Tài liệu Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc từ vi khuẩn lactobacillus plantarum và bacillus subtilis

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH - MÔI TRƯỜNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH BIOFLOC TỪ VI KHUẨN LACTOBACILLUS PLANTARUM VÀ BACILLUS SUBTILIS VÕ LÝ NỮ THỊ PHI Đà Nẵng, năm 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH - MÔI TRƯỜNG ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH BIOFLOC TỪ VI KHUẨN LACTOBACILLUS PLANTARUM VÀ BACILLUS SUBTILIS Ngành : Công nghệ sinh học Khóa : 2018-2022 Sinh viên : Võ Lý Nữ Thị Phi Người hướng dẫn : TS. Phạm Thị Mỹ Đà Nẵng, năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các dữ liệu trình bày trong khóa luận với đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis” là trung thực được thực tại các phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học, khoa Sinh – Môi trường, trường Đại học Sư phạm – ĐHĐN. Ngoài ra trong bài báo cáo có sử dụng một số nguồn tài liệu tham khảo đã được trích dẫn rõ ràng và được phép công bố. Đây là kết quả nghiên cứu của tác giả và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác trước đây. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu vi phạm bất kì quy định nào về đạo đức khoa học. Võ Lý Nữ Thị Phi i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ cá nhân và tập thể trong suốt thời gian thực hiện. Đầu tiên tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn quý báu tới TS. Phạm Thị Mỹ và ThS. Lê Thị Mai đã tạo mọi điều kiện và luôn giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn BCN Khoa cùng toàn thể quý thầy cô giáo khoa Sinh – Môi trường, trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, xây dựng thành công khóa luận. Tôi xin cảm ơn tập thể lớp 18CNSH và các bạn sinh viên NCKH tại phòng công nghệ sinh học đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới ba, mẹ và gia đình tôi đã luôn lo lắng, chăm sóc và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 05 năm 2022 ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................viii TÓM TẮT ...................................................................................................................... ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................................. 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................................... 2 3.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 2 4. Nội dung đề tài............................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................................... 4 1.1. Giới thiệu về công nghệ biofloc ................................................................................ 4 1.1.1. Lịch sử của biofloc ................................................................................................. 4 1.2.1. Vai trò của công nghệ biofloc trong nuôi trồng thủy sản ......................................... 5 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc ....................................................... 7 2.1.1. Nguồn carbonhydrate ............................................................................................. 7 2.1.2. Độ mặn .................................................................................................................. 8 2.1.3. Mật độ vi sinh vật đầu vào...................................................................................... 9 1.2.4. Tỷ lệ C/N ............................................................................................................. 11 1.2.5. Nhiệt độ ............................................................................................................... 12 iii 1.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ..................................................................... 13 1.3.1. Oxy hòa tan .......................................................................................................... 13 1.3.2. Các loại nitơ (nitrite, amoniac và nitrate) .............................................................. 14 1.3.3. Phốt phát .............................................................................................................. 14 1.4. Giới thiệu về các chủng vi sinh vật probiotic trong biofloc ...................................... 15 1.4.1. Các chủng vi sinh vật được ứng dụng trong biofloc .............................................. 15 1.4.2. Giới thiệu về Lactobacillus plantarum ................................................................ 16 1.4.3. Giới thiệu về vi khuẩn Bacillus subtilis ................................................................ 17 1.5. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của các yếu tố đến sự hình thành biofloc .................................................................................................................. 18 1.5.1. Trên thế giới ......................................................................................................... 18 1.5.2. Ở Việt Nam .......................................................................................................... 20 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................... 23 2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................................. 23 2.2. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 23 2.2.1. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................. 23 2.2.2. Phương pháp phân lập vi khuẩn lactic và vi khuẩn Bacillus .................................. 24 2.2.3. Phương pháp định danh sơ bộ vi khuẩn bằng phép thử sinh hóa ........................... 24 2.2.4. Phương pháp định danh vi khuẩn lactic và vi khuẩn Bacillus................................ 25 2.2.5. Phương pháp xác định ảnh hưởng của nguồn cacbon, độ mặn và mật độ vi khuẩn đến khả năng hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis. ...................................................................................................................................... 26 2.2.6. Phương pháp xác định các chỉ tiêu đánh giá sự hình thành biofloc ....................... 27 2.2.7. Phương pháp đánh giá các thông số chất lượng nước............................................ 29 2.2.8. Phương pháp tính toán thống kê ........................................................................... 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 36 iv 3.1. Kết quả phân lập các chủng vi khuẩn lactic và vi khuẩn Bacillus ............................ 36 3.2. Xác định các đặc tính sinh lý, sinh hóa của các chủng vi khuẩn phân lập ............... 38 3.3. Khảo sát các đặc tính có lợi của các chủng vi khuẩn phân lập ................................. 39 3.4. Kết quả định danh chủng vi khuẩn tuyển chọn ........................................................ 40 3.5. Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự hình thành biofloc từ 2 chủng vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis ................................................... 41 3.5.1. Ảnh hưởng của các nguồn carbohydrate đến sự hình thành biofloc....................... 41 3.2.2. Ảnh hưởng của độ mặn đến sự hình thành biofloc từ 2 chủng vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis .................................................................. 44 3.5. Ảnh hưởng mật độ đầu vào của 2 chủng vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis đến sự hình thành biofloc................................................................. 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 49 1. Kết luận ..................................................................................................................... 49 2. Kiến nghị ................................................................................................................... 49 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BFT: Biofloc CB: Cám bắp CG: Cám gạo CL: Hàm lượng lipid thô CP: Hàm lượng protein thô Cs: Cộng sự DO: Hàm lượng hòa tan oxy FCR: Hệ số chuyển đổi thức ăn NT: Nghiệm thức TAN: Hàm lượng nitơ tổng TNHH DV VÀ TM: Trách nhiệm hữu hạn Dịch vụ và Thương mại TSS: Hàm lượng chất rắn lơ lửng VSS: Trọng lượng khô các hạt lơ lửng không hòa tan vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tiêu đề bảng Trang 2.1 Dựng đường chuẩn protein theo các thành phần sau. 28 2.2 Dựng đường chuẩn NO3- theo các thành phần sau. 29 3.1 Các đặc điểm hình thái của các chủng vi khuẩn phân lập được. 37 3.2 Đặc điểm sinh hóa của 5 chủng vi khuẩn phân lập. 38 3.3 Khả năng đối kháng Vibrio và khả năng sinh enzyme ngoại bào của các chủng vi khuẩn phân lập. 39 3.4 Ảnh hưởng các nguồn carbohydrate đến sự hình thành biofloc. 41 3.5 Ảnh hưởng của độ mặn đến sự hình thành biofloc từ 2 chủng vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis. 45 3.6 Ảnh hưởng của độ mặn đến NO2-, NO3-, NH4+ qua các ngày 46 3.7 Ảnh hưởng của mật độ đến sự hình thành biofloc 48 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 Tên hình Mô hình nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ biofloc. Một hạt biofloc từ hệ thống nuôi thuỷ sản ngoài trời. Đường kẻ có kích thước 100 microns. Vi kkhuẩn Lactobacillus plantarum dưới kính hiển vi. Vi khuẩnq Bacillus subtilis dưới kính hiển vi. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. Đồ thị đường chuẩn protein Các dung dịch chuẩn gốc NO3- và và mẫu trắng. Đồ thị đường chuẩn NO3-. Các dung dịch chuẩn gốc NO2- và mẫu trắng. Đồ thị đường chuẩn NO2-. Các dung dịch gốc NH4+ và mẫu trắng Đồ thị đường chuẩn NH4+. Hình thái khuẩn lạc và tế bào của các chủng vi khuẩn được phân lập từ mẫu nước, đất và mẫu ruột tôm. Vòng kháng khuẩn Vibrio sp. của chủng LT1, LT2 và vòng phân giải tinh bột, casein của chủng B3. Trang 5 Kết quả tìm kiếm trình tự tương đồng chủng vi khuẩn B3. Kết quả tìm kiếm trình tự tương đồng chủng vi khuẩn LT2. 40 6 17 18 23 29 30 30 32 32 34 34 36 40 41 3.5 Hạt biofloc hình thành và kích thước hạt biofloc quan sát dưới kính hiển vi với độ phóng đại 20 x ở các nguồn carbonhydrate. 42 3.6 Ảnh hưởng các nguồn carbohydrate đến NO2-, NO3-, NH4+ qua các ngày. 43 3.7 Hạt biofloc hình thành và kích thước hạt biofloc quan sát dưới kính hiển vi với độ phóng đại 20 x ở các nồng độ mặn khác nhau. 45 3.8 Hạt biofloc hình thành và kích thước hạt biofloc quan sát dưới kính hiển vi với độ phóng đại 20 x ở các mật độ vi khuẩn khác nhau. 47 viii TÓM TẮT Hệ thống biofloc gần đây đã thu hút được sự chú ý lớn như một công nghệ hiệu quả về chi phí, bền vững, thân thiện với môi trường và được kỳ vọng sẽ góp phần đảm bảo an ninh lương thực cho con người. Nghiên cứu này nhằm tuyển chọn Bacillus subtilis, Lactobacillus plantarum từ ao nuôi tôm của thôn Trường Đinh, xã Hòa Hiệp, thành phố Đà Nẵng và khảo sát nguồn carbohydrate, độ mặn, mật độ vi khuẩn Bacillus subtilis và Lactobacillus plantarum thích hợp cho sự phát triển và hình thành biofloc. Kết quả đã thu được 02 chủng vi khuẩn Bacillus subtilis và Lactobacillus plantarum có khả năng kháng với Vibrio sp. (đường kính kháng khuẩn 25 ± 2,12 mm). Trong đó, chủng Bacillus subtilis có hoa ̣t tính enzyme amylase, protease cao (27 ± 1,4 mm; 25 ± 0,6 mm). Đã xác định rỉ đường, độ mặn 5ppt và mật độ vi khuẩn L.plantarum 109 CFU/mL và B.subtilis 108 CFU/mL cho khả năng hình thành hạt biofloc cao nhất (220 ± 88,733 hạt/mL; 230 ± 88,9 hạt/mL; 226,7 ± 35,1 hạt/mL). Từ khoá: biofloc, kháng Vibrio sp., Lactobacillus plantarum, Bacillus subtilis, nuôi tôm. ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nuôi trồng thủy sản đang thống trị ngành sản xuất thực phẩm trên thế giới (FAO, 2019). Sản lượng nuôi trồng thủy sản toàn cầu tăng lên 4,9% so với năm 2016 và đạt 111,9 triệu tấn vào năm 2017. Tỷ trọng nuôi trồng thủy sản trong tổng sản lượng động vật thủy sản toàn cầu bao gồm cả đánh bắt và nuôi trồng đã tăng mạnh từ 25,7% năm 2000 lên 46,4% năm 2017, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm là 4,8% trong giai đoạn 2011 – 2017 (Kumar và cs, 2017). Việt Nam là một trong những nước có thế mạnh và tiềm năng phát triển ngành nghề nuôi trồng thủy sản (Tổng cục thủy sản 2012). Tuy nhiên, với phương thức nuôi trồng thủy sản truyền thống sẽ gây tiêu hao lớn nguồn tài nguyên nước và dễ mang mầm bệnh vào bên trong hệ thống dẫn đến suy giảm về nguồn lợi kinh tế. Hàm lượng NH4+, NO2-, NO3- phát sinh là chất độc đối với sự sinh trưởng và phát triển các loài thủy sản (Pathak và Pathak, 2012). Để giải quyết toàn diện các vấn đề trên, cần phát triển các hệ thống nuôi thâm canh, tái sử dụng nước, giải quyết cơ bản vấn đề chất thải từ thuỷ sản nuôi và nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn. Hệ thống biofloc gần đây đã thu hút được sự chú ý lớn như một công nghệ hiệu quả về chi phí, bền vững, thân thiện với môi trường và được kỳ vọng sẽ góp phần đảm bảo an ninh lương thực cho con người (Dawood và cs 2016). Công nghệ biofloc (viết tắt là BFT) dựa trên nguyên lý không hoặc ít thay nước, bổ sung nguồn carbonhydrate làm thức ăn cho vi sinh vật dị dưỡng với tỷ lệ phù hợp với lượng nitơ có sẵn trong nước tạo điều kiện cho chúng phát triển chiếm ưu thế trong khu vực nuôi. Vi sinh vật dị dưỡng sẽ chuyển hoá các hợp chất chứa nitơ trong nước thành protein sống trong sinh khối của chúng. Nhờ vậy mà nguồn nitơ trong chất thải của chúng được tái sử dụng, chuyển hoá thành sinh khối thức ăn tự nhiên cho cá nuôi nên hiệu quả sử dụng thức ăn được cải thiện. Trong công nghệ này, khái niệm floc dùng để chỉ tập hợp vật chất hữu lơ lửng trong nước bao gồm tảo, động vật nguyên sinh, vi sinh vật trong đó vi sinh vật dị dưỡng chiếm ưu thế. Tập hợp các biofloc là nguồn thức ăn tự nhiên giàu dinh dưỡng cho cá nuôi. Trong hệ thống nuôi theo BFT, tỷ lệ chuyển hoá nitơ trong thức ăn thành sinh khối cá đạt 45 – 50%, trong khi các hệ thống nuôi thông thường tỷ lệ này chỉ đạt từ 17,0 – 43 (Avnimelech, 2009). 1 Nhằm tăng cường khả năng hình thành và ngăn ngừa vi khuẩn gây hại trong biofloc thì việc bổ sung Probiotic vào hệ thống cũng vô cùng quan trọng. Verschuere và cs, (2000) báo cáo rằng vi khuẩn Bacillus sp. cải thiện các thông số chất lượng nước khi chúng được thêm vào hệ thống nuôi. Các nghiên cứu trước đây cũng đã chứng minh rằng sự hình thành bào tử Bacillus sp. tạo ra các peptide kháng khuẩn, cung cấp tác dụng kích thích miễn dịch cho vật nuôi (Barbosa và cs, 2005); (Senok, Ismaeel, và Botta, 2005) cũng đã báo cáo rằng vi khuẩn axit lactic như Lactobacilli và Bifidobacteria giúp giảm độ pH của đường tiêu hóa bằng cách chuyển hóa đường lactose thành axit lactic. Theo cách này, ngăn cản được sự xâm chiếm của nhiều vi khuẩn gây bệnh trong đường ruột của các loài thủy sản. Essa và cộng sự, (2010) đã quan sát thấy một số tác dụng đáng kể của các chế phẩm sinh học được bổ sung (L. plantarum, B. subtilis và Saccharomyces cerevisiae) về khả năng tăng trưởng của cá con cá rô phi sông Nile. Xuất phát từ những cơ sở trên, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis”. 2. Mục tiêu đề tài Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố như: nguồn carbon, độ mặn và mật độ của vi khuẩn đến khả năng hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học Cung cấp những dẫn liệu khoa học về việc khả năng hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis, góp phần làm phong phú hơn cơ sở dữ liệu về ứng dụng công nghệ biofloc trong nuôi trồng thủy sản. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu là cơ sở để chủ động tạo biofloc và ứng dụng công nghệ biofloc đáp ứng nhu cầu nuôi trồng thủy sản trên quy mô lớn, đồng thời tăng năng suất của vật nuôi từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis bằng công nghệ biofloc. 2 4. Nội dung đề tài - Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn Lactobacillus spp. và Bacillus spp từ mẫu đất, mẫu nước và mẫu ruột tôm ở thôn Trường Định, xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng. - Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố: nguồn cacbon, độ mặn và mật độ vi khuẩn đến khả năng hình thành biofloc từ vi khuẩn Lactobacillus plantarum và Bacillus subtilis. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về công nghệ biofloc 1.1.1. Lịch sử của biofloc Theo Emenrenciano M (2011), BFT được phát triển lần đầu tiên vào đầu tiên vào đầu những năm 1970 tại Ifremer-COP (Viện Nghiên cứu Khai thác Biển của Pháp, Trung tâm Đại dương Thái Bình Dương) với hệ thống nuôi gồm các loài khác nhau như Tôm sú (Penaeus monodon), Tôm he (Fenneropenaeus merguiensis), tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) và tôm thẻ xanh (L. stylirostris). Đồng thời, Ralston Purina đã phát triển một hệ thống dựa trên vi khuẩn nitrat hóa trong khi giữ tôm trong bóng tối hoàn toàn. Năm 1980, một chương trình khoa học của Pháp khởi xướng để hiểu rõ hơn về hệ thống này. Một số nghiên cứu đã cho phép một cách tiếp cận toàn diện về BFT và giải thích mối quan hệ qua lại giữa nước và vi khuẩn, cũng như sinh lý dinh dưỡng của tôm. Cũng trong những năm 1980 và đầu những năm 1990, Israel và Hoa Kỳ (Trung tâm Nuôi trồng thủy sản Waddell) bắt đầu thử nghiệm BFT với cá rô phi và tôm thẻ chân trắng (L. vannamei) góp phần hạn chế về nước, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí đất đai. Ngày nay, BFT đã được mở rộng thành công trong việc nuôi tôm quy mô lớn ở Châu Á, Latinh và Trung Mỹ, cũng như trong các nhà kính quy mô nhỏ ở Mỹ, Hàn Quốc, Brazil, Ý, Trung Quốc và các nước khác. Công nghệ biofloc (BFT) là quá trình tự nitrate hóa trong ao nuôi tôm không cần thay nước. Biofloc tập hợp một khối các chất hữu cơ lơ lửng trong nước như các loại tảo đơn bào, tảo đa bào, phân, thức ăn dư thừa, xác vi sinh vật, vi khuẩn và kể cả động vật không xương sống,… Mỗi hạt floc được gắn kết với nhau trong một ma trận lỏng lẻo với các chất nhờn được tiết ra từ vi khuẩn, chúng bị tác động bởi các vi sinh vật dạng sợi hoặc do lực hút tĩnh điện. Trong đó chiếm ưu thế hơn là các vi sinh vật dị dưỡng, chúng được gắn kết với nhau bằng polyhydroxy alkanoat tạo thành khối bông, xốp, màu vàng nâu. Biofloc có khả năng đồng hóa các loại chất thải hữu cơ chuyển thành sinh khối của vi khuẩn trong thời gian rất ngắn nhằm cải thiện môi trường nước mà không cần ánh sáng như các loại tảo. Hệ thống hỗ trợ tái chế các chất dinh dưỡng và do đó thân thiện với môi trường hơn. Hargreaves, (2006) cũng đã định nghĩa một cách toàn diện BFT là một hệ thống sinh trưởng sinh khối lơ lửng phụ thuộc vào hoạt động của động thực vật phù du, vi 4 khuẩn dạng sợi và dạng bông, sự phân hủy vi sinh và tập hợp các chất hữu cơ dạng hạt sống và chết để duy trì chất lượng nước. Do đó, BFT về bản chất là một kỹ thuật quản lý chất lượng nước để giảm thiểu sự trao đổi nước thông qua việc phân hủy vi sinh vật đối với chất thải độc nitơ (amoniac và nitrite) bằng cách chuyển đổi thành nitrate ít độc hơn hoặc chuyển thành sinh khối vi sinh vật. Điều này hầu như loại bỏ nhu cầu lắp đặt hoặc thiết bị chi phí cao và do đó hấp dẫn đối với cả nông dân có thu nhập cao và thu nhập thấp (Crab và cs, 2012). Công nghệ biofloc là kết quả của quá trình thử nghiệm và phát triển hệ thống ao nuôi được sục khí và khuấy đảo thường xuyên, không hoặc hạn chế thay nước. Vấn đề mấu chốt trong công nghệ biofloc là tạo điều kiện tối ưu để vi sinh vật dị dưỡng có lợi phát triển, hấp thụ amonium, tạo sinh khối làm thức ăn cho vật nuôi. Vi sinh vật dị dưỡng sử dụng cacbon hữu cơ được bổ sung và nguồn nitơ thải ra từ thức ăn để tổng hợp nên protein. Hình 1.1. Mô hình nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ biofloc. (https://guidefarming.in/2021/06/15/biofloc-fish-farming-guide-for-beginner.html) 1.2.1. Vai trò của công nghệ biofloc trong nuôi trồng thủy sản Công nghệ biofloc đáng tin cậy để sản xuất thủy sản thân thiện với môi trường, hiệu quả về chi phí Crab và cs, (2012). Đây là một kỹ thuật thích hợp để đối mặt với các vấn đề kinh tế, sinh thái và xã hội liên quan đến nuôi trồng thủy sản hiện nay. Biofloc cung cấp hai vai trò quan trọng là xử lý chất thải hữu cơ và là nguồn dinh dưỡng tốt cho tôm cá sử dụng. Hệ thống biofloc có thể vận hành với tỷ lệ trao đổi nước rất thấp (khoảng 5 0.5 - 1%/ngày). Trao đổi nước ít giúp cho sự phát triển và hoạt động của biofloc tốt hơn để tăng cường xử lý chất thải hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Trong hệ thống biofloc, thay nước để duy trì chất lượng nước trong ao nuôi được giảm tối thiểu, thay vào đó, việc xử lý chất thải được thự hiện ngay bên trong hệ thống nhờ vào vai trò của các vi sinh vật dị dưỡng. Lợi ích của biofloc là chuyển hóa chất dinh dưỡng từ chất thải hữu cơ. Cộng đồng vi sinh trên biofloc cũng bao gồm các động vật phù du và giun tròn. Biofloc trong hệ thống nước xanh thường có kích thước lớn, vào khoảng 50 – 200 micron, và rất dễ lắng xuống trong nước tĩnh. Hệ thống biofloc có thể vận hành với tỷ lệ trao đổi nước rất thấp (khoảng 0.5-1%/ngày). Trao đổi nước ít giúp cho sự phát triển và hoạt động của biofloc tốt hơn để tăng cường xử lý chất thải hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Trong hệ thống biofloc, thay nước để duy trì chất lượng nước trong ao nuôi được giảm tối thiểu, thay vào đó, việc xử lý chất thải được thự hiện ngay bên trong hệ thống nhờ vào vai trò của các vi sinh vật dị dưỡng. Những phát hiện trước đó đã được chứng minh rằng việc áp dụng công nghệ biofloc sẽ giải quyết được các vấn đề liên quan đến độc tính amoniac vì việc tăng tiêu thụ nitơ của vi khuẩn dị dưỡng làm tăng nhanh quá trình nitrate hóa, đảm bảo giảm nồng độ amoni trong hệ thống nuôi (Hargreaves, 2006). Nghiên cứu cũng chứng minh rằng tỷ lệ sản xuất vi khuẩn dị dưỡng để sử dụng amoni gấp 10 lần vi khuẩn dị dưỡng so với vi khuẩn nitrate hóa. Hình 1.2: Một hạt biofloc từ hệ thống nuôi thuỷ sản ngoài trời. Đường kẻ có kích thước 100 microns. (https://nongnghiepviet.com.vn/2016/11/nguyen-ly-va-ky-thuat-nuoi-tomca-theo-cong-nghe-biofloc/) 6 Chất lượng dinh dưỡng của biofloc rất tốt cho tôm cá nuôi. Hàm lượng protein khô trong biofloc chiếm khoảng 25 - 50%, phần lớn nằm trong khoảng 30 - 45%. Chất béo chiếm từ 0.5 - 15%, thông thường nằm trong khoảng 1 - 5%. Biofloc cũng có tác dụng giống như là chế phẩm sinh học (probiotic). Công nghệ này mang lại rất nhiều lợi ích từ việc ương giống đến tất cả các giai đoạn nuôi dưỡng vật nuôi bao gồm tăng tốc độ tăng trưởng và khả năng miễn dịch của vật nuôi, chất lượng nước, giảm chi phí thức ăn, giảm tiêu thụ nước (không thay nước), cung cấp đủ chất dinh dưỡng chất lượng và ít thiệt hại môi trường hơn đối với hệ thống nuôi cấy (Avnimelech, 1999); (Burford và cs, 2004); (Cuzon và cs, 2004); (Kuhn và cs, 2009); (Luo và cs, 2014). Trong nuôi trồng tôm thương phẩm, BFT cũng đã được chứng minh là có lợi về mặt dinh dưỡng được ước tính rằng hơn 29% lượng thức ăn hằng ngày của L.vannamei bao gồm các hạt biofloc, giảm FCR và giảm chi phí thức ăn. Trong nuôi thương phẩm, BFT cũng đã được chứng minh là có lợi về mặt dinh dưỡng được ước tính rằng hơn 29% lượng thức ăn hàng ngày của L. vannamei bao gồm các hạt biofloc, giảm FCR và giảm chi phí thức ăn. Nghiên cứu cho thấy rằng L. vannamei trưởng thành được nuôi bằng thức ăn viên 35% CP tăng trưởng tốt hơn đáng kể trong điều kiện biofloc so với điều kiện nước trong. RayA và cs, (2010) đã chỉ ra rằng việc kiểm soát nồng độ của các hạt trong hệ thống nuôi tôm siêu thâm canh có thể cải thiện đáng kể sản lượng và chất lượng nước của tôm. Ngoài ra, cùng các tác giả đã chứng minh rằng chế độ ăn dựa trên thực vật thân thiện với môi trường có thể tạo ra kết quả tương đương với thức ăn từ cá trong điều kiện BFT. Sinh khối floc có thể cung cấp nguồn dinh dưỡng tế bào hoàn chỉnh cũng như các hợp chất hoạt tính sinh học khác nhau ngay cả ở mật độ cao. 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc 2.1.1. Nguồn carbonhydrate Người ta cho rằng việc sử dụng cacbon cho công nghệ biofloc một cách kinh tế phụ thuộc vào các sản phẩm phụ công nghiệp sẵn có tại địa phương. Các báo cáo nói rằng các nguồn carbon rẻ nhất chẳng hạn như sản phẩm phụ từ thực vật (bột sắn, lúa mì, ngô, gạo, v.v.), mật đường và glycerol có thể được sử dụng trong nước ao để phát triển biofloc (Crab và cs, 2010). Mặc dù các nguồn carbon hoạt động như một chất nền cho sản xuất tế bào protein vi sinh vật, phương thức hoạt động khác nhau giữa các nguồn carbon khác nhau (Avnimelech 1999). Các nghiên cứu trước đây so sánh các nguồn carbon khác nhau 7 cho thấy việc sử dụng các nguồn này có thể ảnh hưởng đến thành phần sinh hóa của biofloc (Wei và cs, 2016); (Kumar và cs, 2017). (Wei và cs, 2016) người đã báo cáo rằng biofloc được nuôi trồng trên glucose hoặc glycerol bị chi phối bởi vi khuẩn proteobacteria và vi khuẩn dị dưỡng không giống như những loại vi khuẩn được nuôi trồng trên tinh bột. Vi khuẩn lam được tìm thấy rất nhiều trong biofloc dựa trên nguồn tinh bột, chúng giảm mạnh khi sử dụng nguồn glucose và hầu như không có trong hệ thống biofloc dựa trên nguồn glycerol. Hơn nữa, tinh bột được báo cáo là nguyên nhân gây ra sự phong phú cao nhất của tảo cụm trong khi tảo bị phân tán nhiều hơn khi sử dụng glucose hoặc glycerol. Cho nên nguồn carbon ảnh hưởng đến hình thái và hệ vi sinh vật của biofloc. Một số nhà nghiên cứu cũng đã báo cáo các biến thể trong thành phần dinh dưỡng của biofloc được nuôi trên các nguồn carbon khác nhau (Crab và cs, 2010); (Rajkumar và cs, 2016). Ví dụ, biofloc từ carbohydrate phức hợp (bột sắn hoặc bột mì) có hàm lượng protein và lipid thô cao hơn đáng kể so với từ mật mía, một loại carbohydrat đơn giản. Nghiên cứu trước đây đã xác định rằng cứ 1 gam carbohydrate thì sản lượng carbon là 0,4 gam (Megahed, 2010). Các báo cáo trước đó cũng nói rằng 20 gam carbohydrate sẽ cần thiết để cố định trên gam nitơ khoáng (Avnimelech, 1999). Nguồn carbon hữu cơ có lẽ là thông số được nghiên cứu nhiều nhất của BFT và một số nguồn carbon được sử dụng phổ biến nhất là glucose, mật đường, sucrose, glycerol, cám gạo và bột mì. Việc sử dụng các nguồn carbon khác nhau hoặc sự kết hợp của các nguồn carbon khác nhau ảnh hưởng đến thành phần của biofloc được sản xuất (Zhao và cs, 2016). 2.1.2. Độ mặn Độ mặn quyết định các loài cá có thể được nuôi trong một môi trường và có thể có ảnh hưởng đến sự phân bố của các cộng đồng vi sinh vật. Timmons và cộng sự, (2002) lưu ý rằng độ mặn là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng và quá trình nitrate hóa. Do đó, có thể có một số ảnh hưởng đến sự hình thành biofloc, chất lượng và hiệu quả của các sinh vật thủy sinh được nuôi trong BFT. Ekasari và cs, (2010) người đã thử nghiệm ảnh hưởng của hai nguồn carbon, glycerol và glucose ở độ mặn, 0 và 30 ppt đối với thành phần dinh dưỡng chính của biofloc không tìm thấy sự khác biệt đáng kể trong hàm lượng axit béo và thành phần gần giống của biofloc. 8 Quan sát được hỗ trợ bởi các nghiên cứu trước đây (Nielsen và cs, 2003) cho rằng độ mặn không ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi khuẩn. Chỉ ra rằng sự thay đổi độ mặn có thể dẫn đến sự phát triển của các loại vi khuẩn mới có thể chịu được độ mặn mới nhưng có cùng khả năng trao đổi chất. Ngược lại, (Ju và cs, 2008) đã quan sát thấy sự khác biệt trong thành phần dinh dưỡng của biofloc từ các hệ thống có độ mặn khác nhau. Ví dụ, biofloc thu thập từ hai hệ thống A và B với các thông số tương tự nhau ngoại trừ độ mặn có cả protein thô và lipid cao hơn ở nghiệm thức A với độ mặn 5 g/L so với nghiệm thức B có độ mặn 18 g/L. Sự khác biệt có thể là phản ánh sự khác biệt trong cộng đồng vi sinh vật của chúng, trong khi biofloc từ nghiệm thức A bị tảo chi phối, chế phẩm từ xử lý B bị vi khuẩn thống trị. Trong nghiên cứu toàn diện hơn liên quan đến nuôi trồng L. vannamei ở ba độ mặn khác nhau 4, 16 và 32 ppt (Maicá và cs, 2014). Mức độ mặn ảnh hưởng đáng kể đến sự kết tụ hạt và sự hình thành biofloc. Protein thô và lipid có xu hướng cao hơn ở độ mặn thấp hơn 4 g/L so với 16 và 32 g/L, mặc dù sự khác biệt không đáng kể. Hệ thống quan sát tương tự như của (Ju và cs, 2008) đã quan sát thấy protein và lipid thô cao hơn ở độ mặn thấp hơn. Hiện nay vẫn rất ít tài liệu nghiên cứu về khả năng kết dính hạt biofloc ở độ mặn khác nhau mặc dù hầu hết sinh vật mang điện tích âm và tạo ra lực đẩy tĩnh điện, khi độ mặn cao (lực ion cao) hoặc ion đa hóa trị chiếm ưu thế, việc bổ sung Ca2+ hoặc Al3+ tạo nên sự kết dính bền vững (De Schryver và cs, 2008). Do đó có thể khi ở độ mặn cao thì sự kết dính kém bền, dễ bị phá vỡ nên kích thước hạt biofloc ở độ mặn cao nhỏ hơn. Ngoài ra, ở độ mặn cao vi khuẩn phát triển chậm hơn ở độ mặn thấp (cùng thời điểm) dẫn đến kích thước cũng khác nhau. Cần có nhiều nghiên cứu hơn để tập trung vào ảnh hưởng của độ mặn đến sự hình thành biofloc, chất lượng và hiệu suất của các sinh vật thủy sinh được nuôi. Tuy nhiên, thông tin hiện có chỉ ra rằng việc điều chỉnh độ mặn trong BFT có thể nâng cao năng suất và hiệu suất biofloc của các sinh vật nuôi. Đặc biệt là các loài như L. vannamei có thể chịu được độ mặn rộng. 2.1.3. Mật độ vi sinh vật đầu vào Probiotic được định nghĩa là “vi sinh vật khi được sử dụng với lượng thích hợp, mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ” (Merrifield cs, 2010). Theo (Verschuere và cs, 2000) probiotic là tác nhân vi sinh vật sống có thể mang lại nhiều lợi thế khác nhau cho vật chủ bằng cách thay đổi cộng đồng vi khuẩn hoặc liên kết với vật chủ, nâng cao giá trị 9