	6,3 – 9,2	6,5 – 8,5 (QCVN 08:2008/BTNMT)
Oxy hòa tan (DO)	0,44 – 15,9 mg/L	> 3,0 mg/L (khuyến cáo nuôi)
Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)	38 – 274 mg/L	Thường vượt 100 mg/L cuối vụ
Tổng nitơ amôn (TAN)	2,5 – 8,0 mg/L	Vượt mức A, QCVN 40:2011/BTNMT
Nitrat (N-NO₃⁻)	0,034 – 19,5 mg/L	0,1 – 10 mg/L (thích hợp)
Tổng phốt pho (TP)	0,05 – 14,4 mg/L	Vượt mức B, QCVN 40:2011/BTNMT
Lân hòa tan (P-PO₄³⁻)	0,003 – 2,28 mg/L	0,005 – 0,2 mg/L (thích hợp)

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, thí nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm và các bước thiết lập mô hình toán học:

• Thiết kế thí nghiệm thực địa: Bố trí các ao nuôi đối chứng và ao thí nghiệm bổ sung enzyme phytase (liều lượng 0,01% theo khối lượng khô thức ăn, tương đương 1500 UI/kg). Phương pháp thu mẫu nước và mẫu bùn được chuẩn hóa theo độ sâu cột nước và chu kỳ ngày đêm.
• Xây dựng mô hình toán:
  • Giả thiết mô hình: Ao nuôi được xem như một bể phản ứng khuấy trộn hoàn chỉnh theo từng phân tầng không gian; các phản ứng hóa sinh tuân theo động học bậc nhất hoặc động học Michaelis-Menten;
  • Ma trận tương hỗ: Thiết lập mối liên hệ định lượng giữa tảo (lục, lam, cát), động vật phù du (copepods, cladocerans), cá Tra với các thông số dinh dưỡng (DO, BOD, COD, NH₄⁺, NO₃⁻, PO₄³⁻, TN, TP);
  • Hệ phương trình vi phân: Thiết lập hệ phương trình cho sự tăng trưởng sinh khối cá, phương trình biến thiên nồng độ ôxy hòa tan (quang hợp, hô hấp của cá, hô hấp của vi sinh vật, tiêu thụ ôxy của bùn đáy SOD), phương trình động thái các dạng nitơ (amôn hóa, nitrat hóa, hấp thụ của tảo) và phốt pho (hòa tan, hấp phụ, lắng đọng).
• Thuật toán giải và phần mềm: Sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 trong phần mềm MATLAB để giải hệ phương trình vi phân. Thiết lập quy trình phân tích độ nhạy của các tham số đầu vào và hiệu chỉnh mô hình theo số liệu thực nghiệm.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng số:

1. Ảnh hưởng của enzyme phytase:
   • Thí nghiệm bổ sung enzyme phytase (1500 UI/kg thức ăn) làm tăng khối lượng trung bình của cá lên 41,10 ± 1,31 g/con so với đối chứng 31,81 ± 1,14 g/con (sau 2 tháng nuôi); tốc độ tăng trưởng đặc biệt đạt 1,68 ± 0,03 %/ngày (đối chứng đạt 1,39 ± 0,04 %/ngày).
   • Hệ số chuyển hóa thức ăn FCR giảm từ 1,66 ± 0,09 (đối chứng) xuống 1,29 ± 0,06 (nghiệm thức phytase) ($P < 0,05$).
   • Hệ số hiệu quả protein PER tăng từ 1,58 ± 0,08 lên 2,01 ± 0,09 ($P < 0,05$).
   • Tỷ lệ tích lũy phốt pho PHR tăng từ 47,83 ± 2,31% lên 66,46 ± 2,38%.
   • Lượng phốt pho thải ra môi trường trên mỗi kg cá tăng trọng giảm 47,61% (từ 21,82 ± 0,96 g P/kg cá ở đối chứng xuống 10,39 ± 0,74 g P/kg cá ở nghiệm thức phytase, $P < 0,05$). Nồng độ PO₄³⁻ và TP trong nước ao giảm rõ rệt.

Chỉ tiêu đánh giá	Nghiệm thức đối chứng (CT)	Nghiệm thức bổ sung Phytase (1500 UI/kg)	Mức độ cải thiện / Giảm phát thải
Khối lượng cá sau 2 tháng (g/con)	31,81 ± 1,14	41,10 ± 1,31	Tăng 29,2%
Tốc độ tăng trưởng (%/ngày)	1,39 ± 0,04	1,68 ± 0,03	Tăng 20,9%
Hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR)	1,66 ± 0,09	1,29 ± 0,06	Giảm 22,3% ($P < 0,05$)
Hiệu quả sử dụng protein (PER)	1,58 ± 0,08	2,01 ± 0,09	Tăng 27,2% ($P < 0,05$)
Tỷ lệ tích lũy phốt pho (PHR, %)	47,83 ± 2,31	66,46 ± 2,38	Tăng 38,9% ($P < 0,05$)
Lượng P thải ra môi trường (g P/kg cá tăng)	21,82 ± 0,96	10,39 ± 0,74	Giảm 47,61% ($P < 0,05$)

2. Kết quả mô phỏng số và hiệu chỉnh mô hình:
   • Đã xác định các tham số có độ nhạy cao nhất tác động đến chu trình dinh dưỡng và nồng độ DO trong ao nuôi.
   • Kết quả mô phỏng động học sinh thái mô tả quy luật biến động của thực vật phù du và động vật phù du ở các mức nhiệt độ 28 °C và 30 °C.
   • Kết quả mô phỏng nồng độ DO, NH₄⁺, NO₃⁻, PO₄³⁻, TN, TP trong cột nước và TN, TP trong bùn lắng đáy ao theo thời gian khớp tốt với số liệu đo đạc thực địa. Đường cong mô phỏng phản ánh đúng xu thế gia tăng chất thải dinh dưỡng về cuối vụ nuôi và sự suy giảm DO vào sáng sớm.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Xác định và lượng hóa đầy đủ các thông số đặc trưng về môi trường nước và bùn đáy ao nuôi cá Tra thâm canh ở ĐBSCL (DO, BOD, COD, TSS, TAN, NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, TN, TP).
2. Thiết lập được hệ thống ma trận tác động tương hỗ và hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình sinh học, sinh hóa xảy ra đồng thời trong ao nuôi cá Tra (chu trình C, N, P, O₂ gắn liền với chuỗi thức ăn và tăng trưởng của cá).
3. Xây dựng và kiểm chứng thành công mô hình số trên nền tảng phần mềm MATLAB sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4, cung cấp cơ sở toán học cho việc dự báo diễn biến chất lượng nước và tích lũy chất thải trong nuôi trồng thủy sản.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

1. Xác định tỷ lệ bổ sung enzyme phytase phù hợp vào thức ăn công nghiệp nuôi cá Tra là 0,01% theo khối lượng khô (1500 UI/kg thức ăn). Giải pháp này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn (giảm FCR từ 1,66 xuống 1,29), tăng tích lũy protein và phốt pho, đồng thời giảm 47,61% lượng phốt pho phát thải vào môi trường nước.
2. Cung cấp bộ công cụ mô hình số giúp các cơ sở nuôi và nhà quản lý tính toán, dự báo tải lượng ô nhiễm, điều chỉnh chế độ cho ăn, lập kế hoạch thay nước, nạo vét bùn đáy và sục khí phù hợp, góp phần giảm chi phí vận hành và giảm thiểu ô nhiễm môi trường theo định hướng phát triển thủy sản bền vững (Quyết định số 339/QĐ-TTg).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Mô hình số được thiết lập dựa trên một số giả thiết giản lược về điều kiện xáo trộn thủy lực và tính đồng nhất của các tầng nước trong một số giai đoạn nuôi.
• Số liệu thực nghiệm chủ yếu tập trung tại các vùng nuôi đại diện ở ĐBSCL và trong khuôn khổ dự án SUPA, chưa bao quát toàn bộ các biến động sinh thái theo từng tiểu vùng địa lý đặc thù.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng cấu trúc mô hình để tích hợp thêm các yếu tố vi khí hậu phức tạp và sự biến đổi thủy văn theo mùa mưa - mùa khô.
• Phát triển mô hình mô phỏng thời gian thực kết hợp cảm biến tự động nhằm hỗ trợ điều hành tự động hóa hệ thống cấp - thoát nước và sục khí tại các trang trại nuôi quy mô công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Nuôi trồng Thủy sản và Sinh thái học; đặc biệt là phương pháp thiết lập hệ phương trình toán học mô phỏng chất lượng nước và kỹ thuật lập trình giải số trên MATLAB.
• Kỹ sư và doanh nghiệp sản xuất thức ăn thủy sản: Ứng dụng quy trình và hàm lượng bổ sung enzyme phytase (1500 UI/kg) vào thức ăn công nghiệp cho cá da trơn nhằm tối ưu hóa chi phí dinh dưỡng và đáp ứng các tiêu chuẩn chứng nhận nuôi trồng thủy sản (GAP, ASC).
• Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Sử dụng các dữ liệu về hệ số phát thải, tải lượng ô nhiễm N, P và công cụ mô hình để quy hoạch vùng nuôi tập trung, tính toán sức tải môi trường của các lưu vực sông tại ĐBSCL.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hàm lượng phốt pho trong chất thải ao nuôi cá Tra lại ở mức rất cao?

Do cá Tra chỉ tích lũy được khoảng 29,3% - 29,8% lượng phốt pho từ thức ăn công nghiệp. Phần lớn phốt pho còn lại (trên 65% ở dạng rắn) bị thải ra ngoài qua phân và thức ăn thừa, tích tụ tại bùn đáy ao hoặc hòa tan trong nước dưới dạng orthophosphate, do phytate trong thức ăn nguồn gốc thực vật không được tiêu hóa hoàn toàn bởi men tiêu hóa tự nhiên của cá.

2. Việc bổ sung enzyme phytase vào thức ăn mang lại hiệu quả giảm phát thải phốt pho như thế nào?

Thực nghiệm trong luận án chứng minh: bổ sung enzyme phytase (nguồn từ Bacillus subtilis Ba 58 ở liều lượng 1500 UI/kg thức ăn, tương đương 0,01% khối lượng khô) giúp tăng tỷ lệ tích lũy phốt pho (PHR) từ 47,83% lên 66,46%, giúp giảm 47,61% lượng phốt pho thải ra môi trường trên mỗi kg cá tăng trọng (giảm từ 21,82 g P/kg cá xuống 10,39 g P/kg cá, $P < 0,05$).

3. Hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) và tăng trưởng của cá Tra thay đổi ra sao khi bổ sung phytase?

Ở nghiệm thức bổ sung phytase 1500 UI/kg, khối lượng cá sau 2 tháng đạt 41,10 g/con (so với đối chứng 31,81 g/con), tốc độ tăng trưởng đặc biệt đạt 1,68 %/ngày (so với 1,39 %/ngày). Hệ số FCR giảm từ 1,66 xuống 1,29 và hệ số hiệu quả sử dụng protein (PER) tăng từ 1,58 lên 2,01 ($P < 0,05$).

4. Mô hình toán trong luận án được xây dựng và giải bằng công cụ nào?

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên ma trận tương hỗ và hệ phương trình vi phân mô tả tốc độ chuyển hóa của các chất dinh dưỡng (C, N, P, O₂), sinh khối cá và các nhóm phiêu sinh vật. Hệ phương trình được giải số bằng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 và lập trình thực thi trên phần mềm MATLAB.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Xuân Thịnh đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá đặc trưng ô nhiễm và mô hình hóa quá trình chuyển hóa dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra thâm canh tại ĐBSCL. Thông qua việc kết hợp thực nghiệm thực địa và kỹ thuật mô phỏng số bằng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 trên MATLAB, công trình đã xác lập bộ thông số động thái môi trường nước - bùn đáy có độ tin cậy cao. Đồng thời, nghiên cứu đã lượng hóa thành công hiệu quả của việc bổ sung enzyme phytase (1500 UI/kg thức ăn) trong việc giảm 47,61% tải lượng phốt pho phát thải và cải thiện hệ số chuyển hóa thức ăn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn phục vụ quản lý môi trường ao nuôi, hướng tới sự phát triển bền vững của ngành sản xuất cá Tra Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.1 Tổng quan về cá Tra 1.1 Phân loại Cá Tra là một trong số 11 loài thuộc họ cá tra (Pangasiidae) đã được xác định ở ĐBSCL. Hệ thống phân loại cá tra như sau: Giới: Animalia Nghành: Chordata Lớp: Actinopterygii Bộ: Siluriformes Họ: Pangasiidae Giống: Pangasius Loài: P. Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) Tên loài Pangasianodon hypophthalmus được Rainboth sử dụng lần đầu vào năm 1996 [6] để chỉ định cho loài cá Tra và sau đó được nhiều tác giả khác sử dụng phổ biến đến nay. Hiện nay đã có 11 loài thuộc họ cá Tra được tìm thấy ở Việt Nam, trong đó có 5 loài là đối tượng nuôi quan trọng trong ao và bè.

Cá sống chủ yếu ở nước ngọt, chịu được nước lợ nhẹ (độ muối dưới 10%) chịu đựng được phèn có pH >4. Cá Tra có cơ quan hô hấp phụ nên có thể sống được ở những ao hồ chặt hẹp và phát triển bình thường trong điều kiện ao tù nước đọng, nhiều chất hữu cơ, thiếu oxy, nên nuôi được mật độ rất cao. Trong vòng đời của cá, giai đoạn cá bột hết noãn hoàng thì thích ăn mồi tươi sống, ăn các loài động vật phù du, cá bột còn ăn thịt lẫn nhau trong bể ương nuôi [7].2 Đặc điểm hình thái Theo [8] cá tra có những đặc điểm hình thái như sau: đầu rộng, dẹp bằng, mõm ngắn, nhìn từ trên xuống chót mõm tròn. Miệng trước rộng ngang, không co duỗi được có dạng hình vòng cung và nằm trên mặt phẳng ngang.

Răng nhỏ mịn, răng vòm miệng chia thành 4 đám nhỏ, mỏng, nằm trên đường vòng cung, đôi khi bị che lấp bởi nếp da vòm miệng. Lỗ mũi sau gần lỗ mũi trước hơn mắt và nằm trên đường thẳng kẻ từ lỗ Trang | 16 mũi trước đến cạnh trên của mắt. Có hai đôi râu, râu mép kéo dài chưa chạm đến gốc vi ngực, râu cằm ngắn hơn. Thân thon dài, phần sau dẹp bên.

Đường bên hoàn toàn và phân nhánh, bắt đầu từ mép trên của lỗ mang đến điểm giữa của gốc vi đuôi. Mặt sau của vi lưng, vi ngực có răng cưa hướng xuống gốc vi. Vi bụng kéo dài chưa chạm đến khởi điểm của gốc vi hậu môn.3 Đặc điểm phân bố Cá Tra phân bố ở lưu vực sông Mê kông, có mặt ở cả 4 nước Lào, Việt Nam, Cămpuchia và Thái lan. Ở Thái Lan còn gặp cá tra ở lưu vực sông Mekong và Chao Phraya.

Theo đặc tính thích ứng môi trường, cá Tra không phân bố thuộc các tỉnh phía Bắc, cá Tra thuộc đối tượng cá nuôi vùng nhiệt đới. Ở nước ta những năm trước đây khi chưa có cá sinh sản nhân tạo, cá bột và cá giống Tra được vớt trên sông Tiền và sông Hậu. Cá trưởng thành chỉ thấy trong ao nuôi, rất ít gặp trong tự nhiên địa phận Việt nam, do cá có tập tính di cư ngược dòng sông Mekong để sinh sống và tìm nơi sinh sản tự nhiên. Khảo sát chu kỳ di cư của cá tra ở địa phận Campuchia cho thấy cá ngược dòng từ tháng 10 đến tháng 5 và di cư về hạ lưu từ tháng 5 đến tháng 9 hàng năm [8].4 Đặc điểm sinh trưởng Cá tra có tốc độ tăng trưởng tương đối nhanh, còn nhỏ cá tăng nhanh về chiều dài.

Cá ương trong ao sau 2 tháng đã đạt chiều dài 10-12cm (14-15gam). Từ khoảng 2,5 kg trở đi, mức tăng trọng lượng nhanh hơn so với mức tăng chiều dài cơ thể. Cỡ cá trên 10 tuổi trong tự nhiên (ở Campuchia) tăng trọng rất ít. Cá tra trong tự nhiên có thể sống trên 20 năm.

Trong tự nhiên có cá đạt 18 kg hoặc có mẫu cá dài tới 1,8m. Trong ao nuôi vỗ, cá bố mẹ cho đẻ đạt tới 25 kg ở cá 10 năm tuổi. Nuôi trong ao một năm cá đạt 1-1,5kg/con ở năm đầu tiên, những năm về sau cá tăng trọng nhanh hơn, có khi đạt tới 5-6kg/năm tùy thuộc môi trường sống và sự cung cấp thức ăn cũng như loại thức ăn có hàm lượng đạm nhiều hay ít. Độ béo fulton của cá tăng dần theo trọng lượng và nhanh nhất ở những năm đầu, cá đực thường có độ béo cao hơn cá cái và độ béo thường giảm đi vào mùa sinh sản [13].

Đối với cá Tra ở giai đoạn bột lên hương tốc độ tăng trưởng rất nhanh, sau 20-25 ngày ương thì cá đạt kích cỡ khoảng 2,7-3,0 cm theo quy định kích cỡ cá hương (Tiêu chuẩn Việt Nam 28 TCVN 211:2004).5 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra 1.1 Cân bằng dinh dưỡng trong ao nuôi Sự phân bố nguồn vật chất và cân bằng vật chất dinh dưỡng trong ương nuôi cá Tra đã được công bố qua một số công trình nghiên cứu. Nghiên cứu [9] trên cá giống có chiều cao thân từ 0,5-1,5 cm được nuôi trong hệ thống tuần hoàn và cá được cho ăn theo nhu cầu với thức ăn viên công nghiệp loại viên nổi 40% chất đạm. Kết quả cho thấy có 13% N và 8,45% vật chất khô (DM) từ thức ăn không được tiêu hóa và bị thải qua phân cá. Trong phần thức ăn được tiêu hóa có 35,3% N và 34,1% DM được tích lũy trong cơ thể cá thông qua quá trình sinh trưởng; 42,5% N và 29,1% DM được sử dụng cho các quá trình trao đổi chất và chúng được thải ra môi trường nước dưới dạng chất hòa tan (CO2, NH3, H2O,.) qua mang hay thận.

Vì vậy, sản xuất 1 kg cá giống thì cần cung cấp cho cá 765 g DM và 48,7 g N; trong đó cá tích lũy được 252 g DM và 18,5 g N; 514 g DM và 30,2 g N được thải ra môi trường dưới dạng chất vô cơ hòa tan và chất hữu cơ lơ lửng. Trang | 17 Một nghiên cứu [4] về cân bằng vật chất dinh dưỡng ở 3 ao nuôi cá Tra có diện tích 1000 m2, mật độ thả trung bình là 48 con/m2, thời gian nuôi là 8 tháng cho thấy năng suất nuôi trung bình 28,8 tấn/1000 m2 (hay 288 tấn/ha), thức ăn được sử dụng là thức ăn viên công nghiệp nổi, hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) là 1,56. Kết quả xác định sự phân bố vật chất trong ao nuôi cho thấy cá tích lũy 32,6% DM từ nguồn thức ăn, lượng vật chất thải ra môi trường ở dạng hòa tan là 5,04%, dạng chất rắn là 45,6%, và vật chất khô bị mất đi do bốc hơi và rò rỉ là 16,7%. Tương tự cá tích lũy 42,6% N từ thức ăn; 5,44% N thải ra môi trường dạng hòa tan, 50,4% N dạng rắn (bùn đáy ao và vật chất lơ lửng trong nước) và 1,5% N bốc hơi và rò rỉ.

Tỉ lệ tích lũy phốt pho (P) từ nguồn thức ăn của cá tương đối thấp, 29,3%, thấp hơn so với tỉ lệ tích lũy N và DM; và lượng P thải dưới dạng hòa tan là 1,8% và dạng rắn là 65,57%. Nghiên cứu [4] cho thấy sản xuất 1 kg cá Tra, trung bình cần phải cung cấp cho cá 1,56 kg thức ăn viên công nghiệp, trong đó tổng DM khoảng 1.420 g, cá sử dụng thức ăn và đồng hóa khoảng 460 g (tích lũy trong cơ thể), phần còn lại khoảng 960 g vật chất khô là chất thải thải ra môi trường dưới dạng thức ăn dư thừa tích tụ ở đáy ao và chất thải của cá thải ra qua quá trình hô hấp (CO 2, NH3) và bài tiết (phân và muối dinh dưỡng). Về N, để sản xuất 1 kg cá Tra thì thức ăn cần cung cấp 43,8 g N, cá sử dụng khoảng 18,3 g cho cơ tể và phần còn lại khoảng 25,5 g sẽ tích tụ trong bùn đáy ao hoặc hòa tan trong nước. Các chất đạm hòa tan bao gồm NH 3, NH4+, NO2- và NO3- có từ quá trình bài tiết của cá và quá trình phân hủy bùn hữu cơ.

Các chất đạm tích lũy trong bùn là các chất đạm hữu cơ có từ thức ăn thừa và phân thải của cá. Tương tự, sản xuất ra 1 kg cá Tra, trong thức ăn cần cung cấp khoảng 18 g P, cá hấp thụ và tích lũy trong cơ thể khoảng 5,23 g, các chất thải của cá và thức ăn dư thừa chứa khoảng 12,8 g P, phần lớn P chứa trong chất thải rắn bị tích tụ trong bùn, một phần nhỏ hòa tan vào trong nước dưới dạng orthophosphate. Nghiên cứu [10] đã ước tính lượng chất thải N và P trên các ao nuôi cá Tra sử dụng hai loại thức ăn viên công nghiệp (commercial pellet) và thức ăn tự chế (farm-made feed), kết quả cho thấy lượng chất thải N gần tương đương nhau 46 kg/tấn cá (46 g/kg cá) và 46,8 kg/tấn cá (46,8 g/kg cá) cho hai loại thức ăn viên công nghiệp và thức ăn tự chế. Tương tự, lượng P chất thải lần lượt là 14,4 kg/tấn cá và 18,4 kg/tấn cá khi dùng thức ăn viên công nghiệp và thức ăn tự chế.

Như vậy, nếu năm 2014 cả nước sản xuất 1,116 triệu tấn cá Tra [11], ước tính lượng chất thải N và P theo kết quả của [4] thì tổng lượng chất thải thải ra môi trường 28. Tương tự, nếu ước tính dựa theo kết quả nghiên cứu của [10] thì lượng chất thải thải ra môi trường là 51. Như vậy, hàm lượng dinh dưỡng tích tụ trong ao nuôi cá Tra thâm canh cao hơn nhiều lần so với ao nuôi thâm canh của các đối tượng nuôi thủy sản khác. Chất lượng nước ao nuôi cá Tra thâm canh hầu hết là vượt quá giới hạn về chất lượng nước dùng cho nuôi trồng thủy sản.

Nhiều yếu tố vượt giới hạn của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiêu chuẩn nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT). Yếu tố TSS và TAN, TN và TP thường xuyên vượt mức A và giai đoạn cuối vụ nuôi hầu như vượt mức B của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT). Hàm lượng vật chất dinh dưỡng tích lũy trong bùn đáy cũng cao, cao gấp nhiều lần so với các thủy vực nuôi trồng thủy sản khác. Vì vậy, lượng chất thải thải ra môi trường cũng vô cùng lớn, vấn đề này cần được quan tâm trong thời gian tới.

Đảm bảo cho sự phát triển bền vững của nghề nuôi cá Tra và bảo vệ môi trường cần nghiên cứu đánh giá tải lượng của các thủy vực ở các vùng nuôi cá Tra thâm canh, quy hoạch vùng nuôi Trang | 18 hợp lý và xây dựng các quy trình xử lý chất thải trước khi thải ra môi trường xung quanh.2 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra Trong nuôi thủy sản thức ăn chiếm tỉ lệ cao trong tổng chi phí chung từ 50-80%. Trước đây cá Tra chủ yếu được nuôi bằng thức ăn tự chế nhưng từ năm 1995 trở lại đây hầu hết cá Tra được nuôi bằng thức ăn viên.