Tài liệu Luận văn thạc sỹ Xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản bằng phương pháp sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ------------------ HOÀNG VĂN PHONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC Chuyên ngành: Hoá môi trƣờng Mã số: 60.44.41 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------ HOÀNG VĂN PHONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC Chuyên ngành: Hoá môi trường Mã số: 60.44.41 Luận văn Thạc sỹ khoa học Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Đình Bảng HÀ NỘI – 2011 1 MỤC LỤC Lời cam đoan............................................................................ Error! Bookmark not defined. Lời cảm ơn! .............................................................................. Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG............................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH .............................................................................................................iv ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..............................................................................1 1.1. Hiện trạng và nhu cầu thực tiễn ............................................................... 1 1.2. Một số đặc điểm sinh học cua biển (Scylla serrata) ................................ 2 1.3. Tình hình sản xuất giống cua ................................................................... 4 1.4. Những nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng đến sinh trƣởng và tỷ lệ sống của ấu trùng cua ............................................................ 5 1.5. Tình hình sử dụng chế phẩm sinh học trong nuôi trồng thuỷ sản trên thế giới..............................................................................................................10 1.5.1. Khái niệm về chế phẩm vi sinh và cơ chế tác dụng ................................10 1.5.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh trong NTTS ................13 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................17 2.1. Đối tƣợng, phạm vi, thời gian và địa điểm nghiên cứu ........................17 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu. .......................................................................17 2.2.1.Phương pháp tiếp cận ..............................................................................17 2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm...............................................................18 2.3. Sơ đồ các nội dung nghiên cứu. ..............................................................23 2.4. Phƣơng pháp phân tích một số yếu tố môi trƣờng nƣớc: ....................24 2.4.1. Phương pháp phân tích N-NH4+.............................................................24 2.4.2. Phương pháp phân tích N-NO2-..............................................................25 2.4.3. Phương pháp phân tích N-NO3-..............................................................25 2.4.4. Phương pháp phân tích tổng Nitơ ..........................................................26 2.4.5. Phương pháp xác định CODMn .............................................................27 2.4.6. Xác định chỉ số BOD ..............................................................................28 2.4.7. Phương pháp xác định độ kiềm ..............................................................29 i 2.5. Phƣơng pháp thu thập, phân tích và xử lý số liệu ................................31 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................................32 3.1. Đánh giá chất lƣợng nƣớc thải từ các trại sản xuất giống cua xanh tại Hải Phòng ........................................................................................................32 3.2. Kết quả xử lý nƣớc thải bằng chế phẩm vi sinh ...................................33 3.2.1. Biến động các yếu tố thuỷ lý ...................................................................33 3.2.2. Kết quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải bằng chế phẩm vi sinh .......33 3.3. Nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh trong trại sản xuất giống cua xanh (Scylla serata) ........................................................................................39 3.3.1. Biến động các yếu tố môi trường thuỷ lý ...............................................39 3.3.2. Biến động amoni (NH4+) và nitrite (NO2-), nitrat (NO3-) .......................40 3.3.3. Tỷ lệ sống của ấu trùng cua trong thí nghiệm ........................................49 3.3.4. Tỷ lệ sống của Megalopa sang Cua bột .................................................50 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................53 4.1.Kết luận......................................................................................................53 4.2. Đề xuất ......................................................................................................54 CHƢƠNG V. TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................55 ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD Biological Oxygen Demand COD Chemical Oxygen Demand DO Disovel Oxygen TAN Total Amoni VSV Vi sinh vật Z Zoae Me Megalope CT Công thức TN Thí nghiệm DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Địa điểm thu mẫu nước thải .....................................................................18 Bảng 2.2. Thành phần và công dụng chế phẩm Lymnozyme ...................................19 Bảng 2.3: Bố trí thí nghiệm .......................................................................................20 Bảng 2.4. Lập đường chuẩn phân tích tổng Nitơ ......................................................27 Bảng 2.5. Lượng ức chế quá trình nitrat hoá ............................................................29 Bảng 3.1: Thông số chất lượng nước thải .................................................................32 Bảng 3.2: Biến động một số yếu tố môi trường trong bể thí nghiệm .......................33 Bảng 3.3: Kết quả phân tích NH4+ (mg/l) .................................................................34 Bảng 3.4: Kết quả phân tích NO2- (mg/l) ..................................................................35 Bảng 3.5: Kết quả phân tích NO3- (mg/l) ..................................................................36 Bảng 3.6: Kết quả phân tích BOD5 (mgO2/l) ............................................................37 Bảng 3.7: Kết quả phân tích COD (mg/l) .................................................................38 Bảng 3.8: Kết quả theo dõi biến động NO2- (mg/l) ...................................................40 Bảng 3.9: Kết quả theo dõi biến động NO3- (mg/l) ...................................................42 Bảng 3.10: Kết quả theo dõi biến động NH4+ (mg/l) ................................................43 Bảng 3.11: Kết quả theo dõi biến động N tổng số (mg/l) .........................................44 Bảng 3.12: Kết quả theo dõi biến động BOD5 (mgO2/l) ...........................................45 Bảng 3.13: Kết quả theo dõi biến động COD (mg/l) ................................................47 Bảng 3.14. Môi trường nước hệ thống sản xuất cua giống .......................................48 Bảng 3.15: Tỷ lệ sống của ấu trùng trong thí nghiệm ...............................................49 iii Bảng 3.16: Thời gian biến thái của ấu trùng cua biển ..............................................50 Bảng 3.17: Tỷ lệ sống từ ấu trùng Megalopas sang cua bột. ....................................50 Bảng 3.18. Các thông số sản xuất (1 chu kỳ sản xuất giống) ...................................51 Bảng 3.19. Chi phí sản xuất ......................................................................................51 Bảng 3.20. Tổng thu ..................................................................................................52 Bảng 3.21. Doanh thu và hiệu quả kinh tế ................................................................52 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ bề mặt mô hình hệ thống bể lọc ngập nước ....................................21 Hình 2.2: Sơ đồ mặt đứng mô hình hệ thống bể lọc ngập nước ...............................21 Hình 2.3: Sơ đồ mặt đứng hệ thống hoàn lưu ...........................................................21 Hình 2.4: Sơ đồ khối nội dung nghiên cứu ...............................................................23 Hình 3.1: Biến động hàm lượng NH4+ trong 5 ngày thử nghiệm ..............................34 Hình 3.3: Biến động hàm lượng NO2- trong 5 ngày thử nghiệm ..............................35 Hình 3.4: Biến động hàm lượng NO3- trong 5 ngày thử nghiệm ..............................36 Hình 3.5: Biến động hàm lượng BOD trong 12 ngày thử nghiệm ............................37 Hình 3.6: Biến động hàm lượng COD trong 5 ngày thử nghiệm ..............................38 Hình 3.7: Biến động các yếu tố môi trường trong bể ương ......................................39 Hình 3.8: Biến động hàm lượng NO2- trong bể ương ...............................................41 Hình 3.9: Biến động hàm lượng NO3- trong bể ương ...............................................41 Hình 3.10: Biến động hàm lượng NH4+ trong bể ương.............................................44 Hình 3.11: Biến động hàm lượng N tổng số trong bể ương......................................45 Hình 3.12: Biến động hàm lượng BOD5 ở các bể thí nghiệm ..................................46 Hình 3.13: Biến động hàm lượng COD theo tuần nuôi ............................................47 Hình 3.14: Tỷ lệ sống qua mỗi giai đoạn của ấu trùng cua biển ...............................49 Hình 3.15: Tỷ lệ sống qua mỗi giai đoạn của ấu trùng cua biển ...............................50 iv CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Hiện trạng và nhu cầu thực tiễn Khoảng năm ngàn trại nuôi giống thủy sản đang hoạt động cung cấp trên 20 tỉ tôm giống và các loại giống nuôi khác cho nuôi trồng thủy sản hàng năm. Phần lớn các trạm nuôi giống sử dụng nước mặn hoặc nước lợ trong sản xuất giống (Lê Văn Cát và ctv, 2008) Hình thức nuôi phổ biến đang áp dụng hiện nay là thay nước nuôi hàng ngày với một tỉ lệ nhất định nào đó phụ thuộc vào loài nuôi và chế độ nuôi. Phần lớn nước nuôi được thải thẳng ra ngoài môi trường, không qua xử lý. Nước thải chứa thức ăn thừa, chất bài tiết, phân, vi khuẩn gây bệnh, kháng sinh. Các tạp chất trên có khả năng gây hại cho vực nhận nước: giảm chất lượng nước, gây tổn hại sinh cảnh, làm suy giảm đa dạng sinh học, nhiễm mặn đất, lan truyền bệnh, biến đổi gien của vi sinh do kháng sinh và đôi khi gây hiện tượng phú dưỡng cho vực nước nhận [Woolard, Irvine., 1995; Dahl và ctv., 1997; Furumai và ctv., 1998; Dincer AR và ctv., 2001] Vì lợi ích bảo vệ môi trường nói chung và ngành sản xuất nuôi trồng thủy sản phát triển bền vững thì việc xử lý và tái sử dụng nước thải từ các trại nuôi giống là một trong những nhu cầu cần thiết. Ngoài ra, tái sử dụng nước nuôi hải sản còn mang lợi ích kinh tế nếu cơ sở nuôi cách xa nguồn nước cấp và cho các cơ sở bán đồ hải sản tươi sống tại các thành phố do giảm chi phí vận tải nước nuôi. Tái sử dụng nước nuôi thủy sản đã được phổ biến ở nhiều nước phát triển trên thế giới [Colt J. 2006; Timmons và ctv., 2002], trong khi đó phương thức sản xuất trên chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam. Nước nuôi giống thủy sản nói riêng hoặc nuôi trồng thủy sản nói chung có mức độ ô nhiễm không quá nặng nề như các ngành sản xuất khác nhưng những chất ô nhiễm lại là chất gây độc trực tiếp cho loài nuôi với nồng độ rất thấp, điển hình nhất là amoniac, thành phần phân hủy từ chất thải. Xử lý nước thải vì vậy tập trung vào xử lý amoni, cụ thể là chuyển hóa chúng thành dạng nitrat thông qua quá trình nitrat hóa bằng con đường vi sinh vật [Woolard CR, Irvine RL .,1995; World Bank.. 2001; Vredenbregt và ctv., 1997; Dincer và ctv., 1999] So với các loại nước thải khác, tính chất đặc thù của nước nuôi thủy sản có nồng độ amoni thấp, độ muối 1 cao, thường chứa các chất ức chế (sử dụng trong khi nuôi, ví dụ kháng sinh) nhưng yêu cầu mức độ làm sạch rất cao nếu nhằm mục đích tái sử dụng. Các yếu tố trên ức chế rất mạnh đến hiệu quả hoạt động xử lý của vi sinh vật tự dưỡng (loại chuyển hóa amoni thành nitrat) vốn đã là chủng loại có tốc độ phát triển chậm [Hunik và ctv 1993; Catalan-Sakairi và ctv 1997]. Khó khăn khác khi sử dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước nuôi là sản xuất theo thời vụ (vùng miền bắc), qui mô sản xuất nhỏ, chủng loại vật nuôi đa dạng ngay trong một cơ sở sản xuất. Những đặc điểm trên đây sẽ tác động đến hiệu quả sử dụng công nghệ xử lý nước thải, dẫn đến: chi phí xây dựng và vận hành hệ thống xử lý cao, khó ổn định. 1.2. Một số đặc điểm sinh học cua biển (Scylla serrata) Phân bố: Scylla serrata có sự phân bố rộng rãi nhất và là loài duy nhất cho đến nay được ghi nhận ở vùng biển Ấn Độ, Tây Thái Bình Dương, biển Đỏ, vịnh Rachard, Nam Phi, Đông và Tây Úc, biển Arafura, Darwin, Timor, Indonesia, biển Thái Bình Dương, Fiji, Solomon Island, New Coledonia, Philippines, Okinawa Japan, Đài Loan, biển Nam Trung Hoa, Singapore, Malaysia, Cambodia, Việt Nam...(Keenan và ctv. 1998). Scylla serrata phân bố phổ biến ở vùng vĩ độ cao nơi có nhiệt độ thấp hơn vùng biển nước ta (Hoàng Đức Đạt. 1992). Tập tính sống của cua biển Trong giai đoạn ấu trùng Zoae, ấu trùng sống ở biển, đến giai đoạn Megalops chuyển vào sống ở vùng nước lợ. Ấu trùng trải qua nhiều giai đoạn lột xác biến thái thành cua con (2 – 3cm). Cua con sống trong những bãi rong ở rừng ngập mặn thuộc vùng hạ triều cho đến khi lớn hơn (7 – 13cm). Cua di chuyển tới các vùng quang đãng hơn, cua sống ở tầng đáy và di chuyển tới vùng triều để kiếm mồi. Khi trưởng thành, cua phát dục và giao vĩ đẻ trứng trong vùng nước lợ. Phôi phát triển nở ra ấu trùng ở vùng biển sâu (Keenan and A. Blackshaw (Editors), 1999.) Vòng đời phát triển của cua biển. Vòng đời cua biển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau và mỗi giai đoạn có tập tính sống, cư trú khác nhau: 2 - Ấu trùng Zoae và Megalops: Sống trôi nổi và nhờ dòng nước đưa vào ven bờ biến thái thành cua con. - Cua con: Bắt đầu sống bò trên đáy và đào hang để sống hay chui rúc vào gốc cây, bụi rậm đồng thời với việc chuyển từ đời sống trong môi trường nước mặn sang nước lợ ở rừng ngập mặn, vùng cửa sông hay ngay cả vùng nước ngọt trong quá trình lớn lên. - Cua đến giai đoạn thành thục: Có tập tính di cư ra vùng nước mặn ven biển sinh sản. Cua có khả năng bò lên cạn và di chuyển rất xa. Đặc biệt, vào thời kỳ sinh sản, cua có khả năng vượt cả rào chắn để ra biển sinh sản. * Về độ muối: Ấu trùng Zoae thích hợp với độ muối từ 25‰ - 30‰, cua con và cua trưởng thành thích nghi và phát triển tốt trong phạm vi 2‰ - 38‰. Tuy nhiên, trong thời kỳ đẻ trứng đòi hỏi độ muối từ 22‰ - 32‰. * Về nhiệt độ, pH: cua biển là loài phân bố rộng, tuy nhiên nhiệt độ thích hợp nhất từ 250C - 300C. Cua chịu đựng pH từ 7.5 - 9.2 và thích hợp nhất là 8.2 8.8. Cua thích sống nơi nước chảy nhẹ, dòng chảy thích hợp nhất trong khoảng 0.06m/s - 1.6m/s (Keenan and A. Blackshaw (Editors), 1999). * Về sinh cảnh nơi cư trú: cua biển thích sống những nơi có nhiều thực vật thuỷ sinh, những vùng bán ngập, có bờ để đào hang, tìm nơi trú ẩn, nhất là thời kỳ lột xác. Vùng rừng ngập mặn cửa sông, ven biển là nơi có nhiều cua biển sinh sống (Keenan et al. 1999) Dinh dƣỡng Cua biển là loài giáp xác ăn tạp, ăn cả thực vật và động vật, động vật tìm thấy trong đáy bùn và có hiện tượng ăn thịt lẫn nhau khi thiếu thức ăn (Jayamanne, S. C. and Jinadasa, J., 1991). Tính ăn của cua biển biến đổi theo từng giai đoạn phát triển nhưng nhu cầu dinh dưỡng của chúng khá lớn. Giai đoạn ấu trùng Zoae, cua thích ăn thực vật và động vật phù du. Đến giai đoạn Megalops chúng ăn được thức ăn cỡ to hơn, giai đoạn này chúng có thể ăn thịt tôm, nhuyễn thể nghiền nát. Giai đoạn cua con chuyển dần sang ăn tạp như rong tảo, giáp xác nhuyễn thể cá hay ngay cả xác chết động vật. Giai đoạn trưởng thành cua ăn rong, tảo, cá, giáp xác, 3 nhuyễn thể và xác động vật chết. Trước và ngay sau khi lột xác cua ngừng ăn ((Jayamanne, S. C. and Jinadasa, J., 1991)) 1.3. Tình hình sản xuất giống cua Tình hình sản xuất giống cua thế giới Năm 1983, Heasman, M.P. và Fielder D.R. đã thử nghiệm cho cua đẻ ở phòng thí nghiệm và nuôi đại trà cua xanh (Scylla serrata) từ giai đoạn Zoea đến cua bột, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Cần duy trì chất lượng nước bằng hệ thống lọc nước tuần hoàn, nhiệt độ nước 270C, độ mặn 30 ± 2‰, mật độ thức ăn từ 3 – 5con/l (Nauplius của Artemia) được coi là các điều kiện thích hợp trong quá trình ương nuôi ấu trùng. Với điều kiện này thì thời gian chuyển giai đoạn từ Zoea đến cua bột là 30 ngày, tỷ lệ sống giai đoạn Zoea đạt từ 1- 4% (Nguyễn Cơ Thạch 2000). Đến năm 2002, quy trình kỹ thuật sản xuất giống thành công nhưng tỷ lệ sống còn thấp. Tỷ lệ sống cao nhất từ giai đoạn Z1 đến giai đoạn cua đầu tiên (C1) cao nhất ở các thể tích nuôi nhỏ (<100 lit) là 1% (Ong, 1964), 4% (Duplesis, 1971), 15% (Marichamy và Rajapackiam 1992). Đối với quy mô lớn (0.1 – 1m3), tỷ lệ sống trung bình từ Z1 đến Megalopas Scylla serrata 3 – 5 ngày tuổi là 3% , và 24.3% đối với loài S. tranquebarica (Yunus,T, L. Ahmad, Rusdi, and D.Makatutu. 1994). Tình hình sản xuất giống cua ở Việt Nam. Để giải quyết vấn đề cua giống, Bộ khoa học công nghệ - Môi trường và Bộ thuỷ sản đã giao nhiệm vụ cho các Viện nghiên cứu triển khai nghiên cứu từ những năm 1980. Nhưng ở thời điểm đó các tác giả như Nguyễn Văn Chung, Scrome, Starobogator chủ yếu tập chung nghiên cứu về định loại loài và một số đặc điểm sinh học làm cơ sở cho những nghiên cứu sau này. Trong những năm đầu của thập kỷ 90, các tác giả như Hoàng Đức Đạt, Đoàn Văn Đẩu, Nguyễn Cơ Thạch đã tiến hành nghiên cứu các đặc điểm sinh học, sinh sản và sản xuất giống nhân tạo cua xanh nhưng kết quả còn hạn chế. 4 Năm 1998, Bộ Khoa Học Công Nghệ - Môi trường đã giao cho Trung tâm nghiên cứu thuỷ sản III thực hiện đề tài “Nghiên cứu sinh sản nhân tạo và xây dựng quy trình kỹ thuật sản xuất giống nhân tạo loài cua xanh Scylla serrata”. Cũng trong thời gian này, Trường Đại Học Cần Thơ cũng nghiên cứu sinh sản nhân tạo thành công giống cua xanh Scylla serrata và bước đầu thử nghiệm nuôi cua thương phẩm từ nguồn giống nhân tạo (Trương Quốc Thái - Nguyễn Cơ Thạch 2000). Qua nhiều lần thí nghiệm tỷ lệ sống từ 10 – 15% từ Zoea 1 đến Cua 1 trong các bể composite hình trụ nón 30 – 500l. Ở quy mô sản xuất thử nghiệm trong bể có thể tích 1 – 4m3 tỷ lệ sống đạt 2 – 5% từ Zoea 1 đến Cua 1 (Trương Trọng Nghĩa và Trần Ngọc Hải 2002). Đến năm 2003, quy trình đã bước đầu hình thành và được áp dụng rộng rãi trên cả nước. 1.4. Những nghiên cứu về ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng đến sinh trƣởng và tỷ lệ sống của ấu trùng cua Ấu trùng cua đòi hỏi chất lượng nước sạch, không có tác nhân gây bệnh (vi khuẩn, ký sinh trùng...). Nước biển khi đưa vào bể ương phải được lọc qua lưới kích cỡ 1 micromet và sau đó khử trùng bằng Clo diệt khuẩn và trung hoà bởi Sodium thiosulphate (Mann et al 1999b; Parado-Estepa và Quinitio năm 1998; Quinitio et al, 2001; Williams et al, 1998;. Williams et al , 1999b;). Một số nghiên cứu cho biết nước trong hệ thống ương ấu trùng cua biển được xử lý bằng Ozone và sau đó tái tuần hoàn thông qua lọc sinh học, có cấy vi khuẩn nitrat (Baylon và Failaman năm 1999; Williams et al, 2002) hoặc tái sử dụng bằng cách lọc qua than hoạt tính và khử trùng bằng ánh sáng tia cực tím (Đạt, 1999b). Nước dùng trong bể ương cần được để ổn định vài ngày trước khi đưa vào ương ấu trùng (Mann et al, 1999b và Parado-Estepa Quinitio, 1998), bổ sung tảo cải thiện chất lượng nước (Mann, 1999b; Williams et al, 2002). Nhiệt độ Cua là nhóm động vật biến nhiệt, nhiệt độ cơ thể của chúng chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ của nước (môi trường sống), dù chúng có vận động thường xuyên thì kết quả vận động sinh nhiệt không đáng kể. Nhiệt độ quá cao hoặc quá 5 thấp đều không thuận lợi cho đời sống của cua. Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép có thể dẫn đến ấu trùng chết thậm chí chết hàng loạt. Do đó mỗi loài cua có ngưỡng nhiệt độ khác nhau. Sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ (ngay cả trong phạm vi thích hợp) cũng có thể khiến cho cua bị sốc (stress) mà chết. Trong quá trình vận chuyển, nuôi dưỡng cần chú ý sự chênh lệch nhiệt độ và nhất là sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Nếu nhiệt độ chênh lệch 50C/ngày đêm có thể làm cho ấu trùng bị sốc và chết, tốt nhất không để nhiệt độ chênh lệch quá 30C, biên độ dao động nhiệt độ trong ngày không quá 50C. Scylla serrata có khả năng chịu nhiệt độ thấp hơn 12°C (Hill, 1974). Ấu trùng phát triển ở 25 - 30°C, nhiệt độ trong phạm vi 29 - 30°C rút ngắn thời gian phát triển (Đạt, 1999b; Li et al, 1999; Mann et al, 2001; Quinitio et al. , năm 1999; Quinitio et al, 2001; Djunaidah et al, 1998)... Ấu trùng rất nhạy cảm với những thay đổi đột ngột về nhiệt độ, đặc biệt là trong giai đoạn đầu dễ bị tổn thương khi biên độ dao động lớn. Độ mặn Độ mặn có ảnh hưởng quan trọng đến tỷ lệ sống và phát triển của ấu trùng cua biển. Ở giai đoạn Zoae, độ mặn ở mức 28 - 300/00 đảm bảo sinh trưởng và phát triển tốt nhất cho ấu trùng, giai đoạn Megalope độ mặn giảm dần từ 300/00 đến 200/00 (Baylon và Failaman.,2001; Quinitio et al, 2001.) Ánh sáng Giai đoạn Z1 và Z2 ấu trùng tính hướng quang mạnh mẽ và tập trung vào nơi có ánh sáng. Trong giai đoạn sau của phát triển (Z3 - Me), nhu cầu về cường độ ánh sáng cao hơn (1800 - 4000 lux) (Mann et al, 2001). Tỷ lệ sống của ấu trùng thấp khi không có đủ ánh sáng cần thiết, cường độ ánh sáng yếu (50 lux), đặc biệt sau giai đoạn Z3. Ánh sáng tự nhiên rất cần thiết cho sự phát triển ấu trùng (Takeuchi và cộng sự, 2000; Williams et al, 1998). Thời gian cần ánh sáng cho ấu trùng từ 12 đến 18 giờ (Nghia et al., 2001b), ít nhất 12 giờ (Mann et al, 2001; Quinitio et al, 2001).(Djunaidah, et al, 1998). 6 Oxy hoà tan Tôm sống trong nước nên hàm lượng oxy hoà tan trong nước rất cần thiết cho đời sống của cua. Nhu cầu oxy phụ thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển, trạng thái sinh lý, nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì lượng tiêu hao oxy của ấu trùng cua cũng tăng lên. Nhu cầu oxy hoà tan trong nước tối thiểu của cá là 3mg/l, với tôm, cua là 4mg/l. Trường hợp oxy hoà tan thấp hơn mức gây chết kéo dài làm cho vật nuôi bị sốc, ảnh hưởng xấu đến tỷ lệ sống, tăng trưởng và phát dục của chúng. Độ pH của nước Độ pH của nước ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của động vật thuỷ sinh. Tuy nhiên phạm vi thích ứng độ pH của cua tương đối rộng. Phần lớn các loài cua là pH = 6,5- 9,0. Nhưng pH từ 4,0- 6,5 và 9,0- 11 làm cho cua chậm phát triển và thấp dưới 4 hoặc cao quá 11 là giới hạn gây cho cua chết. Clo Trong điều kiện tự nhiên, nước ở các thuỷ vực không có Clo. Clo xuất hiện do sự nhiễm bẩn, nguồn gốc chính là các chất thải nhà máy, xí nghiệp công nghiệp. Trong các bể ương giống sử dụng Clorine khử trùng ao liều lượng cao 15- 30 mg/l (15- 30ppm) do đó có lượng Clo dư thừa. Trong nước Clo thường ở dạng HOCl hoặc Cl-: HOCl + Cl- + H+ Cl2 + H2O MT kiềm H+ + OCl- HOCl MT axit OCl- (O) + Cl- Oxy nguyên tử là chất oxy hoá mạnh, có thể ảnh hưởng đến mang tôm, cua ngay cả khi hàm lượng Clo thấp. 7 Với pH = 6 thì 96% Clo hoà tan tồn tại dưới dạng HOCl. Với pH=9 thì 97% HOCl bị hấp thụ. Clo dưới dạng HOCl độc hơn OClTrong hệ thống nuôi và sản xuất giống có nhiều chất hữu cơ sẽ xảy ra phản ứng kết hợp của Clo dư thừa với NH3, chuyển thành Cloramine: NH3 + HOCl NH2Cl + H2O monoCloramine NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O diCloramine NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O triCloramine Độ độc của Clo tự do và Cloramine phụ thuộc vào nhiệt độ nước, độ pH, hàm lượng oxy hoà tan. Với hàm lượng Clo trong nước 0,2- 0,3mg/l tôm chết rất nhanh trong khoảng thời gian dưới 30 phút. Nồng độ 0,01mg/l gây độc cho tảo (thực vật phù du). Amoniac - NH3 Amoniac - NH3 được tạo thành trong nước do các chất thải của nhà máy hoá chất, sự phân giải các chất hữu cơ trong nước và sản phẩm trao đồi chất của sinh vật nói chung, tôm cua nuôi nói riêng. Bảng 1: So sánh tỷ lệ % NH3 khác nhau trong nước ngọt và nước lợ nhiệt độ 240C Tỷ lệ % của ammonia pH Nước lợ có độ mặn (‰) Nước ngọt 18-22 23-27 28-31 7,6 2,05 1,86 1,74 1,70 8,0 4,99 4,54 4,25 4,16 8,4 11,65 10,70 10,0 9,83 Sự tồn tại NH3 và NH4+ trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, độ pH và độ mặn của nước (Xem bảng 1), NH3 rất độc đối với ấu trùng tôm cá. Nước càng mang tính axit (độ pH thấp) thì NH3 càng có xu hướng chuyển sang NH4+ ít độc, môi trường càng kiềm NH3 càng bền vững và gây độc cho ấu trùng. 8 Ấu trùng cua xanh (S. Serrata) có thể chịu được mức tương đối cao đối với nồng độ chất thải có chứa nitơ. Nồng độ gây chết 50% trong 24 giờ (LC50) của tổng Ammonia (TAN) là 39,7 ± 2,0 mg/l ở pH = 8.2 (Churchill, 2003). Trương Trọng Nghĩa (2005) cho biết ấu trùng giai đoạn Zoae của cua S. paramamosain có thể tồn tại ở nồng độ 5 mg/l NH3-N trong hệ thống tuần hoàn TAN cần được duy trì dưới 1 mg/l trong bể ương ấu trùng Zoae 1 của cua S. serrata (Quinitio và Parado-Estepa, 2001). Nitrite-NO2Nitrite được sinh ra trong quá trình chuyển hoá từ đạm ammoni nhờ các vi khuẩn Nitơ (Nitrobacter): NH4+ + O2 NO2- + H- + H2O NO2 + O2 NO3- Nếu môi trường thiếu oxy thì quá trình chuyển hoá đạm chỉ đến nitrite (NO 2-) khi động vật thuỷ sản hấp thu phản ứng với Hemoglobin tạo thành Methemoglobin: Hb + NO2- = Met-Hb Phản ứng này sắt trong nhân Hemoglobin của máu cá bị oxy hoá thành sắt, kết quả methemoglobin mất khả năng vận chuyển oxy. Nitrite gây độc máu cá và chuyển thành màu nâu. ở giáp xác cấu tạo hemocyanin là Cu trong nhân thay sắt. Phản ứng của Nitrite với hemocyanin kém, nhưng Nitrite cũng có thể gây độc cho giáp xác. Nồng độ gây chết 50% 96h (LC50- 96h) ở tôm cua nước ngọt từ 8,515,4mg/l. Tôm càng xanh chậm phát triển ở nồng độ nitrite 1,8-6,2mg/l (theo Colt,1981). Nước lợ do có nồng độ canxi và clo cao nên độc tố của nitrite giảm, postlarvae tôm sú (P.monodon) có LC50-24h là 204mg/l và LC50- 96h là 45mg/l (Chen và Chin, 1988) Đối với ấu trùng cua xanh (Scylla serrata), Quinitio và Parado-Estepa, 2001 cho biết mức độ an toàn, nuôi ấu trùng cua bùn được tính toán là 4,16, 6,30, 2,55, 2,99 và 6,99 mg/l Nitrit-N tương ứng với các giai đoạn Zoea 1, 2, 3 , 4 và 5. 9 1.5. Tình hình sử dụng chế phẩm sinh học trong nuôi trồng thuỷ sản trên thế giới Trong những năm gần đây, phong trào nuôi thủy sản đang phát triển mạnh theo hướng thâm canh, để bền vững đòi hỏi phải có giải pháp tốt trong quản lý ao và sinh vật nuôi. Chế phẩm vi sinh được sử dụng khá nhiều hiện nay trong nghề nuôi thủy sản, nhất là trong sản xuất giống và nuôi thương phẩm tôm cua dù kết quả được ghi nhận khá khác nhau. Bên cạnh đó cũng có một số kết quả nghiên cứu về chế phẩm vi sinh trong thời gian gần đây nhưng phần lớn dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm. Hiện có xu hướng dùng vi sinh vật hay dẫn xuất của chúng trong nuôi trồng thủy sản để khống chế dịch bệnh, cải thiện dinh dưỡng vật nuôi và cải thiện chất lượng nước và bùn đáy. Vai trò và cơ chế tác động của chế phẩm vi sinh và giá trị “thật” của nó cũng chưa được đánh giá đầy đủ, phần lớn cơ chế được suy diễn dựa trên các nghiên cứu trên người và động vật. Trong nuôi trồng thuỷ sản vì thế cần rất nhiều nghiên cứu để tìm ra cơ chế tác động đúng đắn. 1.5.1. Khái niệm về chế phẩm vi sinh và cơ chế tác dụng Các khái niệm về chế phẩm vi sinh: Hiện có nhiều loại chế phẩm vi sinh khác nhau sử dụng trong nuôi trồng thủy sản và tên gọi của chúng cũng phân loại không hoàn toàn chính xác. Thuật ngữ ”probiotics” được dùng khá phổ biến nhưng nhiều trường hợp vẫn chưa chính xác. Các khái niệm và tên gọi về việc các sản phẩm chứa vi sinh vật được gọi tên khác nhau tùy vào chức năng hoặc là tác dụng của chúng. a) Probiotics: Fuller (1989) định nghĩa là thức ăn bổ sung có bản chất vi sinh vật sống có tác động có lợi đối với vật chủ nhờ cải thiện sự cân bằng hệ vi sinh trong ruột của chúng. b) Bio-remediation: Là chế phẩm cải tạo môi trường được dùng như là một giải pháp công nghệ sinh học để xử lý các sự cố như tràn dầu, chất thải sinh hoạt,…bằng cách cấy các vi sinh vật từ ngoài vào để giảm các chất hữu cơ. Trong ao nuôi thủy sản thì “bio-remediation” là chế phẩm có tác dụng làm giảm các chất thải hữu cơ để không gây ô nhiễm môi trường qua sử dụng các sinh vật kích thước nhỏ và lớn (Thomas và ctv., 1992). 10 c) Bio-control: Là chế phẩm ức chế tác nhân gây bệnh, là một biện pháp khống chế sinh học bằng cách dùng các sinh vật này để khống chế các sinh vật khác, hay nói khác đi là dùng các sinh vật đối kháng trong số các sinh vật (Maeda và ctv., 1997). Tuy nhiên, khi tạo một sản phẩm mà có nhiều chức năng khác nhau thì dùng một trong các tên nêu trên, nhất là thuật ngữ “probiotics” là không phù hợp. Boyd (2005) đề nghị dùng thuật ngữ “microbial products” cho các sản phẩm dùng để cải thiện nền đáy và chất lượng môi trường nước. Cơ chế tác động của chế phẩm vi sinh a/ Tiết ra các hợp chất ức chế: Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng có nhiều dòng vi khuẩn in-vitro kìm hãm được các mầm bệnh trong nuôi trồng thủy sản (Moriatty, 1999;Gibson và ctv., 2002. Những nghiên cứu này cũng chứng minh khả năng kìm hãm vi khuẩn của những dòng vi khuẩn thông thường dễ tìm thấy trong môi trường (Fuller, 1989). Những quần thể sinh vật này có thể tiết vào môi trường những chất có tính sát khuẩn hoặc kìm hãm quần thể vi sinh khác, nhằm gián tiếp cạnh tranh dinh dưỡng và năng lượng có sẵn trong môi trường. Sự hiện diện những vi khuẩn này sản sinh chất kìm hãm, có thể tiết trong ruột, trên bề mặt cơ thể vật chủ hay ra môi trường nước làm rào cản sự nhân lên của vi khuẩn cơ hội gây ức chế các vi sinh vật gây bệnh. Trong sản xuất những dòng vi khuẩn có khả năng tiết ra chất kìm hãm mầm bệnh được ứng dụng trong các nghiên cứu về vi sinh vật hữu ích. Sản phẩm có thể là chất kháng sinh, siderophores, men phân hủy, H 2O2, acid hữu cơ,…(Sugita et al., 1997; Bruno et al., 1993 ). Thành phần chất tiết ra khó có thể xác định được nên được gọi chung là chất ức chế. Vi khuẩn lactic từ lâu được biết là loại tiết ra chất kháng vi khuẩn (bacteriocin) chống lại các vi khuẩn Gram (+) (không chuyên biệt). Phần lớn các vi khuẩn gây bệnh trong thủy sản là nhóm Gram (-). Vì vậy, tác động ức chế của vi khuẩn lactic trong nuôi trồng thủy sản bị hạn chế nhưng nó là vi khuẩn không có hại và là đối tượng cạnh tranh chỗ cư trú. Nhiều vi khuẩn khác cũng tiết ra chất ức chế chống lại các vi khuẩn gây bệnh như Aeromonas hydrophila và Vibrio parahaemolyticus (Nair et al.,1985). b) Cạnh tranh dinh dưỡng và năng lượng: Nhiều quần thể vi sinh vật cùng tồn tại trong cùng một hệ sinh thái thì sẽ có sự cạnh tranh về dinh dưỡng và năng lượng. 11 Cạnh tranh trong giới vi sinh vật chủ yếu là xảy ra ở nhóm dị dưỡng như cạnh tranh các chất hữu cơ mà chủ yếu là nguồn carbon và năng lượng. Rico-Mora (1998) đã cho một dòng vi khuẩn được chọn lọc có khả năng phát triển trên môi trường nghèo hữu cơ. Tác giả cấy vi khuẩn này vào bể nuôi tảo khuê cùng với Vibrio alginolyticus thì vi khuẩn Vibrio này không phát triển và thử nghiệm in-vitro không thấy có sự ức chế. Do đó chứng tỏ vi khuẩn được chọn lọc cạnh tranh lấn át Vibrio trong điều kiện nghèo hữu cơ. Do vậy những dòng vi khuẩn chọn lọc sẽ có ưu thế trong việc cạnh tranh năng lượng và dinh dưỡng. c) Cạnh tranh nơi cư trú: Cạnh tranh chỗ bám trong ruột của vật chủ có ảnh hưởng rất quan trọng đến sức khoẻ của vật chủ. Việc bám dính được vào lớp màng nhầy của ruột là rất cần thiết để vi khuẩn thiết lập quần thể trong hệ ruột của cá (Olsson et al., 1992, Westerdahl et al., 1991). Khả năng bám dính lên thành ruột là tiêu chuẩn lựa chọn đầu tiên của vi khuẩn hữu ích. Sự bám dính trên màng ruột có thể là chuyên biệt (các điểm hay các phân tử tiếp nhận), không chuyên biệt (dựa trên các yếu tố hóa lý). d) Tương tác với thực vật thủy sinh: Theo các nghiên cứu gần đây một số dòng vi khuẩn có khả năng tiêu diệt một số loài tảo, đặc biệt là tảo gây ra hồng triều (Fukami et al., 1997). Những dòng vi khuẩn này có thể không tốt đối với ương ấu trùng bằng nước xanh, tuy nhiên sẽ có lợi khi tảo phát triển quá mức trong ao nuôi. Nhiều dòng vi khuẩn khác có khả năng kích thích sự phát triển của tảo (Fukami et al., 1997). e) Cải thiện chất lượng nước: Cải thiện chất lượng nước là một cơ chế tác động của “vi sinh vật hữu ích” trong thủy sản khi đưa vi sinh vật hữu ích vào nước giúp cải thiện chất lượng nước mà không có tác động trực tiếp lên cơ thể vật nuôi, thường liên quan đến các nhóm Bacillus (Verschuere et al., 2000). Nhóm vi khuẩn Gram (+) thường phân hủy vật chất hữu cơ thành CO 2 tốt hơn nhóm Gram (-) (Stanier et al., 1963). Duy trì mật độ vi khuẩn Gram (+) trong ao nuôi sẽ hạn chế được sự tích lũy vật chất hữu cơ trong ao trong suốt quá trình nuôi, ổn định quần thể tảo nhờ sự sản sinh CO2 từ quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ. 12 Ngoài ra, những cơ chế tác động về việc cung cấp chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, đóng góp enzym tiêu hoá và một số cơ chế khác đối với men vi sinh chưa được nghiên cứu đầy đủ (Verschuere et al., 2000). 1.5.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh trong NTTS Cơ sở khoa học của việc sử dụng các chế phẩm vi sinh là tạo được sự cân bằng giữa sức khỏe của động vật nuôi tốt, môi trường được cải thiện và số lượng vi sinh gây bệnh được khống chế. Nghiên cứu và ứng dụng các vi sinh vật có lợi để sản xuất các chế phẩm sinh học phục vụ nuôi trồng thủy sản mới chỉ được đề cập trong những năm cuối của thế kỷ XX, khi nuôi trồng thủy sản trở thành nền kinh tế mũi nhọn ở nhiều quốc gia. Tuy vậy, đến nay kết quả thu được cũng hết sức khả quan, ngày càng có nhiều ứng dụng hiệu quả và thiết thực đóng góp vào việc tăng năng suất và chất lượng thương phẩm của thủy sản thu hoạch (Vaseeharan và Ramasamy, 2003). Yasudo và Taga (1980) dự đoán một số vi khuẩn được tìm thấy là hữu ích, chúng không chỉ làm thực phẩm mà còn như bộ điều khiển sinh học đối với bệnh và kích hoạt tái tạo chất dinh dưỡng. Cuối những năm 1980 mới có công bố lần đầu về kiểm soát sinh học trong nuôi trồng thuỷ sản, kể từ đó nỗ lực nghiên cứu đã liên tục được cải thiện và thành công (Verschuere và ctv., 2000). Năm 1989, Maeda và Nagami công bố kết quả theo dõi các dòng vi khuẩn có hoạt tính ức chế Vibrio và cải thiện tốc độ sinh trưởng của ấu trùng tôm, cá. Kết quả cho thấy mật độ vi khuẩn Vibrio spp. gây ra tổn thất lớn trong sản xuất ấu trùng đã giảm đi nhiều, tỷ lệ sống của ấu trùng cao hơn so với khi không bổ sung các dòng vi khuẩn trên. Tác giả cho rằng khi bổ sung các dòng vi khuẩn này sẽ kìm hãm tốc độ sinh trưởng của Vibrio spp., nấm và các loài sinh vật là tác nhân gây bệnh khác. Từ kết quả nghiên cứu tác giả cho thấy khả năng sử dụng vi khuẩn và nguyên sinh động vật trong việc kiểm soát hệ sinh thái ao nuôi để duy trì môi trường ao nuôi tốt hơn và tăng sản lượng thu hoạch. Năm 1993, Smith và Davey báo cáo về một loài vi khuẩn Pseudomonas dòng phát sáng có tác động ức chế cạnh tranh tới tốc độ sinh trưởng của A. salmonicida - là một tác nhân gây bệnh cá. Các kết quả nghiên cứu cho thấy loại vi 13 khuẩn này còn có khả năng kìm hãm tốc độ sinh trưỏng của A. salmonicida trong môi trường nuôi. Khi tiến hành thử nghiệm về ngưỡng chịu đựng của cá hồi Đại Tây Dương đối với loài vi khuẩn trên cho thấy tần xuất lây nhiễm gây ra do stress đã giảm giữa nhóm cá được tắm trong dung dịch có chứa Pseudomonas phát sáng so với lô đối chứng, Austin và ctv. (1995) báo cáo về dòng chế phẩm sinh học của Vibrio alginolyticus không gây ra bất kỳ tác động có hại nào lên cá hồi. Bằng việc sử dụng phương pháp cấy chéo, loại chế phẩm này cho thấy khả năng ức chế các tác nhân gây bệnh cá. Khi bổ sung vi khuẩn đã được làm lạnh khô vào môi trường có một số loài vi khuẩn gây bệnh như V. ordalii, V. angilarum, A. Samonicida và Y. ruckeri, cho thấy số lượng các tế bào vi khuẩn nuôi cấy luôn giảm nhanh so với đối chứng. Hiện nay, việc thử nghiệm chế phẩm sinh học dòng Vibrio đang được khuyến khích và có tiềm năng lớn trong việc áp dụng vào nuôi trồng thủy sản như một phương pháp kiểm soát dịch bệnh, Kennedy và ctv. (1998) sử dụng vi khuẩn probiotic trong ương ấu trùng cá biển. Kết quả cho thấy các ứng dụng của vi khuẩn probiotic làm tăng tỷ lệ sống, tốc độ sinh trưởng ấu trùng cá. Carnevali và ctv. (2004) phân lập Lactobacillus fructivorans từ ruột cá Tráp (Sparus aurata) và sau đó sử dụng như loại chế phẩm sinh học ương ấu trùng đã làm tăng tỷ lệ sống của cá. Gildberg và ctv. (1997) thí nghiệm ở cá hương của cá tuyết ăn thức ăn bổ sung vi khuẩn axit lactic (Carnobacterium divergens), kết quả sau 3 tuần nuôi vi khuẩn axit lactic trong ruột đã làm tăng sức đề kháng đối với chủng gây độc Vibrio anguillarum. Lara-Flores và ctv. (2003) sử dụng hai vi khuẩn và nấm men probiotic, Saccharomyces cerevisiae làm kích thích tăng trưởng cá rô phi (Oreochromis niloticus). Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng bổ sung probiotic làm gia tăng tốc độ sinh trưởng của cá. Ngoài ra, nghiên cứu cho rằng nấm men là một phụ gia thích hợp kích thích tăng trưởng cá rô phi. Sakai (1999), Sealay và Gatlin (2001) tiến hành hoạt hoá các vi sinh vật tự nhiên và các sản phẩm của chúng như lipolysaccharis và β - glucans để kích thích các tế bào trung gian của hệ thống miễn dịch ở các loài khác nhau. Khi đưa các sản phẩm vào cơ thể bằng đường miệng 14