Tổng quan nghiên cứu

Nghề nuôi tôm biển, đặc biệt là tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei), đang phát triển nhanh chóng trên thế giới và tại Việt Nam. Theo ước tính, thức ăn chiếm hơn 50% tổng chi phí sản xuất trong nuôi tôm, nhưng chỉ có khoảng 25-30% chất dinh dưỡng được chuyển hóa thành sản phẩm tôm, còn lại 70-75% thải ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Các hợp chất nitơ vô cơ như ammonia (NH4+), nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) tích tụ trong nước nuôi nếu không được xử lý sẽ gây độc cho tôm, làm giảm năng suất và tăng nguy cơ dịch bệnh. Công nghệ tuần hoàn RAS (Recirculation Aquaculture Systems) được xem là giải pháp tiên tiến giúp tiết kiệm nước, nâng cao tỷ lệ sống và năng suất tôm, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng RAS tại Việt Nam còn hạn chế, đặc biệt trong việc sử dụng vi sinh vật để xử lý ô nhiễm nước nuôi.

Mục tiêu nghiên cứu là tuyển chọn các chủng vi sinh vật hữu ích có khả năng chuyển hóa ammonium, nitrite, nitrate và tích lũy phosphor, tạo màng biofilm, chịu được điều kiện pH và độ mặn khác nhau, nhằm phát triển chế phẩm vi sinh xử lý nước nuôi tôm thẻ chân trắng trong hệ thống tuần hoàn RAS. Nghiên cứu được thực hiện trên 15 chủng Bacillus thuộc bộ chủng vi sinh vật của Công ty Cổ phần Công nghệ Thủy sản AVITECH, trong điều kiện phòng thí nghiệm và thử nghiệm quy mô pilot tại Hà Nội năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả nuôi tôm thẻ chân trắng công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng tính bền vững cho ngành thủy sản Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Chu trình chuyển hóa nitơ trong nước nuôi tôm: Quá trình chuyển hóa ammonium thành nitrite, nitrate và cuối cùng là khí nitơ nhờ các vi khuẩn nitrate hóa và khử nitrate hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas, v.v.). Chu trình này giúp loại bỏ các hợp chất nitơ độc hại, duy trì môi trường nước ổn định.
  • Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước nuôi tôm: Vi sinh vật có khả năng phân hủy chất thải hữu cơ, chuyển hóa các hợp chất nitơ và phosphor, tạo màng biofilm giúp ổn định môi trường nước và ức chế vi khuẩn gây bệnh.
  • Mô hình hệ thống tuần hoàn RAS: Hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn nước với các bể lọc cơ học, lọc sinh học, sục khí và khử trùng, giúp tái sử dụng nước, giảm ô nhiễm và tăng năng suất nuôi.

Các khái niệm chính bao gồm ammonium, nitrite, nitrate, phosphor, biofilm, pH, độ mặn, enzyme ngoại bào (cellulase, amylase, protease), và các chỉ số môi trường như DO (oxy hòa tan), COD, BOD.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: 15 chủng Bacillus được phân lập từ bùn và nước nuôi tôm, thuộc bộ chủng vi sinh vật của Công ty Cổ phần Công nghệ Thủy sản AVITECH.
  • Phương pháp phân tích:
    • Sàng lọc khả năng chuyển hóa ammonium, nitrite, nitrate bằng phương pháp định lượng hóa học (Nessler, Griess, 2,6-dimethylphenol).
    • Đánh giá khả năng tích lũy phosphor bằng phương pháp Molypdate blue.
    • Xác định khả năng tạo màng biofilm qua nhuộm tím kết tinh và đo quang phổ OD570.
    • Đánh giá ảnh hưởng của pH (7.0, 10) và độ mặn (1-4%) đến sinh trưởng vi sinh vật qua đo OD600.
    • Xác định khả năng sinh enzyme cellulase, amylase, protease trên môi trường agar đặc biệt.
    • Xác định khả năng đối kháng giữa các chủng vi khuẩn bằng phương pháp đĩa khuếch tán.
    • Nhuộm Gram và định danh vi sinh vật bằng kỹ thuật PCR gen 16S rRNA, giải trình tự và phân tích sinh học phân tử.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, bao gồm giai đoạn sàng lọc chủng vi sinh vật, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm pilot 15 ngày trên hệ thống RAS quy mô 40 L tại Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chuyển hóa ammonium, nitrite, nitrate: Trong 15 chủng Bacillus được khảo sát, chủng NT21 chuyển hóa ammonium tốt nhất với hiệu suất 75,9% trong 1 ngày (nồng độ NH4+ ban đầu 20 mg/L). Chủng MC3 chuyển hóa nitrite hoàn toàn (100%) trong 1 ngày (nồng độ NO2- ban đầu 200 mg/L). Chủng H1 và H2 có khả năng chuyển hóa nitrate tốt nhất trong điều kiện lắc (36,8%) và tĩnh (43,8%) trong 2 ngày (nồng độ NO3- ban đầu 20 mg/L). Chủng HT7 cũng có khả năng chuyển hóa nitrite cao (98,8% trong 1 ngày).
  2. Khả năng tích lũy phosphor: 10 trong 15 chủng khảo sát có khả năng tích lũy phosphor nội bào, trong đó chủng MC8 tích lũy phosphor cao nhất với 1,20 mg/L sau 6 ngày nuôi cấy.
  3. Khả năng tạo màng biofilm: Các chủng NT21, Ty31, MC3, It, H2 đều tạo màng biofilm ở mức trung bình đến mạnh với giá trị OD570 từ 1,30 đến 1,50, giúp tăng hiệu quả xử lý nước và ổn định môi trường nuôi.
  4. Ảnh hưởng của pH và độ mặn: Các chủng Bacillus tuyển chọn có khả năng sinh trưởng tốt ở pH 7.0 và 10, cũng như ở độ mặn từ 1% đến 4%, phù hợp với điều kiện môi trường nuôi tôm thẻ chân trắng trong hệ thống RAS.
  5. Khả năng sinh enzyme ngoại bào: Các chủng được tuyển chọn có khả năng sinh enzyme cellulase, amylase và protease, hỗ trợ phân hủy thức ăn thừa và chất hữu cơ trong nước nuôi.
  6. Thử nghiệm pilot: Trong thí nghiệm nuôi tôm thẻ chân trắng quy mô pilot 40 L, nhóm bể xử lý bổ sung bộ chủng vi sinh vật đã giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm như tổng ammonia, nitrite và phosphate so với nhóm đối chứng không bổ sung vi sinh vật. Ví dụ, tổng ammonia giảm trung bình từ 1,2 mg/L xuống 0,05 mg/L sau 15 ngày.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy các chủng Bacillus được tuyển chọn có khả năng chuyển hóa hiệu quả các hợp chất nitơ độc hại, tích lũy phosphor và tạo màng biofilm, phù hợp với yêu cầu xử lý nước trong hệ thống tuần hoàn RAS. Khả năng sinh trưởng trong điều kiện pH và độ mặn đa dạng giúp các chủng này thích nghi tốt với môi trường nuôi tôm thẻ chân trắng. So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, hiệu suất chuyển hóa ammonium và nitrite của các chủng trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, đồng thời khả năng tích lũy phosphor và tạo biofilm cũng được đánh giá cao.

Việc bổ sung bộ chủng vi sinh vật này trong hệ thống RAS giúp ổn định các chỉ số môi trường, giảm ô nhiễm và tăng cường sức khỏe tôm nuôi, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động nồng độ ammonium, nitrite, nitrate và phosphate trong nước nuôi giữa nhóm xử lý và đối chứng, cũng như bảng so sánh hiệu quả chuyển hóa của từng chủng vi sinh vật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển chế phẩm vi sinh vật đa chủng: Tập trung sản xuất chế phẩm chứa các chủng Bacillus NT21, MC3, H1, H2, HT7 để xử lý nước nuôi tôm thẻ chân trắng trong hệ thống RAS, nhằm giảm ammonium, nitrite, nitrate và phosphor. Thời gian áp dụng: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty công nghệ thủy sản, viện nghiên cứu.
  2. Áp dụng rộng rãi công nghệ RAS kết hợp vi sinh vật: Khuyến khích các trang trại nuôi tôm thẻ chân trắng sử dụng hệ thống tuần hoàn RAS kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh vật để nâng cao hiệu quả nuôi, giảm ô nhiễm môi trường. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: Doanh nghiệp nuôi tôm, cơ quan quản lý thủy sản.
  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành RAS và sử dụng chế phẩm vi sinh vật cho cán bộ kỹ thuật và người nuôi tôm, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp.
  4. Nghiên cứu tiếp tục và giám sát môi trường: Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa các chủng vi sinh vật, đánh giá tác động lâu dài và giám sát chất lượng nước trong hệ thống RAS để đảm bảo an toàn sinh học và hiệu quả kinh tế. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành sinh học thực nghiệm, công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về tuyển chọn vi sinh vật xử lý ô nhiễm nước nuôi tôm, phương pháp phân tích và ứng dụng công nghệ sinh học trong nuôi trồng thủy sản.
  2. Doanh nghiệp và kỹ thuật viên nuôi tôm công nghiệp: Tham khảo để áp dụng công nghệ RAS kết hợp chế phẩm vi sinh vật nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí xử lý môi trường và tăng tính bền vững trong sản xuất.
  3. Cơ quan quản lý thủy sản và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, hướng dẫn kỹ thuật và quy chuẩn về xử lý nước nuôi tôm, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển ngành thủy sản.
  4. Nhà sản xuất chế phẩm sinh học và công nghệ môi trường: Tham khảo để phát triển sản phẩm vi sinh vật xử lý nước nuôi tôm, mở rộng ứng dụng công nghệ sinh học trong nuôi trồng thủy sản và xử lý ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật có thể xử lý ammonium, nitrite, nitrate trong nước nuôi tôm hiệu quả đến mức nào?
    Các chủng Bacillus tuyển chọn trong nghiên cứu có thể chuyển hóa từ 75% đến gần 100% ammonium và nitrite trong vòng 1 ngày, và chuyển hóa nitrate từ 36% đến 44% trong 2 ngày, giúp giảm đáng kể các hợp chất độc hại trong nước nuôi.

  2. Tại sao việc tạo màng biofilm của vi sinh vật lại quan trọng trong xử lý nước nuôi tôm?
    Màng biofilm giúp vi sinh vật bám chắc trên giá thể, tăng mật độ tế bào và hiệu quả trao đổi chất, từ đó tăng khả năng phân hủy chất hữu cơ và chuyển hóa các hợp chất độc hại, ổn định môi trường nước nuôi.

  3. Điều kiện pH và độ mặn ảnh hưởng thế nào đến sinh trưởng vi sinh vật xử lý nước?
    Các chủng Bacillus được tuyển chọn có khả năng sinh trưởng tốt trong khoảng pH từ 7 đến 10 và độ mặn từ 1% đến 4%, phù hợp với điều kiện môi trường nuôi tôm thẻ chân trắng trong hệ thống RAS, đảm bảo hiệu quả xử lý nước.

  4. Việc sử dụng vi sinh vật trong hệ thống RAS có ảnh hưởng gì đến sức khỏe tôm nuôi?
    Việc bổ sung vi sinh vật có lợi giúp cải thiện chất lượng nước, giảm mầm bệnh và kích thích miễn dịch cho tôm, từ đó tăng tỷ lệ sống và năng suất nuôi, đồng thời giảm thiểu sử dụng kháng sinh và hóa chất.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nuôi tôm công nghiệp?
    Có thể phát triển chế phẩm vi sinh vật đa chủng dựa trên các chủng tuyển chọn, phối hợp với hệ thống RAS hiện có, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên và người nuôi tôm về cách sử dụng và vận hành để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

  • Đã tuyển chọn thành công 5 chủng Bacillus có khả năng chuyển hóa ammonium, nitrite, nitrate và tích lũy phosphor hiệu quả, phù hợp với điều kiện nuôi tôm thẻ chân trắng trong hệ thống RAS.
  • Các chủng vi sinh vật này có khả năng tạo màng biofilm và sinh trưởng tốt trong điều kiện pH và độ mặn đa dạng, hỗ trợ xử lý ô nhiễm nước nuôi.
  • Thí nghiệm pilot cho thấy việc bổ sung bộ chủng vi sinh vật giúp giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm như tổng ammonia, nitrite và phosphate, cải thiện chất lượng nước và sức khỏe tôm.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ nuôi tôm tuần hoàn RAS tại Việt Nam, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng năng suất nuôi.
  • Đề xuất phát triển chế phẩm vi sinh vật đa chủng, áp dụng rộng rãi công nghệ RAS kết hợp vi sinh vật, đào tạo kỹ thuật và tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước nuôi.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở nuôi tôm công nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu, phối hợp với các viện nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển sản phẩm chế phẩm vi sinh vật, đồng thời tổ chức đào tạo và giám sát thực tế nhằm nâng cao hiệu quả nuôi tôm bền vững.