Chương 1. TỎNG QUAN TÀI LIỆU 1. ANH HƯỚNG CUA DƯ LƯỢNG NITƠ TRONG NƯỚC THAI TỚI HỆ SINH THÁI Mặc dù nito được xem là nguyên tố cơ bản của sự sông, nhiều dạng hợp chất nitơ khi có mặt trong môi trường nước ở nồng độ cao sẽ trở thành mối nguy hại cho hệ sinh thái, do vậy cần được kiểm soát ở đưới ngưỡng quy định (Bảng 1. Ngưỡng giới hạn cho phép của nitơ trong một số nguồn nước (mg/L) Chỉ tiêu Nước sạch Nước mặt Nước ao nuôi tôm [Bộ Y tê, 2018] [Bộ TN&MT, 2015] [Bộ NN&PTNT, Cột A Cột B 2014] NH; 0,3 — — 0,3 NH,* 0,3 0,3 0,9 - NO, 0,05 0,05 0,05 — NO; 2 2 10 — Chú thích: Ngưỡng nitơ trong nước sạch dựa theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt, QCVN 01-1:2018/BYT.
Nước ao nuôi tôm dựa theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về cơ sở nuôi tôm nước lợ - Điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ môi trường và an toàn thực phâm, QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT. Ngưỡng nitơ trong nước mặt theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt, QCVN 08-MT: 2015/BTNMT. Cột A là nước sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (nước cấp) sau khi xử lý thông thường; Cột B là nước sử dụng cho tưới tiêu, thủy lợi và các mục đích khác; (—) là không được quy định. Ảnh hướng đối với hệ sinh thái nước Hợp chất amoni (NH,") khi có mặt ở hàm lượng quá cao trong các thủy vực sẽ dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của nước (eutrophication), do thúc đây sự phát triển ồ ạt của các loài tảo.
Sự phân hủy sinh học sinh khối tảo sau đó dẫn đến giảm oxy trong nước, làm chết các động thực vật thủy sinh (Hình 1. Trong môi trường nước, sản phẩm khoáng hóa hợp chat nitơ hữu cơ sẽ ton tại ở dạng NH¿” khi pH <9,5 hay ở dạng khí ammoniac (NH3) khi pH >9,5; ở pH 9,5 thi ty lệ [NH3]/[NH,"] = 1 [Lê Văn Cát, 2007]. Khí NH; hòa tan rất độc đối với các loài thủy sinh, đặc biệt là cá. Với nồng độ 0,01 mg/L, NH; đã có thể gây độc cho cá qua đường máu, nồng độ 0,2 — 0,5 mg/L đã gây độc cấp tính [Lương Đức Phẩm, 12 2008].
Hợp chất NH,* không độc nhưng là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, hoặc có thé bị chuyển hóa thành nitrite (NO;) độc hại đối với nhiều loài sinh vat và con người [Galloway et al. oe O, trong khi quyén Nước thải Riva trôi từ đất nông nghiệp & sp JẾ @a 9. 5e Phúi dưỡng #a+ w% Quang hợp Oxy hòa tan cao N —— Se ae =——» ees trong nước mat ot (Sinh O;) - at« Tao nở hoa Tảo chết và Tăng độ đục, bị phân hủy ngăn cản thực vật CÔ0 - Hình 1. Quá trình phú dưỡng (Eutrophication) trong các thủy vực [Galloway et al., 2008] Hàm lượng nitrate cao trong nước tưới va đất canh tac nông nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến các loài sinh vật nước mà còn là nguyên nhân dẫn đến tích lũy chất này trong các sản phẩm rau xanh, hệ lụy là ảnh hưởng đến sức khỏe con người [Santamaria, 2006; Savino et al.
Anh hưởng đối với sức khỏe con người Nitrite có tính độc cao, rất có hai cho cơ thé con người. Nitrite gây ra chứng thiếu vitamin, và có thé kết hợp với các amin để tạo thành các hợp chất nitrosamines gây ton thương di truyền tế bao, là một trong những nguyên nhân dan đến ung thư thực quản, ung thư da dày, ung thư ruột kết và các khối u khác [Park et al., 2015; Bedale et al. Nitrate va nitrite đều có khả năng oxy hóa Fe”' trong hemoglobin thành Fe””, khiến hemoglobin chuyén thành dang methemoglobin, không thé thuc hién duoc 13 chức năng liên kết và vận chuyển oxy [Savino er al. Hội chứng trẻ đa xanh (thiếu máu) do methemoglobin thường gặp ở trẻ đưới 6 tháng tuổi do có hàm lượng enzyme NADH-cytochrome b; reductase (là enzyme khử methemoglobin thành hemoglobin) thấp, chi bằng một nửa của người trưởng thành [Savino et al.
Ảnh hướng đến môi trường nước nuôi trồng thủy sản Chất lượng nước ao nuôi là yếu tố quan trọng hàng đầu trong nuôi trồng thủy sản, trong đó tong hàm lượng ammonia (Total Ammonia Nitrogen, TAN) trong nước là một trong các chỉ số được quan tâm nhất, thường được giới hạn ở mức < 0,5 mg/L [Hari et ai. Trong hai dang ammonia thì NH; có tính độc cao hơn gap 100 lần so với NH,* [Francis-Floyd et al. Hàm lượng NH; = 0,1 mg/L có thé làm ức chế sinh sản, sinh trưởng cho cá, hàm lượng 1 — 3 mg/L gây chết cá va nhiều loài thủy sản khác. Tôm thậm chí còn nhạy cảm hơn, có thé chết hàng loạt khi nồng độ NH; trong nước ở mức 0,7 — 1,2 mg/L [Boyd, 2018].
Ammonia trong ao nuôi trồng thủy sản có nguồn gốc từ thức ăn thừa và các chất thai của tôm, cá [Francis-Floyd et ai., 2010; Wei et al. Ở điều kiện thích hợp, nito ammonia có thể được loại khỏi nước ở dạng N; nhờ quá trình nitrate hóa-khử nitrate do VSV (Hình 1.2) [Linbo, 2009; Francis-Floyd et al. we a Thức an thừa va chat thai Ammonia (NH) + H†—>Ammonium (NH¿!) == Nitrosomonas HỶ Nước có nitrate cao Nitrate (NO {NO3) Nitrite (NO2) 2" Nitrobacter Ht Hình 1. Quá trình chuyên hóa nito trong ao nuôi thủy sản [Linbo, 2009] So với NH; thì các hợp chất NO, và NO; có tính độc thấp hon.
Nitrite ở hàm lượng > 0,1 mg/L có thé ngắm qua mang và da dé đi vào máu, gây thiếu oxy, 14 làm cá chậm lớn và dé bị bệnh [Lương Đức Pham, 2008]. Nitrate ít nguy hiểm đối với động vật thủy sinh, tuy nhiên khi ở hàm lượng > 250 mg/L có thể bị khử không hoan toàn, tạo ra nitrite và gây độc [Francis-Floyd et al. Ảnh hướng đến quy trình xử lý nước cấp Các hợp chất NH,* va NH; hòa tan trong nước cấp có thé phản ứng với chlorine tạo thành chloramine, làm giảm hiệu quả diệt khuẩn của chlorine hon 100 lần. Hơn nữa, NH," có thé là nguồn điện tử cho một số vi sinh vật, gây hiện tượng “không ôn định sinh học”, làm cho nước bị đục, đóng cặn trong bề chứa và ống dẫn.
Ngoài ra, NH,* ở nồng độ > 1 mg/L có thé gây ăn mòn cho các đường ống dẫn nước và các công trình kim loại dưới nước [Bitton, 2005]. VI SINH VAT THAM GIA CHU TRÌNH CHUYEN HÓA NITƠ Khí nitơ (N;) chiếm ~ 79% khí quyên trên trái đất, có cấu trúc phân tử bền vững (N=N), chỉ tham gia các phản ứng hóa học khí có các yếu tố xúc tác mạnh (sắm sét/nhiệt độ và áp suất cao), hoặc nhờ enzyme nitrogenase ở một số vi sinh vật, được chuyên hóa thành NH,’ và bắt đầu đi vào chu trình tuần hoàn nito [Bitton, 2005]. Vi sinh vật (VSV) đóng vai trò vô cùng quan trọng trong chu trình nitơ, dam nhiệm hoàn toàn một số mắt xích quan trọng (Hình 1. On = Planctomypoevtes Ũ at — Nitrosomonas Virrosocecen Hinh 1.
Chu trinh nito va sy tham gia cua VSV (1) Cé dinh nito, (2) Khoáng hóa nito, (3) Nitrate hóa, (4) Khử nitrate đồng hóa, (5) Khử nitate di hóa [de-Sousa, Bhosle, 2012] 15 1. Cố định nito (nitrogen fixation) Cố định nito sinh học là mắt xích đầu tiên, chuyên nito phân tử N; trong khí quyên thành nitơ hữu cơ, duy trì khoảng 2 x 10° tan nitơ/năm trong môi trường trên toàn trái đất. VSV có định nitơ có thé sinh trưởng tự do (như Azotobacter spp., Cyanobacteria phố biến trong môi trường nước và đất) hoặc cộng sinh (như Rhizobium spp. trên cây họ đậu) [Marks et al.
Quá trình cố định nito (phản ứng 1.1) được thực hiện nhờ enzyme nitrogenase, chứa ion lưu huỳnh va sắt-molybden, là các thành phần nhạy cảm với với oxy [Gutschick, 1982].1) VSV có những công cụ dé bảo vệ nitrogenase khỏi anh hưởng của oxy, ví du như sinh polysaccharide để khử oxy hòa tan (ở vi khuẩn Azotobacter), hay hình thành lớp vỏ alginate ngăn can sự khuếch tán oxy vào trong tế bào (ở A. Khoáng hóa nito (ammonification) Khoáng hóa nitơ là quá trình phân giải các hợp chất nitơ hữu cơ (protein, nucleic acid), được thực hiện bởi nhiều loại VSV di dưỡng nhờ các enzyme protease, peptidase, nuclease, nhóm amine NH; sau đó được chuyên hóa thành sản phẩm cuối cùng là NH,* (phản ứng 1. R-NH; + HOH -> R-OH + NH¿ + OH” (1. Nitrate hóa (nitrification) Nitrate hóa là quá trình oxy hóa NH,’ thành nitrate bởi VSV, diễn ra theo hai bước: NH,* > NO; — NO; (phản ứng 1.4) Phương trình tổng quát của quá trình nitrate hóa như sau (phản ứng 1.5): NH¿” + 2O; — NO; + HạO + 2H” (1.5) 16 Bước oxy hóa NH¿ thành NO, được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa NH,* (Ammonium Oxidizing Bacteria - AOB), là nhóm hiểu khí tự dưỡng vô cơ, các chi thường gặp gồm có Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, và Nitrosovibrio.
Trong bước tiếp theo, NO, được chuyền hóa thành NO; nhờ các vi khuan oxy hóa nitrite (Nitrite Oxidizing Bacteria - NOB) như Nitrobacter, Nitrospina, Nitrospira va Nitrococcus [Wolfe, Lieu, 2002; Moir, 2011]. Nitrate hóa là quá trình tự dưỡng vô co, năng lượng thu được rất thấp (57 kcal/mol cho phản ứng NH,* + NO, và 74 kcal/mol cho phản ứng NO, — NO; ), mặc dù mức tiêu tốn oxy lại rất cao, kém hiệu qua so với các phản ứng oxy hóa chat hữu cơ bằng oxy (ví dụ năng lượng thu được từ phản ứng oxy hóa acid acetic là 207 kcal/mol) [Bitton, 2005]. Các vi khuẩn nitrate hóa AOB và NOB có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với các loài di dưỡng và tao it sinh khối [Schmidt et al. Do đó, nhược điểm chung của nhóm vi khuẩn nitrate hóa là (i) có nhu cầu về oxy rat lớn, (ii) khó cạnh tranh với các loài di dưỡng trong hệ sinh thái (bao gồm cả môi trường nước thải) khi có mặt carbon hữu cơ [Bitton, 2005].
Mỗi tương quan giữa tốc độ oxy hóa NH,* do AOB hoặc nitrite do NOB (biéu dién là giá trị g mg N/L/ngày) và hệ số sinh trưởng của vi khuan (biểu diễn là u = số gram sinh khối hình thành/ngày) được biéu diễn bằng phương trình: 1g—~y Trong đó: Y là hệ số năng suất sinh trưởng của AOB hoặc NOB tính bằng lượng sinh khối (g) tạo ra từ 1 gram NH¿ hoặc nitrite bị oxy hóa. Theo tính toán và thực nghiệm, hệ số sinh trưởng p của vi khuẩn nitrate hóa trong khoảng 0,006 — 0,0035, thấp hơn nhiều so với của vi khuẩn dị dưỡng sinh trưởng trên nguồn carbon hữu co, vi dụ như sử dụng glucose là 0,18 — 0,38 [Sedlak, 1991]. Ngoài ra, năng suất sinh trưởng (Y) của vi khuẩn nitrate hóa cũng rất thấp, cụ thé ở AOB (như Nitrosomonas spp.) là 0,04 — 0,13, và ở NOB (như Nitrobacter spp.