Tài liệu 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

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................1  LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................2  MỤC LỤC ......................................................................................................................3  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................7  DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH....................................................................................9  DANH MỤC CÁC BẢNG...........................................................................................11  MỞ ĐẦU .......................................................................................................................12  1.  Đặt vấn đề .................................................................................................................... 12  2.  Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 14  3.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 14  3.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 14  3.2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 14  3.3 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 14  4.  Các đóng góp của luận án .......................................................................................... 15  5.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 15  Chương 1. TỔNG QUAN............................................................................................16  1.1  Tổng quan về cá Tra ................................................................................................... 16  1.1.1 Phân loại .................................................................................................................. 16  1.1.2 Đặc điểm hình thái .................................................................................................. 16  1.1.3 Đặc điểm phân bố .................................................................................................... 17  1.1.4 Đặc điểm sinh trưởng.............................................................................................. 17  1.1.5 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra ............................................................................... 17  1.1.5.1 Cân bằng dinh dưỡng trong ao nuôi ................................................................. 17  1.1.5.2 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra .......................................................................... 19  1.1.6. Các chế độ nuôi ...................................................................................................... 21  1.1.6.1 Quản lý thức ăn ................................................................................................. 21  1.1.6.2 Quản lý chất lượng nước ................................................................................... 21  1.1.6.3 Phòng trị bệnh ................................................................................................... 22  1.1.7 Thu hoạch cá Tra .................................................................................................... 22  1.2. Các vấn đề môi trường trong ao nuôi cá Tra ............................................................ 22  1.2.1 Các thông số thủy lý ................................................................................................ 22  1.2.1.1 Nhiệt độ.............................................................................................................. 22  1.2.1.2 Độ đục................................................................................................................ 23  1.2.1.3 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) .............................................................................. 23  1.2.1.4 Màu nước ........................................................................................................... 24  1.2.2 Các thông số thủy hóa trong ao nuôi ..................................................................... 24  1.2.2.1 pH ...................................................................................................................... 24  1.2.2.2 Oxy hòa tan ........................................................................................................ 25  1.2.2.3 Tổng nitơ amôn .................................................................................................. 26  1.2.2.4 Nitrit................................................................................................................... 26  1.2.2.5 Nitrat .................................................................................................................. 27  Trang | 3 1.2.2.6 Tổng đạm ........................................................................................................... 27  1.2.2.7 PO43- .................................................................................................................. 27  1.2.2.8 Tổng phốt pho .................................................................................................... 28  1.2.2.9 Hydro Sunfit (H2S) ............................................................................................. 28  1.2.3 Tính chất của bùn đáy ao nuôi cá Tra ................................................................... 28  1.2.3.1 pH bùn đáy......................................................................................................... 28  1.2.3.2 Độ dẫn điện ....................................................................................................... 28  1.2.3.3 Nồng độ chất hữu cơ.......................................................................................... 29  1.2.3.4 Tổng nitơ (TN) ................................................................................................... 29  1.2.3.5 Tổng phốt pho (TP)............................................................................................ 29  1.2.3.6 Kali (K) .............................................................................................................. 29  1.2.3.7 Biến động nồng độ Ca và Mg (mg/kg) ............................................................... 29  1.2.3.8 Nồng độ các nguyên tố vi lượng – kim loại nặng .............................................. 30  1.2.4 Tảo và các chất hữu cơ trong ao ............................................................................ 31  1.2.4.1 Chất hữu cơ ....................................................................................................... 31  1.2.4.2 Tảo ..................................................................................................................... 31  1.2.5 Các chu trình sinh học trong ao ............................................................................. 32  1.2.5.1 Chu trình nitơ .................................................................................................... 32  1.2.5.2 Chu trình phốt pho ............................................................................................. 34  1.2.5.3 Chu trình các bon .............................................................................................. 35  1.2.6 Các quá trình chuyển hóa trong bùn đáy ao.......................................................... 36  1.3 Enzyme trong thức ăn thủy sản ................................................................................... 37  1.3.1 Vai trò và tác dụng của enzyme phytase trong thức ăn thủy sản .......................... 37  1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng của enzyme phytase trong nuôi trồng thủy sản ......... 38  1.4. Mô hình và mô hình hóa.............................................................................................. 39  1.4.1. Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường .......................................................... 40  1.4.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường .................................. 41  1.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước ao, hồ ................................................. 42  1.4.3.1 Các tính chất đặc trưng của hồ ......................................................................... 42  1.4.3.2 Các quá trình chuyển đổi vật chất trong hồ ...................................................... 43  1.4.4 Các nghiên cứu về mô phỏng mô hình lưới thức ăn ............................................. 46  1.4.4.1 Giới thiệu chung mô hình lưới thức ăn.............................................................. 46  1.4.4.2 Tính toán, mô phỏng các mối quan hệ trong lưới thức ăn trong ao nuôi cá ..... 51  1.4.5 Một số mô hình được nghiên cứu trên thế giới ..................................................... 57  1.4.5.1 Mô hình PCLake nghiên cứu về hiện tượng phú dưỡng trong hồ nông ............ 57  1.4.5.2 Nghiên cứu về mô hình hóa chu trình photpho gây phú dưỡng hồ Loosdrecht 60  1.4.5.3 Nghiên cứu mô hình động lực dinh dưỡng trong ao nuôi cá bán thâm canh .... 62  1.4.5.4 Nghiên cứu mô hình phú dưỡng hồ Washington ............................................... 63  1.4.5.5 Mô phỏng các chất dinh dưỡng và động học của thực vật phù du trong hồ Bắc Mỹ .................................................................................................................................. 66  1.4.5.6 Các nghiên cứu về xây dựng mô hình mô phỏng trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam ........................................................................................................................ 67  CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM ...........................70  Trang | 4 2.1 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 70  2.2 Thí nghiệm, thu mẫu và phân tích các thông số môi trường ao nuôi ...................... 71  2.2.1. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................... 71  2.2.2 Phương pháp thu mẫu và phân tích ....................................................................... 72  2.2.2.1 Đánh giá hiệu quả sử dụng thức ăn................................................................... 72  2.2.2.2 Phương pháp thu mẫu và phân tích ................................................................... 73  2.3 Thiết lập mô hình .......................................................................................................... 75  2.3.1 Cơ sở thiết lập các phương trình ............................................................................ 75  2.3.1.1 Mô hình các quá trình sinh học trong đầm hồ và đầm hồ nuôi cá Tra ............. 75  2.3.1.2. Mô hình hóa sự phát triển của cá Tra .............................................................. 75  2.3.2 Mô hình khái niệm ao nuôi cá Tra......................................................................... 76  2.3.2.1 Các giả thiết của mô hình .................................................................................. 76  2.3.2.2 Mô hình khái niệm ............................................................................................. 77  2.3.2.3 Ma trận tác động tương hỗ ................................................................................ 78  2.3.2.4 Cơ sở thiết lập mối quan hệ toán học giữa các cấu tử và các quá trình sinh học xảy ra trong ao nuôi ...................................................................................................... 80  2.3.3 Xây dựng các phương trình toán học..................................................................... 81  2.3.3.1 Phương trình sự phát triển của cá trong hồ nuôi cá Tra .................................. 81  2.3.3.2 Các phương trình tính toán các thông số môi trường ....................................... 86  2.3.4 Giải hệ phương trình vi phân ................................................................................. 95  2.3.5 Giải bằng phương pháp số trên cơ sở ngôn ngữ máy tính .................................... 95  2.4. Phương pháp phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình ......................................... 98  2.4.1 Phân tích độ nhạy ................................................................................................... 98  2.4.2 Hiệu chỉnh ............................................................................................................... 99  Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................100  3.1. Ảnh hưởng của enzyme phytase đến môi trường trong ao nuôi............................ 100  3.1.1 Biến động nhiệt độ, pH, DO giữa đối chứng và thí nghiệm................................ 100  3.1.2 Biến động của BOD và COD ................................................................................ 101  3.1.3 Biến động của TSS ................................................................................................ 102  3.1.4 Biến động của TAN, NH3 và NH4+ ....................................................................... 102  3.1.5 Biến động N-NO2-, N-NO3- ................................................................................... 104  3.1.6 Biến động P-PO43- và TP ....................................................................................... 105  3.1.7 Biến động TN, TP bùn đáy ao .............................................................................. 106  3.1.8 Đánh giá ảnh hưởng của bổ sung enzym phytase lên hiệu quả sử dụng thức ăn và môi trường ao nuôi cá Tra ............................................................................................. 107  3.1.8.1 Đánh giá tốc độ tăng trưởng, tỉ lệ sống và hiệu quả sử dụng thức ăn của cá Tra ở thí nghiệm ................................................................................................................. 107  3.1.8.2 Hiệu quả của bổ sung enzyme phytase lên môi trường ................................... 108  3.2. Số liệu chạy mô hình .................................................................................................. 108  3.3. Kết quả phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình ................................................. 109  3.3.1 Phân tích độ nhạy ................................................................................................. 109  3.3.2 Hiệu chỉnh ............................................................................................................. 111  3.4. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du trong ao cá ....................... 112  Trang | 5 3.5. Mô phỏng quá trình phát triển và chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao ……………………………………………………………………………………….115  3.5.1 Quá trình phát triển của cá................................................................................... 115  3.5.1.1 Quá trình phát triển của cá tại ao nuôi thực địa ............................................. 115  3.5.1.2 Mô phỏng quá trình phát triển của cá trong ao nuôi ...................................... 116  3.5.2 Ôxy hòa tan............................................................................................................ 117  3.5.2.1 Biến động ôxy hòa tan trong ao nuôi thực địa ................................................ 117  3.5.2.2 Mô phỏng quá trình biến thiên của ôxy trong ao nuôi .................................... 119  3.5.3 Phốt pho ................................................................................................................. 120  3.5.4 Nitơ......................................................................................................................... 122  3.5.5 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước.......................................................... 124  3.5.5.1 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi thực địa ................ 124  3.5.5.2 Mô phỏng tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi cá Tra .. 126  3.5.6 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng ......................................................... 127  3.6.6.1 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng ao nuôi thực địa.......................... 127  3.6.6.2 Mô phỏng Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng trong ao nuôi thực địa ..................................................................................................................................... 129  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................134  Kết luận .............................................................................................................................. 134  Kiến nghị ............................................................................................................................ 135  TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................136  DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................146  PHỤ LỤC ...................................................................................................................147  Phụ lục 1. SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG AO NUÔI CÁ TRA Ở VIỆT NAM .................. 147  Phụ lục 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM AO NUÔI THỰC ĐỊA ................... 151  Phụ lục 3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIAO DIỆN KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH ........... 152  Phụ lục 4. BẢNG GIÁ TRỊ THAM SỐ VÀ CODE SỐ ................................................. 153  Trang | 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASEAN BOD BTNMT C COD COP CT ĐBSCL ĐBSH DM DO DOC DON DOP DVPD DWG EC ET EU FCR FIXN FOX FQ GAP HUFA IN IP MSE N NPU NTU O OC OSS P P:E PER PHR POC PON QCVN RMSE SDA SEDP SOD Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á Nhu cầu ôxy sinh hóa Bộ Tài nguyên và Môi trường Các bon Nhu cầu ôxy hóa học Thông số của độ dốc đường cong oxy Nghiệm thức đối chứng (Control Treatment) Đồng bằng sông Cửu Long Đồng bằng sông Hồng Vật chất khô (Dry Matter) Ôxy hòa tan Các bon hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Carbon) Nitơ hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Nitrogen) Phốt pho hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Phosphorous) Động vật phù du Tốc độ tăng trưởng tuyệt đối (Daily Weight Gain) Độ dẫn điện Nghiệm thức thí nghiệm (Experiment Treatment) Liên minh Châu Âu (European Union) Hệ số chuyển đổi thức ăn (Food Convertion Rate) Tỉ lệ Nitơ cố định do thực vật phù du Hàm số của tỉ lệ chết các vi sinh vật Chất lượng thức ăn (Food Quality) Thực hành nuôi trồng thủy sản tốt (Good Aquaculture Practises) Axit béo không bão hòa (Highly unsaturated fatty acids) Ni tơ vô cơ Phốt pho vô cơ Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) Ni tơ Hệ số sử dụng Prôtein (Net Protein Utilization) Đơn vị đo độ đục khuyếch tán (Nephelometric Turbidity Units) Ôxy Các bon hữu cơ (Organic Carbon) Vật chất hữu cơ lơ lửng (Organic Suspended Solid) Phốt pho Tỉ lệ chuyển đổi protein thành năng lượng (Ratio of dietary protein to energy) Hiệu quả sử dụng protein (Protein Efficiency Ratio) Tỉ lệ tích lũy phốt pho Các bon hữu cơ dạng hạt (Particulate Organic Carbon) Ni tơ hữu cơ dạng hạt (Particulate Organic Nitrogen) Quy chuẩn Việt Nam Sai số trung bình bình phương gốc (Root Mean Square Error) Tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn (Specific Dynamic Action) Tỉ lệ lắng chìm tối đa của phốt pho (Sedimentation parameter of phosphorus) Tổng nhu cầu ôxy (Sum of potential oxygen-demanding processes) Trang | 7 SS TAN TCVN TDS TN TP TSS TVPD UIA VASEP Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) Tổng đạm amôn Tiêu chuẩn Việt Nam Tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solid) Tổng nitơ (Total Nitrogen) Tổng phốt pho (Total Photphorous) Tổng chất rắn lơ lửng Thực vật phù du Amoni dạng liên kết (chưa ion hóa) (Unionized Ammonia) Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam Trang | 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) ................................................................. 16  Hình 1.2. Chu trình Nitơ trong ao nuôi cá ................................................................................ 33  Hình 1.3. Chu trình phốt pho trong ao nuôi cá ......................................................................... 34  Hình 1.4. Chu trình các bon trong ao nuôi ............................................................................... 36  Hình 1.5. Trao đổi cation giữa các phần tử đất và nước........................................................... 36  Hình 1.6. Mối liên hệ giữa môi trường, sinh thái, quản lý và công nghệ môi trường. ............. 41  Hình 1.7. Chu trình nitơ trong nước ......................................................................................... 44  Hình 1.8. Chu trình phốt pho trong nước ................................................................................. 44  Hình 1.9. Chu trình của thực vật phù du trong nước ................................................................ 45  Hình 1.10. Chu trình của động vật phù du trong nước ............................................................. 45  Hình 1.11. Sơ đồ chuỗi thức ăn hồ Ontario .............................................................................. 47  Hình 1.12. Kết quả mô phỏng chuỗi thức ăn từ quá trình phân tích số liệu ............................. 48  Hình 1.13. Sơ đồ mô hình cấu trúc dinh dưỡng động vật thủy sinh ......................................... 49  Hình 1.14. Mô hình dinh dưỡng hồ sinh thái Kelavarapalli. .................................................... 51  Hình 1.15. Mô hình khái niệm mối tương quan các chất dinh dưỡng trong ao nuôi................ 52  Hình 1.16. Chu trình vật chất trong ao cá................................................................................. 53  Hình 1.17. Cung cấp và thiêu thụ ôxy trong ao cá ................................................................... 54  Hình 1.18. Cấu trúc mô hình PCLake. ..................................................................................... 58  Hình 1.19. Tổng quan về đầu vào và đầu ra của PCLake......................................................... 59  Hình 1.20. Chu trình cacbon (a) và Chu trình Photpho (b). ..................................................... 61  Hình 1.21. Sơ đồ cấu trúc hồ, bao gồm của hai phần không gian (epilimnion và hypolimnion). .................................................................................................................................................. 64  Hình 1.22. (a-d) Mô hình các chu trình dinh dưỡng trong hồ Washington .............................. 65  Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu ....................................................................................... 70  Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm, thu mẫu phân tích môi trường ........................................... 71  Hình 2.3. Mô hình cấu trúc diễn ra trong ao nuôi cá Tra ......................................................... 75  Hình 2.4. Các quá trình sinh học diễn ra trong ao nuôi cá Tra ................................................. 76  Hình 2.5. Mô hình khái niệm các quá trình sinh hóa xảy ra trong ao nuôi cá Tra ................... 78  Hình 2.5. Giao diện Matlab ...................................................................................................... 96  Hình 2.6. Sơ đồ khối thuật toán Runge Kutta bậc 4 giải hệ phương trình vi phân .................. 97  Hình 3.1. Biến động DO trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ............................. 100  Hình 3.2. Biến động COD trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 101  Hình 3.3. Giá trị BOD trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................................. 102  Hình 3.4. Hàm lượng của TSS trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau .................... 102  Hình 3.5. Dao động của TAN trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ..................... 103  Hình 3.6a. Giá trị của NH3 trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau .......................... 103  Hình 3.6b. Hàm lượng của NH4+ trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................ 103  Hình 3.7. Giá trị N-NO2- trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ............................. 104  Hình 3.8. Biến động N-NO3- trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ....................... 104  Hình 3.9. Dao động PO43- trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 105  Hình 3.10. Giá trị TP trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................................... 106  Hình 3.11. Biến động TP trong bùn ao cá Tra ở các thời gian khác nhau.............................. 106  Trang | 9 Hình 3.12. Hàm lượng TN trong bùn ao cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 107  Hình 3.13. Biểu đồ thể hiện sai số cục bộ của các tham số đối với các biến dinh dưỡng trong ao nuôi. ................................................................................................................................... 110  Hình 3.14. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du ở 28oC trong ao cá. ........... 113  Hình 3.15. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du ở 30oC trong ao cá. ........... 114  Hình 3.16. Tổng số lượng cá phát triển theo thời gian trong ao nuôi..................................... 115  Hình 3.17. Khối lượng cá phát triển theo thời gian trong ao nuôi.......................................... 115  Hình 3.18. Đồ thị mô phỏng sự phát triển của cá tại các thời gian khác nhau ....................... 117  Hình 3.19. Biến thiên nồng độ DO trong ao nuôi qua thời gian ............................................ 118  Hình 3.20. Đồ thị kết quả mô phỏng biến thiên của DO trong ao nuôi cá tại các thời gian khác nhau ........................................................................................................................................ 119  Hình 3.21. Đồ thị hiệu chỉnh PO43- trong ao nuôi cá theo thời gian....................................... 120  Hình 3.22. Đồ thị hiệu chỉnh TP trong ao nuôi cá theo thời gian........................................... 121  Hình 3.23. Đồ thị hiệu chỉnh NO3- trong ao nuôi cá theo thời gian ....................................... 122  Hình 3.24. Đồ thị hiệu chỉnh NH4+ trong ao nuôi cá theo thời gian ....................................... 123  Hình 3.25. Đồ thị hiệu chỉnh TN trong ao nuôi cá theo thời gian .......................................... 123  Hình 3.26. Đồ thị biểu thị giá trị tổng N trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ...... 125  Hình 3.27. Đồ thị biểu thị giá trị tổng P trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ....... 126  Hình 3.28. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá .................................................................................................................................... 127  Hình 3.29. Đồ thị thể hiện tổng N (TN) trong bùn lắng ......................................................... 128  Hình 3.30. Đồ thị thể hiện tổng P (TP) trong bùn lắng .......................................................... 129  Hình 3.31. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong bùn lắng ...................................... 130  Trang | 10 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Nhu cầu chất đạm của một số loài cá da trơn .......................................................... 20  Bảng 1.2. Nhu cầu protein tiêu hóa và tỉ lệ P/E cho cá Tra ở các kích cỡ khác nhau .............. 20  Bảng 1.3. Nồng độ các nguyên tố vi lượng, kim loại nặng trong bùn đáy ao nuôi cá Tra ....... 30  Bảng 1.4. Phân loại mô hình hồ ............................................................................................... 43  Bảng 2.1. Thành phần dinh dưỡng của thức ăn 28% và 22% đạm ........................................... 71  Bảng 2.2. Phương pháp phân tích các thông số môi trường ao nuôi cá Tra ............................. 74  Bảng 2.3. Ma trận tác động tương hỗ giữa tảo, cá với các chất dinh dưỡng có trong nước hồ 78  Bảng 2.4. Ma trận tương hỗ giữa các chất dinh dưỡng đối với cá ........................................... 79  Bảng 2.5. Ma trận liên đới của hệ phương trình toán. .............................................................. 86  Bảng 2.6. Các phương trình mô phỏng..................................................................................... 98  Bảng 2.7. Tham số sử dụng trong mô hình .............................................................................. 98  Bảng 3.1. Số liệu môi trường nước ban đầu tại thời điểm t=0 của mô hình .......................... 108  Bảng 3.2. Kết quả các tham số mô hình có độ nhạy lớn nhất. ............................................... 109  Bảng 3.3. Kết quả các tham số mô hình có độ nhạy bé nhất. ................................................. 110  Bảng 3.4. Bản giá trị các tham số mô hình có độ nhạy lớn nhất sau hiệu chỉnh .................... 111  Bảng 3.5. Số lượng cá theo thời gian trong ao nuôi (con) ...................................................... 116  Bảng 3.6. Khối lượng cá theo thời gian trong ao nuôi (kg) .................................................... 116  Bảng 3.7. Số liệu kết quả mô hình mô phỏng số lượng cá trong ao nuôi (con) ..................... 117  Bảng 3.8. Kết quả hiệu chỉnh nồng độ DO trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ........ 119  Bảng 3.9. Kết quả hiệu chỉnh giá trị PO43- trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ........ 121  Bảng 3.10. Kết quả hiệu chỉnh giá trị TP trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau .......... 121  Bảng 3.11. Kết quả hiệu chỉnh giá trị NO3- trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ....... 122  Bảng 3.12. Kết quả hiệu chỉnh giá trị NH4+ trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ...... 123  Bảng 3.13. Kết quả hiệu chỉnh giá trị TN trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau .......... 124  Bảng 3.14. Nồng độ tổng ni tơ trong cột nước (mg/L) ........................................................... 125  Bảng 3.15. Nồng độ tổng phốt pho trong cột nước (mg/L) .................................................... 125  Bảng 3.16. Kết quả mô phỏng TN và TP trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ..... 126  Bảng 3.17. Hàm lượng Ni tơ trong bùn lắng (mg/L) .............................................................. 128  Bảng 3.18. Hàm lượng Phốt pho trong bùn lắng (mg/L)........................................................ 128  Bảng 3.19. Kết quả mô phỏng TN và TP trong bùn lắng ....................................................... 129  Trang | 11 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) là loài cá nước ngọt phân bố ở sông Cửu Long, sông Chaopraya và có thể các lưu vực Mekong ở Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam, cùng với các lưu vực sông Ayeyawady (My-an-ma), trong phạm vi 19 °N đến 8 °N, có nhiều tên tiếng Anh phổ biến bao gồm Cá Tra, cá da trơn, và cá da trơn sọc. Nó được gọi là 'Pa sooai' và 'Pa sooai khaeo tại Lào, Pla Sawai tại Thái Lan, Pra' và 'Trey pra Khmer và tiếng Việt là cá Tra. Cá Tra giai đoạn con giống có hai sọc màu đen hai bên cơ quan đường bên. Chúng có màu trắng sáng óng ánh. Tuy nhiên cá trưởng thành không có sọc hai bên, thân có màu xám nhạt, lưng màu xám đen, bụng hơi bạc, vây lưng và vây bụng xám đen, cuối vây đuôi hơi đỏ, thân dài, dẹp ngang, đầu nhỏ vừa phải, mắt tương đối to, có 2 đôi râu dài. Vây lưng và vây ngực có gai cứng, mang răng cưa mặt sau. Ở Campuchia, tỷ lệ cá Tra thả nuôi chiếm 98 % trong 3 loài thuộc họ cá Tra, chỉ có 2 % là cá ba sa và cá vồ đém, sản lượng cá Tra nuôi chiếm một nửa tổng sản lượng các loài cá nuôi. Một số nước trong khu vực như Thái Lan, Malaysia, Indonesia đã nuôi cá Tra với các mô hình chuyên canh, nuôi ghép và kết hợp có hiệu quả từ những thập niên 70 – 80. Nghiên cứu đặc điểm sinh học của cá Tra cho thấy đây là loài có nhiều ưu điểm mà những loài cá khác không có được như: phổ dinh dưỡng rộng, tăng trưởng nhanh, đặc biệt là khả năng thích nghi của cá Tra rất tốt với điều kiện môi trường nuôi khắc nghiệt như: cá có khả năng chịu đựng được với điều kiện pH nước biến động, hàm lượng dưỡng khí trong ao nuôi thấp, hàm lượng ammonia, COD và H2S tăng cao và cuối cùng là năng suất cá thương phẩm thu được sau một chu kỳ nuôi thường đạt rất cao (250 – 300 tấn/ha)…đã góp phần quan trọng trong việc tăng nhanh sản lượng thu hoạch qua các năm sản xuất. Trong nhiều năm qua, nhờ những ưu ái mà thiên nhiên ban tặng, nghề nuôi cá Tra và cá ba sa (Pangasius bocourti) là những loài cá có giá trị xuất khẩu cao và là một trong những đối tượng nuôi trồng thủy sản đang được phát triển với tốc độ nhanh tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) bao gồm An Giang, Đồng Tháp, Tiền Giang, Cần Thơ, Vĩnh Long, Bến Tre, Hậu Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh, Kiên Giang với tổng diện tích canh tác 5.400 ha (2018) và dự kiến sẽ tăng lên tới 7.600 – 7.800 ha vào năm 2020. Các tỉnh Cần Thơ, An Giang và Đồng Tháp là những vùng nuôi lớn nhất ở ĐBSCL chiếm hơn 75% tổng sản lượng cá Tra của cả nước. Theo Bộ NN và PTNT năm 2019, tổng diện tích nuôi cá Tra ở ĐBSCL ước đạt 6.600 ha tăng 22,2% so với năm 2018 sản lượng đạt 1,42 triệu tấn (Báo cáo kết quả sản xuất thủy sản năm 2019 – Bộ NNPTNT). Theo Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019, Việt Nam xuất khẩu cá Tra sang 131 thị trường trong đó có 8 thị trường chính gồm: Trung Quốc – Hồng Kông, Mỹ, EU, ASEAN, Mexico, Brazil, Colombia và Nhật Bản đạt 1,61 tỷ USD [1]. Có thể thấy được ngành sản xuất và chế biến xuất khẩu cá Tra có tầm quan trọng rất lớn đối với sự phát triển của đất nước: Vùng đồng bằng sông Mekong chiếm 12% tổng diện tích và chiếm khoảng 80% lượng sản xuất thủy sản của cả nước. Trong số 17,4 triệu người sống ở vùng châu thổ sông Mekong, có đến 10,3 triệu người đang ở độ tuổi lao động. Theo thống kê từ năm 2003, có 553.900 người làm việc trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản sơ cấp và 1,3 triệu người còn lại làm trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản thứ Trang | 12 cấp. Tuy nhiên vào năm 2008, tổng nguồn nhân lực trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản đã mở rộng lên tới 3,5 triệu người. Sự mở rộng nhanh chóng nguồn nhân lưc này nghĩa là ngày càng cần có nhiều người để làm các công việc cả sơ cấp và thứ cấp. Sự phát triển nhanh chóng này lại dấy lên mối quan tâm từ người tiêu dùng, nhà sản xuất, các tổ chức phi chính phủ, các cơ quan nhà nước về các ảnh hưởng tiêu cực về mặt môi trường và xã hội như ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi chất thải, thức ăn dư thừa, cá chết và hóa chất của các trang trại nuôi và các cơ sở chế biến cá Tra [2]. Với lượng chất thải lớn và nồng độ các chất ô nhiễm khá cao, chất thải từ ao nuôi cá Tra đã và đang ảnh hưởng tới không chỉ với môi trường xung quanh mà còn đối với ngành thủy sản (sức khỏe của cá, các vấn đề lâu dài về sản lượng). Lượng nước thải ra khi sản xuất 1 tấn cá Tra thành phẩm là 4.023m3 nước, trong đó, lượng nước lấy từ sông chiếm 63%, từ kênh chính chiếm 19% và từ ruộng hay vườn là 11%. Trung bình phải sử dụng 450 - 480 tấn thức ăn để nuôi 300 tấn cá thành phẩm, tuy nhiên, chỉ khoảng 75% lượng thức ăn này được cá sử dụng, phần còn lại là thức ăn thừa, thối rữa lắng đọng xuống đáy ao (nuôi ao đất) hoặc các con sông [3]. Theo [4], với ao nuôi đạt năng suất 300 tấn/ha/vụ thì mỗi vụ nuôi sẽ thải ra môi trường khoảng 2.677 tấn bùn ướt (tương đương 937 tấn bùn khô) và 77.930 m3 nước thải. Lượng chất thải này thải trực tiếp ra môi trường gây suy giảm chất lượng môi trường nước, ô nhiễm môi trường, phát sinh dịch bệnh, từ đó làm giảm tính bền vững của nghề nuôi cá Tra. Quá trình tích lũy và thải chất dinh dưỡng trong ao nuôi cá Tra cho thấy, khi cho cá ăn 100% lượng thức ăn công nghiệp thì lượng vật chất dinh dưỡng mà cá tích lũy được trong cơ thịt chỉ chiếm khoảng 37,5%, trong đó vật chất khô: nitơ, phốt pho tích lũy trong cá chiếm lần lượt là 32,6%; 42,7%; 29,8%. Trong khi vật chất khô thải ra môi trường chiếm đến 67,4% (5% trong nước, 45,63% trong bùn đáy và 16,74% mất đi do bay hơi hoặc thẩm thấu). Điều này đã dẫn đến sự tích lũy hàm lượng dinh dưỡng trong bùn tăng cao, hàm lượng hữu cơ chiếm khoảng 10,5 - 11,7% [4], TN (tổng đạm) chiếm khoảng 0,5% và TP (tổng lân) chiếm khoảng 0,22% [5]. Nuôi cá Tra là quá trình bao gồm đưa một một lượng lớn vật chất vào trong ao nhưng sau đó chỉ thu hoạch được một lượng nhỏ cá nuôi, phần còn lại là chất thải đưa vào môi trường nước. Việc nuôi cá Tra có thể dẫn đến ô nhiễm nước, nguyên nhân chính làm cho môi trường nước trên các sông rạch vùng nuôi cá Tra ngày càng xấu đi, chưa kể chất thải nuôi cá Tra đổ ra khiến dịch bệnh diễn biến phức tạp. Mức độ ô nhiễm của vùng nuôi cá Tra là khá lớn, đặc biệt là chất ô nhiễm dạng nitơ và phốt pho. Vì vậy, để nghề nuôi cá Tra bền vững, ngay bây giờ song song với quy hoạch phát triển nghề nuôi cần chú trọng vấn đề bảo vệ môi trường, trong đó quan trọng là tìm ra các giải pháp hợp lý, có tính thực tiễn cao để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu đầu vào và giảm thiểu các chất thải phát sinh trong nuôi cá Tra. Các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra như: các chất của C, N, P, O2, thực vật phù du (tảo lục, tảo lam và tảo cát), động vật phù du (copepods và cladocerans) cần được quan tâm nghiên cứu để có thể kiểm soát nhằm tối ưu hóa quá trình nuôi cũng như kiểm soát đầu vào đầu ra để nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu các tác động đến môi trường. Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để mô tả các quá trình diễn ra trong hồ là một giải pháp hữu hiệu nghiên cứu theo dõi diễn biến các thành phần trong hồ nuôi cá Tra, dự đoán các thay đổi của các quá trình với điều kiện môi trường khác nhau. Ở Việt Nam, hiện có rất ít các công trình nghiên cứu về phát triển mô hình số để mô Trang | 13 phỏng các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra. Đây là hướng nghiên cứu góp phần thực hiện mục tiêu phát triển bền vững thủy sản Việt Nam theo Quyết định số 339/QĐ-TTg ngày 11/3/2021 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển Thủy sản Việt Nam đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2045 với định hướng “Khuyến khích phát triển các mô hình nuôi trồng thủy sản áp dụng công nghệ mới, tiên tiến, giảm giá thành sản xuất, thân thiện môi trường, thích ứng với biến đổi khí hậu; các mô hình nuôi hữu cơ, nuôi sinh thái, áp dụng các tiêu chuẩn chứng nhận thực hành nuôi trồng thủy sản tốt (GAP) để nâng cao giá trị và phát triển bền vững”. Luận án “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” thực hiện tính toán, mô phỏng các quá trình chuyển hóa của các chất dinh dưỡng chủ yếu, một số quá trình sinh học góp phần xác định chế độ dinh dưỡng phù hợp trong ao nuôi giúp cắt giảm chi phí thức ăn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ao nuôi, đưa ngành thủy sản nói chung và cá Tra nói riêng phát triển nhanh và bền vững. 2. Mục đích nghiên cứu  Đánh giá được các đặc trưng chất lượng môi trường của ao nuôi; Có được bộ số liệu đánh giá về ảnh hưởng về việc bổ sung enzyme trong thức ăn và giảm phát thải phốt pho ra môi trường ao nuôi;  Xây dựng được mô hình số phục vụ tính toán, mô phỏng các quá trình chuyển hóa của các chất dinh dưỡng chủ yếu, một số quá trình sinh học và mối tương quan của các yếu tố tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra ở ĐBSCL (Việt Nam). Để đạt được điều đó, nghiên cứu này tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau: - Làm rõ các đặc tính thủy lý, thủy hóa của các thông số môi trường trong ao nuôi, mối quan hệ giữa thức ăn và chế độ nuôi; Xây dựng được mô hình toán để mô phỏng các quá trình sinh học diễn ra trong ao nuôi; 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Các chất dinh dưỡng và các thông số chất lượng nước trong ao nuôi cá Tra nước ngọt ở Đồng bằng sông Cửu Long. Các quá trình sinh học của môi trường ao nuôi cá Tra ở điều kiện Việt Nam; 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ở đây tập trung vào các đặc trưng dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra như: các chất của C, N, P, O2, thực vật phù du (tảo lục, tảo lam và tảo cát), động vật phù du (copepods và cladocerans), cá Tra, đây là các nhóm được coi là quan trọng nhất trong ao nuôi cá Tra. Nghiên cứu tập trung vào các quá trình sinh học diễn ra trong ao và sự phát triển của cá đối với các điều kiện ao nuôi, xem xét ảnh hưởng của ao nuôi đối với môi trường, sự phát sinh chất thải, dự đoán các tác động tới môi trường. 3.3 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các thông số đặc trưng chủ yếu của môi trường ao nuôi cá Tra ở điều kiện ĐBSCL (Việt Nam); Trang | 14 - Khảo sát quy trình bổ sung enzym phytase vào trong thức ăn nuôi cá Tra; Thiết lập mối quan hệ tương hỗ giữa các thông số môi trường trong ao nuôi cá Tra; Xây dựng thiết lập mô hình số mô phỏng các thông số môi trường N và P trong nước và bùn đáy ao, mô hình số mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du trong ao nuôi cá Tra. Các phương trình được giải số và được code số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, sau đó được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bằng các bộ số liệu đo thực tế. 4. Các đóng góp của luận án Tính mới của luận án:  Xác định được các thông số đặc trưng về môi trường nước ao nuôi: DO, PO43-, TP, NO3-, NH4+, TN.  Đã đưa ra tỷ lệ bổ sung enzym phytase phù hợp vào trong thức ăn là 0,01% theo trọng lượng khô; đã so sánh lượng hóa được ảnh hưởng của enzym đến việc làm giảm hàm lượng phốt pho thải ra nước trong ao nuôi.  Luận án đã phát triển được mô hình toán mô phỏng các quá trình sinh học trong ao nuôi cá Tra ở Việt Nam; mô hình đã được kiểm nghiệm hiệu chỉnh và cho độ chính xác cần thiết có thể sử dụng giúp tác nghiệp/hỗ trợ công tác quản lý vận hành các ao nuôi cá Tra. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - - Tính sáng tạo: Việc sử dụng mô hình toán để mô phỏng, qua đó điều chỉnh các chế độ dinh dưỡng cho ao nuôi cá giúp cắt giảm chi phí giá thành, thời gian nuôi và giảm thiểu ô nhiễm môi trường thể hiện tính sáng tạo của luận án. Tính khoa học: Nghiên cứu dựa trên quá trình thu thập, phân tích mẫu của ao nuôi thực tế và dựa trên nguyên lý quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chính N, P, C, O2 qua đó so sánh kết quả đo thực và số liệu của mô hình để hiệu chỉnh đưa ra được mô hình hoàn chỉnh. Vì vậy, kết quả nghiên cứu hoàn toàn đảm bảo tính khoa học. Giá trị thực tiễn: Mô hình mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong ao nuôi cá Tra ở Việt Nam rất quan trọng. Mô hình sẽ giúp các trang trại nuôi cá Tra quản lý tốt quá trình nuôi cá bằng cách kiểm soát tốt hơn các yếu tố đầu vào như: thức ăn, nước cấp, thay nước, nạo bùn, giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Trang | 15 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cá Tra 1.1.1 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. hypophthalmus (Sauvage 1878) Hình 1.1. 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]. 1.1.2 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 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 Trang | 16 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. 1.1.3 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]. 1.1.4 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). 1.1.5 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra 1.1.5.1 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. 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 Trang | 17 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 (CO2, 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 NH3, 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 28.480 tấn N và 14.251 tấn P. Tương tự, nếu ước tính dựa theo kết quả nghiên cứu của [10] thì lượng chất thải thải ra môi trường là 51.336 tấn N và 16.070 tấn P. 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 hợp lý và xây dựng các quy trình xử lý chất thải trước khi thải ra môi trường xung quanh. Trang | 18 1.1.5.2 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. Mô hình nuôi cá Tra thâm canh đã ghi nhận chi phí thức ăn chiếm tỉ lệ cao 76-80,8% khi sử dụng thức ăn công nghiệp [12]. Nhằm cải tiến hiệu quả nghề nuôi cá Tra bằng thức ăn viên, nhiều nghiên cứu về nhu cầu dinh dưỡng cũng như phát triển thức ăn cho cá Tra đã được thực hiện trong những năm gần đây. a. Đặc điểm dinh dưỡng Cá Tra là loài ăn tạp. Trong tự nhiên cá ăn được mùn bã hữu cơ, rễ cây thủy sinh, rau quả, tôm tép, cua, côn trùng, ốc và cá. Theo [13] cá Tra thu ngoài tự nhiên có thành phần thức ăn trong dạ dày chủ yếu là cá tạp, ốc và mùn bã hữu cơ. Khi bắt đầu ăn thức ăn ngoài, cá Tra ăn phiêu sinh động vật. Thức ăn ưa thích của cá là nhóm Cladocera; nhóm Rotifer cũng xuất hiện nhiều trong dạ dày nhưng do kích thước nhỏ nên vai trò dinh dưỡng của Rotifer không cao. Cá bột vớt trong tự nhiên thấy trong dạ dày của chúng có nhiều phần cơ thể và mắt cá con các loài khác và cá ăn nhau ngay trong đáy chứa cá bột vớt được. b. Nhu cầu dinh dưỡng của cá Tra Trong các loài cá da trơn được nuôi phổ biến, cá nheo Mỹ là đối tượng được nghiên cứu nhiều và đầy đủ nhất. Bên cạnh đó, một số loài cá da trơn khác phân bố rộng toàn cầu như cá trê phi cũng được quan tâm nghiên cứu. Ở khu vực Đông Nam Á, các giống cá trơn có giá trị kinh tế cao như Clarias, Mytus, Pangasius,… chưa được nghiên cứu đầy đủ về nhu cầu các chất dinh dưỡng và số loài được nghiên cứu còn ít. Đối với cá Tra các nghiên cứu chủ yếu là về nhu cầu đạm (protein), nhu cầu chất béo (lipid), chất bột đường (carbohydrate). Nhu cầu chất đạm (protein) Nhiệm vụ chính của chất đạm là xây dựng nên cấu trúc của cơ thể. Chất đạm trong thức ăn cung cấp các axit amin nhờ quá trình tiêu hóa và thủy phân. Trong ống tiêu hóa, các axit amin được hấp thu vào máu và đi đến các mô, cơ quan, tham gia vào quá trình sinh tổng hợp chất đạm của cơ thể. Vì vậy, nếu thức ăn không cung cấp đủ nhu cầu chất đạm dẫn đến cá chậm lớn, hoặc ngừng tăng trưởng, thậm chí có thể giảm khối lượng. Mặt khác nếu lượng chất đạm trong thức ăn vượt quá nhu cầu thì chỉ một phần được sử dụng để tạo chất đạm mới, phần còn lại sẽ được chuyển sang dạng năng lượng; trường hợp này sẽ làm tăng giá thành thức ăn không cần thiết. Nhu cầu chất đạm tối ưu của các loài cá da trơn dao động từ 25-55%, thường từ 30-35% trong thức ăn. Tuy nhiên, các kết quả này khác nhau giữa các loài cá, kích cỡ cá cũng như giữa các tác giả trên cùng một đối tượng nghiên cứu. Nhu cầu chất đạm của cá Tra chủ yếu được nghiên cứu ở giai đoạn cá giống. Nghiên cứu đầu tiên được thực hiện trên cá cỡ 0,2 g, mức chất đạm 25% được xác định là mức tối ưu cho sinh trưởng của cá Tra [14]. Trong khi đó cỡ cá giống lớn hơn 5-6 g thì nhu cầu chất đạm của cá là 32,2% [15]. Kết quả nghiên cứu của [16] với mức lipid là 12% thì nhu cầu chất đạm của cá Tra cỡ 3,54-3,85 g là 30%. Cá giống cỡ 2 g, với nguồn chất đạm từ bột cá và bột huyết (tỉ lệ 3/1), nhu cầu đạm cho sinh trưởng tối đa là 38%, mức chất đạm từ 29,5 đến 33% cho hiệu quả kinh tế [17]. Trang | 19 Bảng 1.1. Nhu cầu chất đạm của một số loài cá da trơn Loài cá Cá nheo Mỹ (Ictalurus punctatus) Khối lượng (g) 7 69 Protein tối ưu (%) 32-36 26-32 0,1 30 40 30-40 Casein + Arg, Met 10 2-8 14-22 2-3 5-6 3 2-3 5-6 16-17 75-81 2-3 6,5 29,6 40 35 35 32,2 30 35 27,8 36,7 34,9 48 37,9 Bột cá Cá trê trắng (Clarias batrachus) Cá trê phi (Clarias gariepinus) Cá Tra bần (Pangasius kynyit) Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) Cá basa (Pangasisu bocourti) Cá hú (Pangasius conchophilus) Nguồn chất đạm Chất đạm trứng gà Bột thịt, bột huyết, bột xương Bột cá + đậu nành Bột cá/bột đậu nành Bột cá Bột cá/bột đậu nành Bột cá Bộ cá/bột huyết (2:1) Bột cá/bột đậu nành Bột cá Nguồn: Trần Thị Thanh Hiền [17] Các kết quả nghiên cứu về nhu cầu chất đạm ở cá Tra khác nhau giữa các nguồn số liệu là do có yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu chất đạm của cá như điều kiện môi trường (nhiệt độ, oxy,…), thức ăn thí nghiệm (nguồn chất đạm, tỉ lệ chất đạm và năng lượng, thành phần axit amin, khả năng tiêu hóa chất đạm, tỉ lệ chất đạm và các nguồn năng lượng khác,…), mức độ cung cấp thức ăn, trạng thái sinh lý của cá, phương pháp áp dụng để tính nhu cầu chất đạm,… Bảng 1.2. Nhu cầu protein tiêu hóa và tỉ lệ P/E cho cá Tra ở các kích cỡ khác nhau Trọng lượng cá (g/cá) 10 50 100 500 1000 Tăng trưởng (g/ngày) 1,60 3,30 4,50 9,29 12,69 Năng lượng tiêu hóa (MJ/kg) - Chất đạm tiêu hóa (g/kg) - Chất đạm thô (g/kg) (*) 10 10 10 10 29,9 25,3 23,5 19,6 35,2 29,8 27,6 23,1 10 18,1 21,3 Năng lượng tiêu hóa (MJ/kg) - Chất đạm tiêu hóa (g/kg) - Chất đạm thô (g/kg) (*) Chất đạm tiêu hóa/Năng lượng tiêu hóa 14 14 14 14 41,9 35,4 32,8 27,5 49,3 41,6 38,6 32,4 29,9 25,3 23,5 19,6 14 25,4 29,9 18,1 Nguồn: Trần Thị Thanh Hiền [17] (*) Ước tính độ tiêu hóa chất đạm: 85% Trang | 20 So sánh nhu cầu chất đạm của cá Tra với một số loài cá da trơn cho thấy, nhu cầu chất đạm của cá Tra (32%) cao hơn cá ba sa (27,2%) cho cỡ cá 5-6 g. Nhu cầu chất đạm của cá Tra thấp hơn nhiều so với nhu cầu chất đạm của cá hú cùng kích cỡ (48% đạm) [17]. Nhu cầu chất đạm cho duy trì của cá Tra được xác định là 0,467 g protein/kg0,83/ngày và hiệu quả chất đạm tích lũy so từ chất đạm tiêu hóa ăn vào là 45,5%. Ngoài xác định hàm lượng chất đạm trong thức ăn, nhu cầu chất đạm tuyệt đối (lượng chất đạm cung cấp cho cá trong một ngày tùy theo giai đoạn phát triển của cá đã được xác định [18]. Nhu cầu chất béo Lipid là nguồn dinh dưỡng cung cấp năng lượng tốt nhất cho động vật thủy sản. Lipid có khả năng chi sẻ năng lượng với protein được chứng minh trên nhiều loài cá. Khi bổ sung lượng lipid thích hợp sẽ giảm nhu cầu protein. Lipid cung cấp năng lượng (8-9 kcal/g) và các axit béo cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của động vật thủy sản. Lipid trong thức ăn cũng đóng vai trò như là chất vận chuyển vitamin tan trong lipid. Ngoài ra trong thành phần của lipid có phospholipid và sterol ester tham gia vào quá trình sinh tổng hợp màng tế bào. Các loài cá da trơn có thể sử dụng mức lipid trong thức ăn khá lớn. Cá nheo Mỹ vẫn tăng trưởng tốt ở mức lipid 15% hoặc hơn. Nhưng nếu lipid trong thức ăn quá nhiều sẽ dẫn đến sự tích lũy mỡ trong thịt cá nhiều làm giảm chất lượng cá, hơn nữa, lượng chất béo nhiều còn ảnh hưởng đến độ bền chặt của viên thức ăn và khó bảo quản. Nghiên cứu nhu cầu lipid của cá Tra chưa nhiều. Trong nghiên cứu ứng dụng mô hình năng lượng sinh học của dự án ACIAR (2007) đề nghị mức lipid trong thức ăn của cá Tra từ 5-11% cho kích cỡ cá từ 10-1000 g [17]. 1.1.6. Các chế độ nuôi 1.1.6.1 Quản lý thức ăn Các nghiệm thức nuôi cá thương phẩm đều sử dụng cùng một loại thức ăn công nghiệp để nuôi cá Tra, có hàm lượng đạm giảm dần theo thời gian nuôi. Thông thường ở giai đoạn ban đầu sau khi thả giống, thức ăn công nghiệp có hàm lượng đạm 28 % sẽ được dùng cho hai tháng nuôi đầu, sau đó là 26 % đạm cho hai tháng tiếp theo và sau cùng sẽ là 22 – 24 % đạm cho các tháng nuôi cuối trong chu kỳ nuôi. Mỗi ngày cá sẽ được cho ăn từ 2 - 3 lần, với khẩu phần cá ăn dao động từ 1,5 – 5 %/khối lượng/ngày, tùy theo các giai đoạn phát triển, sức khỏe cá nuôi và điều kiện môi trường nước của ao nuôi. Mặt khác hộ nuôi cần phải theo dõi chặt chẽ các yếu tố môi trường nước và hoạt động ăn mồi của cá để thay đổi nước, đồng thời có giải pháp điều chỉnh lượng thức ăn cho mô hình thích hợp nhất. 1.1.6.2 Quản lý chất lượng nước Trong quá trình vận hành hệ thống nuôi, theo dõi mức độ ăn mồi của cá nuôi mỗi ngày nhằm phát hiện và điều chỉnh lượng thức ăn cung cấp cho cá nuôi đầy đủ nhất. Nhằm góp phần cải thiện chất lượng nước và sản phẩm cá Tra nuôi, sau 2 tháng thả giống, cần quan sát và thực hiện chế độ thay nước cho hệ thống ao nuôi mỗi ngày, ước lượng mỗi lần thay đổi từ 30 – 40 %/lần lượng nước trong ao nuôi. Đặc biệt ở các tháng nuôi cuối, hàm lượng oxy giảm cần được cung cấp liên tục thông qua việc thay nước liên tục, tăng cường sục khí, tạo dòng chảy cho ao nuôi. Trang | 21 Cũng trong nghiên cứu của [19] lượng nước sử dụng bao gồm cả nước thay trong quá trình nuôi khoảng 0,7 – 59,7 mega lít/tấn (trung bình 6,4). So sánh với nước trong nuôi tôm trong ao là 11 – 43 mega lít/tấn và cá hồi nuôi trong bể 252 mega lít/tấn thì có thể thấy nước cho nuôi cá Tra vẫn ít hơn. Như vậy lượng nước sử dụng trung bình để nuôi một tấn cá Tra khoảng 4.023 m3/tấn cá cao hơn 10% so với kết quả nghiên cứu của [20]. 1.1.6.3 Phòng trị bệnh Đối với cá Tra nuôi thâm canh, cá giống và trưởng thành thường bị nhiễm các loại bệnh phổ biến như (1) bệnh ký sinh (Parasites) do nhóm Ichthyonyctus và Trichodina, (2) bệnh đốm đỏ (Red spot disease) do các vi khuẩn như Aeromonas hydrophila, Aeromonas sobria và Aeromonas caviae gây ra và (3) bệnh gan thận mủ do vi khuẩn Edwardsiella ictaluri gây ra [21]. Những loại bệnh nầy khi xuất hiện, nếu không được kịp thời phát hiện sẽ làm cho tỉ lệ chết của cá ương và nuôi thương phẩm tăng cao. Trong nhiều giải pháp ứng dụng, hoạt động xử lý nước và dùng kháng sinh với liều lượng thích hợp cùng với việc bổ sung Vitamine C (60 – 100 mg/kg thức ăn) là giải pháp phổ biến nhằm trị liệu hiệu quả cho cá Tra ương nuôi. Tất nhiên, trong xu hướng phát triển bền vững mô hình, việc ứng dụng thật chuẩn mực các giải pháp công nghệ nuôi cá Tra thương phẩm là một trong những biện pháp kỹ thuật căn bản nhất có tác động hạn chế tối đa khả năng xuất hiện các loại bệnh ở cá Tra nuôi trong ao, góp phần nâng cao tỉ lệ sống và năng suất cá nuôi, xây dựng thành công mô hình nuôi cá Tra sạch, đảm bảo chất lượng cá cho xuất khẩu cùng sự khẳng định tính hiệu quả của mô hình nuôi. 1.1.7 Thu hoạch cá Tra Cá Tra thương phẩm sẽ được thu hoạch sau khoảng 6 tháng nuôi. Phương pháp thu hoạch là giảm mực nước ao, dùng lưới kéo và thu hoạch một lần. Trọng lượng cá Tra nuôi lúc thu hoạch có thể đạt dao động từ 0,9 – 1 kg/con. Trong quá trình vận hành mô hình nuôi thương phẩm, để cá nuôi tăng trưởng và phát triển tốt, bên cạnh các giải pháp quản lý hiệu quả thức ăn cung cấp, các hoạt động quản lý điều tiết nước cho mô hình nuôi phải được quản lý và thực hiện theo đúng chế độ định kỳ, phù hợp với các giai đoạn phát triển của cá nuôi trong ao, kết hợp với việc sử dụng hợp lý các chế phẩm vi sinh hữu ích, tăng cường khả năng cải thiện nền đáy ao nuôi, nhằm tiếp tục cải thiện hàm lượng hàm lượng DO (mg/L) do mật độ cá giống thả nuôi khá cao, hàm lượng vật chất hữu cơ tích lũy trong ao nuôi ngày càng nhiều, rất dễ dẫn đến hàm lượng DO trong ao giảm, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, làm giảm khả năng ăn mồi và sự hấp thu dinh dưỡng của cá, cá nuôi tăng trưởng chậm, sức đề kháng với môi trường nuôi giảm và hệ quả là giá trị FCR gia tăng, do vậy ở mỗi ao nuôi cá Tra thương phẩm sẽ được lắp thêm một hệ thống bơm phun và đẩy nước, có công suất thích hợp với điều kiện ao nuôi, nhằm tạo dòng chảy và cung cấp thêm hàm lượng oxy (> 3 mg/L) cho cá nuôi trong mô hình tăng trưởng tốt, cá khỏe, tăng sức đề kháng và ít bị nhiễm bệnh. 1.2. Các vấn đề môi trường trong ao nuôi cá Tra 1.2.1 Các thông số thủy lý 1.2.1.1 Nhiệt độ Nhiệt độ nước ao nuôi cá Tra thâm canh rất ít biến động do ao nuôi cá Tra rất sâu, độ sâu của ao nuôi trung bình là 4m, đặc biệt một số ao có độ sâu lên đến 6m. Hơn nữa cá Tra là loài cá có cơ quan hô hấp phụ, cho nên chúng thường xuyên nổi lên mặt nước để đớp khí, sự chuyển động liên lục của cá đã làm xáo trộn các tầng nước, giúp cân bằng Trang | 22