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

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.

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.