Đặt vấn đề Hiện nay, nhu cầu về sản phẩm thủy sản ngày càng cao, đóng vai trò quan trọng trong thực đơn của mỗi gia đình trên toàn thế giới. Các nguồn cung thủy sản hiện nay từ khai thác chiếm 62%, từ nuôi trồng chiếm 38%. Tổng sản lượng khai thác thủy sản toàn cầu đạt 96,4 triệu tấn, sản lượng nuôi trồng đạt mức cao kỉ lục là 114,5 triệu tấn trọng lượng hơi (Fao, 2020). Việt Nam là quốc gia có điều kiện tự nhiên thuận lợi, do đó ngành nuôi trồng thủy sản cũng rất phát triển và có những đóng góp to lớn vào nền kinh tế nước nhà.
Năm 2020, tổng sản lượng thủy sản của Việt Nam đạt 8,4 triệu tấn; trong đó, khai thác đạt 3,86 triệu tấn, nuôi trồng đạt 1,97 triệu tấn, chiếm 9-10% tổng kim ngạch xuất khẩu quốc gia. Thủy sản được xác định là ngành kinh tế mũi nhọn của quốc gia, đem lại cơ hội việc làm cho hơn 4 triệu lao động, giá trị kim ngạch xuất khẩu 6 tháng đầu năm ước tính 3,56 tỷ USD. Các sản phẩm thủy sản của nước ta được xuất khẩu sang hơn 160 thị trường trên thế giới. Trong đó top 10 thị trường gồm: Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, ASEAN, Australia, Anh, Canada, Nga, chiếm khoảng 92-93% tổng xuất khẩu thủy sản của Việt Nam (Csi, 2020).
Bên cạnh những giá trị, lợi ích về mặt kinh tế xã hội, ngành thủy sản cũng đang gặp phải nhiều vấn đề trong quy hoạch, quản lí, yếu tố môi trường… Ngày càng có nhiều nghiên cứu cho thấy lĩnh vực nuôi trồng thủy sản đã có những tác động làm thay đổi mạnh mẽ về độ mặn, pH, nhiệt độ, nồng độ ammonium, v., ảnh hưởng đến thủy sinh vật và phản ứng miễn dịch của chúng (Qiu & cs. Sự tích tụ các hóa chất, thuốc thú y thủy sản, chất thải của tôm cá trong quá trình nuôi ở đáy ao tạo thành một lớp bùn ô nhiễm. Thành phần lớp bùn chủ yếu là các chất hữu cơ như protein, lipids, acid béo với công thức chung CH3(CH2)nCOOH, phospholipids, Sterol-vitamin D3, carbohydrate, chất khoáng, vỏ tôm lột xác,. Lớp bùn này luôn ở trong tình trạng ngập nước, yếm 1 khí, các vi sinh vật yếm khí phát triển mạnh, phân huỷ các hợp chất trên tạo thành các sản phẩm là hydrosulphua (H2S), ammoniac (NH3), khí metan (CH4),.
Ví dụ nồng độ 1,3 ppm của H2S có thể gây sốc, tê liệt và thậm chí gây chết tôm. Đặc biệt bùn đáy còn là nơi khởi nguồn của các dòng vi khuẩn gây bệnh trên tôm, nhất là các bệnh hoại tử mang, đen mang, mòn đuôi, cụt đầu… Trong nuôi trồng thủy sản người ta thường sử dụng hai loại thức ăn chính là thức ăn xanh (cỏ, lá cây): nếu nguồn thức ăn này không được kiểm soát phần dư thừa sẽ bị lắng đọng và bị phân hủy bởi các vi sinh vật yếm khí, tạo ra các chất hữu cơ độc hại như CH4, làm giảm lượng oxi hòa tan. Khí ammoniac (NH3) cũng được sinh ra từ quá trình phân huỷ yếm khí thức ăn tồn dư gây độc trực tiếp cho tôm, làm ảnh hưởng đến độ pH của nước và kìm hãm sự phát triển của thực vật phù du. Một loại thức ăn khác đó là thức ăn tinh, đó là các dạng cám công nghiệp hay cám tự nhiên.
Dạng thức ăn này thường bổ sung một nguồn đạm và tinh bột cho vật nuôi, phần dư thừa lắng đọng xuống đáy ao sẽ bị phân giải thành các chất vô cơ tạo ra NO2-, chuyển hóa thành các muối NO3-, khí NH3,. Về cơ bản các chất trên sẽ không gây ngộ độc cho tôm, cá, ba ba, ếch…tuy nhiên nếu nồng độ vượt quá giới hạn thì sẽ gây hậu quả đáng kể. Ngoài ra khi đó các vi sinh vật gây hại sẽ tăng lên đáng kể và sẽ gây bệnh cho động vật thủy sinh. Hiện nay, các phương pháp sinh học trong xử lí nước ao đầm nuôi trồng thủy sản cũng được quan tâm và áp dụng rất nhiều.
Nhiều chủng vi sinh vật có khả năng tham gia vào chu trình nitơ trong nước, chuyển hóa các hợp chất nitơ như ammonium, nitrite, nitrat đã được tuyển chọn để sản xuất ra các chế phẩm sinh học để xử lí nước ô nhiễm. Từ những cơ sở nêu trên, nghiên cứu “Phân lập, đánh giá và tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng oxy hóa ammonium từ bùn đáy ao nuôi tôm Hải Phòng” đã được tiến hành nhằm phát hiện nguồn vi khuẩn bản địa có khả năng oxy hóa ammonium hiệu quả nhất, để kết hợp tạo nên một chế phẩm sinh học phù hợp với nguồn nước ao nuôi có hàm lượng ammonium cao. Từ đó, góp phần nâng cao hiệu quả xử lí nước ô nhiễm, bảo vệ môi trường. Mục đích đề tài Phân lập, đánh giá và tuyển chọn các chủng vi khuẩn oxy hóa ammonium từ mẫu bùn đáy ao nuôi tôm Hải Phòng.
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố như pH, nguồn carbon, chế độ sục khí, thời gian nuôi cấy đến khả năng oxy hóa ammonium của các chủng vi khuẩn tuyển chọn. Yêu cầu đề tài Nội dung 1: Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn oxy hóa ammonium bản địa từ mẫu bùn đáy ao nuôi tôm Hải Phòng. Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện nuôi cấy như pH, nguồn carbon vô cơ, thời gian nuôi cấy, chế độ sục khí đến hiệu quả oxy hóa ammonium của các chủng vi khuẩn tuyển chọn. Nội dung 3: Khảo sát các đặc điểm sinh lý, sinh hóa: khả năng di động, phản ứng catalase, biến dưỡng citrate, phản ứng MR-VP, phản ứng indol, khả năng sinh enzyme ngoại bào của các chủng vi khuẩn tuyển chọn.
Ý nghĩa khoa học Phân lập được chủng vi khuẩn bản địa có khả năng oxy hóa ammonium đạt hiệu quả cao, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần cung cấp và bổ sung thông tin, dữ liệu về nhóm vi khuẩn oxy hóa ammonium. Ý nghĩa thực tiễn Tạo ra những chế phẩm sinh học ứng dụng trong xử lí nước nuôi trồng thủy sản bị ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường. 3 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Ammonium trong tự nhiên 2. Tổng quan về chu trình nitơ Chu trình nitơ là một quá trình mà theo đó nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó bao gồm cả quá trình sinh học và phi sinh học. Trong tự nhiên, nitơ có mặt ở hầu hết các đối tượng như trong đất, trong nước, không khí và hệ động thực vật. 1: Chu trình nitơ đơn giản Nguồn: Roger N.
(2002) Nitơ là chất cần thiết cho nhiều quá trình, tham gia vào cấu tạo cơ thể sống của các vi sinh vật, chiếm 6,25% khối lượng khô của chúng. Trong cơ thể động vật , thực vật, nitơ là một nguyên tố chính và là thành phần của nhiều hợp chất tham gia quá trình chuyển hóa sinh hoá. Nitơ tham gia cấu tạo lên các amino acid, liên kết với protein, cấu tạo lên các acid nucleic như DNA, RNA và chất diệp lục (Tajer, 2016). Thực vật tổng hợp protein lấy nitơ dưới dạng ammonium và nitrate.
Con người và động vật bậc cao lấy nguồn cung cấp protein từ thực vật và động vật bậc thấp hơn. Quá trình cố định nitơ sinh học Trong sinh học, nitơ trải qua các quá trình oxy hóa - khử tạo ra các hợp chất có số oxy hóa từ +5 (NO3-) đến -3 (NH3). Các phản ứng oxy hóa - khử này được thực hiện nhờ các vi sinh vật khác nhau theo những cách khác nhau, tổng thể các phản ứng tạo nên chu trình nitơ sinh học (hình 2. Tất cả các phản ứng này đều do vi khuẩn, cổ khuẩn, và một số loại nấm chuyên biệt thực hiện.
Chỉ có 4 một ví dụ về dạng sống cao hơn thực hiện phản ứng như vậy, đó là quá trình đồng hóa NO3-, cũng xảy ra ở thực vật. Trong đồng hóa NO3-, sự khử NO3- thông qua NO2- thành ion NH4+ để tổng hợp glutamine như là phân tử chứa nitơ hữu cơ đầu tiên được hình thành. Glutamine là chất cho nitơ để tổng hợp nên các acid amin và các chất nitơ dị vòng. Ngoài ra, NO3- còn đóng vai trò là chất nhận điện tử hô hấp trong điều kiện kị khí.
Trong bước đầu tiên, NO3- bị khử thành NO2-, phản ứng được xúc tác bởi nhiều loại reductases khác nhau. Tiếp theo là quá trình khử NO2- thành NO, N2O,và N2 (Bothe & cs. 2: Các phản ứng sinh học trong chu trình nitơ Nguồn: Bothe H. (2006) Trong nước, chu trình nitơ cũng thể hiện rất rõ nhờ sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng khác nhau như: nitơ hữu cơ, nitơ dạng khử NH3/NH4+, và nitơ dạng oxy hóa NO2-/NO3- dưới tác động của vi sinh vật.
Sự biến đổi nitơ thành nhiều trạng thái oxy hóa của nó là chìa khóa cho năng suất trong sinh quyển và phụ thuộc nhiều vào hoạt động của một nhóm vi sinh vật. Trong vòng tuần hoàn này, các hợp chất nitơ hữu cơ được đưa vào thủy quyển từ các nguồn thải, sinh khối hữu cơ có sẵn trong nước và từ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong nước. Tiếp theo, chúng được chuyển hóa thành ammonium nhờ vi khuẩn dị dưỡng (một lượng nhỏ ammonium được tái trở lại để vi sinh vật phát triển, phần còn lại vào môi trường). Trong điều kiện hiếu khí, các sản phẩm nitrite và nitrate được tạo thành nhờ các vi khuẩn tự dưỡng như Nitrosomonas và Nitrobacter.
5 Hợp chất nitrate sinh ra được thực vật và các loài sinh vật khác trong nước sử dụng như một nguồn dinh dưỡng. Trong các điều kiện yếm khí, ammonium không bị oxy hóa, chỉ giảm một lượng nhỏ do sự đồng hóa để sinh trưởng của các sinh vật. Nhưng cũng trong điều kiện yếm khí này, nitrate lại có thể được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ vi khuẩn dị dưỡng denitrate hóa. Để thực hiện quá trình này đòi hỏi phải có mặt các chất hữu cơ để hạ bớt năng lượng.
Quá trình chuyển hóa NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 gọi là quá trình phản nitrate hoá (Wang & Chu, 2016). Trong chu trình này, cả hai nhóm vi khuẩn nitrate hóa đều cần O2 để oxy hóa ammonium và nitrite đến sản phẩm không độc - nitrate; nếu các mức O2 không đủ cung cấp, quá trình nitrate hóa sẽ bị suy giảm và nồng độ ammonium cũng như nitrite sẽ tăng lên trong thủy vực sẽ gây độc cho sinh vật thủy sinh, đặc biệt là tôm, cá. Quá trình nitrate hóa Quá trình nitrate hóa sinh học là sự chuyển đổi hoặc oxy hóa các ion ammonium thành các ion nitrite và sau đó là các ion nitrate. Trong quá trình oxy hóa các ion ammonium và ion nitrite, oxy được thêm vào các ion bởi một nhóm sinh vật duy nhất, vi khuẩn nitrate hóa.