Hệ thống nuôi tôm không thay nước ứng dụng chất mang sinh học bọt biển
Một trong những vấn đề chính trong các hệ thống nuôi tôm thẻ thâm canh là sự tích lũy nitơ vô cơ, đặc biệt là amoniac và nitrit, do quá trình ăn và bài tiết của tôm, có khả năng gây ra các tác động độc cấp tính và tác động tiêu cực đến môi trường.
Từ đó, cần thay nước thường xuyên để giảm nồng độ amoniac và nitrit độc hại, điều này làm tăng đáng kể nguy cơ bùng phát bệnh truyền nhiễm. Về mặt lý thuyết, cần tiêu thụ 20 m3 nước sạch cho mỗi kg tôm nuôi.
Do đó, lượng nước và năng lượng bị lãng phí bởi phương thức này là rất đáng kể. Ngoài ra, chất rắn lơ lửng (SSs) được tạo ra bởi quá trình nuôi đã gây ra các vấn đề về hiệu quả xử lý nước, chất lượng môi trường, phúc lợi động vật và sức khỏe cộng đồng.
Một số phương pháp kỹ thuật được sử dụng để giải quyết các vấn đề nêu trên đồng thời duy trì các hợp chất nitơ độc hại và chất rắn lơ lửng ở mức cho phép. Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) là một phương pháp loại bỏ nitơ hòa tan và chất rắn lơ lửng khỏi hệ thống nuôi trồng thủy sản mà không gây ra các vấn đề về môi trường.
Tuy nhiên, tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính là hai hạn chế nghiêm ngặt nhất mà RAS phải đối mặt; do đó, RAS đóng góp chưa đến 1% vào sản lượng nuôi trồng thủy sản toàn cầu, và tỷ trọng của Trung Quốc thấp hơn.
Ngoài ra, công nghệ Biofloc (BFT) được nhiều chuyên gia đánh giá là thân thiện với môi trường và bền vững. BFT không chỉ có thể cải thiện chất lượng nước mà còn cung cấp thêm thức ăn tự nhiên, tăng cường hoạt động của enzyme đường ruột và thúc đẩy hiệu suất tăng trưởng của tôm.
Tuy nhiên, trong một hệ thống BFT, cả amoniac và nitrit đều dễ dàng tích tụ đến mức độc hại do lượng thức ăn đầu vào cao, năng suất cao và sự phức tạp của cộng đồng vi sinh vật.
Việc bổ sung chất nền ngập nước trong các hệ thống nuôi thâm canh là một cách tiếp cận khác giúp duy trì chất lượng nước lý tưởng và cho phép tỷ lệ trao đổi nước thấp hoặc bằng không, hơn nữa, cải thiện đáng kể năng suất của tôm và giảm tỷ lệ chuyển đổi thức ăn.
Màng sinh học của chất nền có thể cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu như axit amin, axit béo không bão hòa đa, vitamin và steroid, giảm sản xuất chất rắn và tiêu thụ oxy và cải thiện phúc lợi động vật của tôm ác chất nền có thể được chọn làm chất mang màng sinh học bao gồm từ các vật liệu tự nhiên như xương san hô, xơ mướp và lát tre đến các cấu trúc nhân tạo như sợi tổng hợp, ống PVC, ceramsite và tấm polyetylen. Chất mang sinh học bọt biển (SBs) được coi là chất mang sinh học lý tưởng cho sự gắn kết và phát triển của vi sinh vật do trọng lượng nhẹ, độ ổn định thủy phân cao và diện tích bề mặt riêng lớn.
Đặc biệt, SBs có đặc tính hấp phụ vật lý mạnh, có thể loại bỏ chất rắn lơ lửng trong ao nuôi. Trong nghiên cứu của Zhiwen Song và cs (2023), SB với màng sinh học tiền nuôi cấy (SBBF) đã được sử dụng để xây dựng hệ thống trao đổi nước bằng không cho nuôi tôm thẻ.
Điều kiện nuôi và quản lý hệ thống nuôi tôm
Mười hai bể bạt với thể tích hiệu dụng là 2,0 m3 (L: 200 cm, W: 100 cm, H: 120 cm) được dùng trong thí nghiệm này. Các bể được đổ đầy nước biển tới 100 cm ở 15 psu. Hai hàng 16 viên đá sục khí được lắp đặt trong mỗi bể. Các SB (Banhor®, thông số kỹ thuật: 2 cm) được sử dụng làm chất nền nhân tạo.
Quá trình nuôi được tóm tắt như sau: Cứ 0,05 m3 SBs được đóng gói trong một túi lưới terylene (60 cm x 60 cm) với kích thước mắt lưới là 2 mm. Tổng cộng 1,0 m3 SBs (20 túi) được đặt trong bể chứa 2,0 m3 nước biển ở 18 đơn vị độ mặn thực tế (psu) có chứa 0,5 (v/v) chế phẩm vi khuẩn nitrat hóa, 0,1% (v/v) chất lỏng nguyên tố vi lượng và 0,01% (w/v) chiết xuất nấm men. Thành phần của dung dịch nguyên tố vi lượng được tham khảo bởi Wang et al. (2022).
Trong quá trình hình thành màng sinh học, tổng cộng 5000 g natri nitrit đã được thêm vào trong năm lần bổ sung (1000 g mỗi lần bổ sung). Khi nồng độ nitrit dưới 0,5 mg/L, natri nitrit lại được thêm vào.
Cuối cùng, 375 g amoni clorua đã được thêm vào để hoàn thành quá trình nuôi cấy màng sinh học SBs khi nồng độ amoni nhỏ hơn 0,5 mg/L. Trong suốt quá trình thí nghiệm, nhiệt độ và oxy hòa tan (DO) được duy trì ở mức tương ứng là 28 ± 1,0 °C và 4,5–6,0 mg/L. Các túi được ngâm trong bể trong suốt thời gian thử nghiệm (Hình 1).
Thiết kế thí nghiệm
Tôm (PL8) được mua từ một trại sản xuất giống. Sau 18 ngày ương, tôm thẻ chân trắng L. vannamei có chiều dài 1,6 ± 0,2 cm và khối lượng 0,1 ± 0,001 g được sử dụng trong thí nghiệm này. Mật độ tôm ban đầu là 800 con/m3.
Trong thí nghiệm này, bốn nghiệm thức với ba lần lặp lại mỗi nghiệm thức: (1) SBC—đối chứng, 5% (v/v) SBs không có màng sinh học tiền cấy và có sục khí trong túi lưới terylene; (2) SBBF2.5a—2,5% (v/v) SBBF và có sục khí trong túi lưới terylene; (3) SBBF5a—5% (v/v) SBBF và có sục khí trong túi lưới terylene; (4) SBBF5—5% (v/v) SBBF không sục khí trong túi lưới terylene.
Nhiệt độ nước, DO và pH được đo hàng ngày bằng máy phân tích đa thông số kỹ thuật số HQ30d (Hach Company, Loveland, USA. Độ chính xác: ±1%). Độ đục được đo bằng máy phân tích độ đục 2100Q (Hach Company, Loveland, USA. Độ chính xác: ±2%).
Sau khi lọc qua màng (0,45 μm) mẫu nước, nồng độ tổng nitơ amoniac (TAN) và nitơ nitrit được đo bằng phương pháp oxy hóa hypobromite (sai số tương đối: 0,4%) và phương pháp quang phổ N-(1-naphthyl)-ethylenediamine (độ lệch chuẩn tương đối: <2,8%), tương ứng, nitơ nitrat được đo bằng phương pháp đo quang phổ naphthylenediamine hydrochloride (sai số tương đối: 1,4%) và TP được đo bằng phương pháp đo quang phổ phản quang molypden-antimon (sai số tương đối: 1,8%).
Nhiệt độ nước, DO, pH, độ đục, TAN và nitơ nitrit được theo dõi hàng ngày. Nitrat nitơ và tổng phốt pho (TP) được đo hai ngày một lần. Trọng lượng cuối cùng trung bình, tỷ lệ sống, sinh khối cuối cùng, tỷ lệ chuyển đổi thức ăn biểu kiến (FCR) và tốc độ tăng trưởng cụ thể (SGR) của tôm được phân tích theo phương pháp tiêu chuẩn. Thời gian thí nghiệm là 66 ngày.
Kết quả về chất lượng nước
Bảng 1 thể hiện các thông số chất lượng nước trong thời gian thí nghiệm. Nhiệt độ, DO và pH được duy trì trong phạm vi an toàn được đề xuất cho sự sống và tăng trưởng của tôm thẻ chân trắng Thái Bình Dương.
Tôm thẻ chân trắng Thái Bình Dương là một loài euryhaline có thể thích nghi với nhiều độ mặn môi trường. Trước khi thí nghiệm, tôm được thích nghi với độ mặn cần thiết cho thí nghiệm này. Không có sự khác biệt đáng kể về giá trị trung bình của nhiệt độ, DO và độ mặn giữa các nghiệm thức khác nhau. Các giá trị pH trong SBC cao hơn đáng kể so với các phương pháp xử lý SBBF và không tìm thấy sự khác biệt đáng kể nào giữa SBBF2.5a, SBBF5a và SBBF5.
Tuy nhiên, nồng độ TP cao hơn đáng kể trong các nghiệm thức SBBF so với SBC, bất kể tỷ lệ SBs là bao nhiêu và liệu có sục khí trong túi lưới terylene hay không. Độ đục của SBC thấp nhất, tiếp đến là SBBF5a, SBBF2.5a và SBBF5.
Ngoài ra, khi các SB được làm sạch để loại bỏ các chất hấp phụ và ngâm lại trong nước, độ đục trung bình trong các hệ thống trao đổi nước bằng không giảm 47,8%~71,5% sau 24 giờ. (Hình 2).
Trong tất cả các nghiệm thức, TAN luôn được duy trì ở nồng độ thấp (dưới 0,30 mg/L), nhưng nồng độ TAN ở SBC cao hơn đáng kể so với nghiệm thức SBBF. Nồng độ TAN trong SBC tăng sau 13 ngày, đạt cực đại (0,28 mg/L) sau 24 ngày và giảm dần cho đến khi ổn định. Đỉnh TAN (0,14 mg/L) trong SBBF2.5a và SBBF5 xảy ra tương ứng ở 28 và 30 ngày; ngay sau khi đạt cực đại, nồng độ TAN bắt đầu giảm. Nồng độ TAN trong SBBF5a luôn thấp hơn 0,05 mg/L trong suốt thí nghiệm (Hình 3a). Có sự khác biệt đáng kể về nồng độ nitrit giữa các nghiệm thức khác nhau, trong đó nồng độ nitrit trung bình của SBC là cao nhất và nồng độ nitrit trung bình của SBBF5a là thấp nhất.
Trong phương pháp xử lý SBC, nồng độ nitrit tăng lên đáng kể và đạt cực đại vào giữa ngày 17 và 21. Sau đó, nó bắt đầu giảm dần xuống dưới 1,00 mg/L cho đến ngày 58. Ở SBBF2.5a và SBBF5, nồng độ nitrit duy trì ở mức thấp hơn 2,00 mg/L trong phần lớn thời gian thử nghiệm nhưng đạt mức cao nhất vào ngày 28 và 30 (lần lượt là 5,77 mg/L và 4,98 mg/L).
Tuy nhiên, nồng độ nitrit của SBBF5a vẫn ở mức dưới 1,00 mg/L trong suốt quá trình thí nghiệm (Hình 3b). Nồng độ nitrat cho thấy xu hướng tăng trong tất cả các nghiệm thức, nhưng tốc độ tăng ở nghiệm thức SBBF cao hơn đáng kể so với nghiệm thức SBC và SBBF5a tăng nhanh nhất (Hình 3c).
| Nhiệt độ (oC) | 28.6 ± 1.5 (26.9–30.1) | 28.3 ± 1.6 (26.2–29.5) | 28.5 ± 1.6 (27.0–30.1) | 28.1 ± 2.0 (26.0–30.1) |
| DO (mg/L) | 7.35 ± 0.63 (6.71–7.98) | 7.32 ± 0.69 (6.62–8.01) | 7.45 ± 0.44 (7.01–7.89) | 7.39 ± 0.59 (6.41–7.59) |
| pH | 8.09 ± 0.09 a (7.89–8.31) | 7.59 ± 0.40 b (6.98–8.30) | 7.54 ± 0.45 b (7.03–8.36) | 7.54 ± 0.45 b (7.03–8.36) |
| Turbidity (NTU) | 0.98 ± 0.79 a (0.26–3.98) | 4.83 ± 2.80 b (0.60–15.43) | 2.11 ± 1.46 c (0.40–8.71) | 4.81 ± 3.17 b (0.43–13.14) |
| Đồng mặn | 14.6 ± 1.4 | 14.7 ± 1.2 | 14.8 ± 1.6 | 14.7 ± 1.3 |
| P-PO4 (mg/L) | 0.046 ± 0.031 a (0.008–0.115) | 0.202 ± 0.110 b (0.005–0.359) | 0.198 ± 0.113 b (0.008–0366) | 0.204 ± 0.113 b (0.008–0.381) |
| TAN (mg/L) | 0.07 ± 0.06 a (0.00–0.28) | 0.03 ± 0.03 c (0.00–0.14) | 0.01 ± 0.01 b (0.00–0.05) | 0.02 ± 0.03 c (0.00–0.14) |
| NO2-N (mg/L) | 3.82 ± 3.36 a (0.01–12.44) | 1.17 ± 1.22 b (0.01–5.77) | 0.37 ± 0.16 c (0.01–0.84) | 0.99 ± 1.33 b (0.01–4.98) |
| NO3-N (mg/L) | 5.26 ± 3.35 a (2.35–13.37) | 47.79 ± 23.46 b (2.28–82.25) | 60.56 ± 29.80 c (2.34–99.13) | 47.19 ± 21.74 b (2.29–83.56) |
Bảng 1: Các thông số chất lượng nước trong hệ thống nuôi tôm không thay nước
Sự thay đổi về nồng độ trung bình của nitơ vô cơ (mg/L) trong các hệ thống nuôi tôm không thay nước. Các thanh lỗi biểu thị SD. (a) TAN, (b) nitơ nitrit, (c) nitơ nitrat. Hình 3: Global Seafood
Kết quả về thay đổi hoạt động hình thái và nitrat hóa của SBs
Trong quá trình nuôi cấy màng sinh học nitrat hóa, màu của các SB chuyển từ vàng nhạt sang vàng. Sau khi SBBF được ngâm trong bể nuôi tôm, màu của chúng dần dần chuyển sang màu nâu sẫm và quan sát thấy một số lượng lớn chất hấp phụ trong các lỗ của SB. Sau khi ép đùn các chất hấp phụ bằng quá trình giải hấp, màu sắc của SBs chuyển từ nâu đậm sang nâu nhạt (Hình 4).
- (a): SB không có màng sinh học nuôi cấy.
- (b): SB sau 25 ngày nuôi cấy màng sinh học.
- (c): SBBF đựng trong túi lưới terylene.
- (d): SBBF được sử dụng trong bể chứa.
- (e): SBBF với khả năng tái tạo khả năng hấp phụ sau khi làm sạch.
- (f) Chất hấp phụ được loại bỏ khỏi SBBF.
Kết quả của hoạt động nitrat hóa màng sinh học SB cho thấy rằng không có sự khác biệt đáng kể về AOR giữa bốn nghiệm thức ở ngày thứ 30 và 60 của thí nghiệm, nhưng có sự khác biệt đáng kể về NOR. NOR của nghiệm thức SBBF2.5a cao hơn đáng kể so với các nghiệm thức khác và NOR của nghiệm thức SBC là thấp nhất (Bảng 2).
| SBC | SBBF2.5a | SBBF5a | SBBF5 | |
| AOR (mg/g·h) | AOR (mg/g·h) | AOR (mg/g·h) | AOR (mg/g·h) | |
| Giá trị ban đầu | - | 0.24 ± 0.002 | 0.24 ± 0.002 | 0.24 ± 0.002 |
| Ngày thứ 30 | 0.22 ± 0.001 | 0.26 ± 0.001 | 0.24 ± 0.001 | 0.24 ± 0.002 |
| Ngày thứ 60 | 0.23 ± 0.003 | 0.26 ± 0.002 | 0.24 ± 0.002 | 0.25 ± 0.001 |
| NOR (mg/g·h) | NOR (mg/g·h) | NOR (mg/g·h) | NOR (mg/g·h) | NOR (mg/g·h) |
| Giá trị ban đầu | - | 1.56 ± 0.012 | 1.56 ± 0.012 | 1.56 ± 0.012 |
| Ngày thứ 30 | 0.58 ± 0.002 c | 1.54 ± 0.030 a | 1.31 ± 0.017 b | 1.33 ± 0.014 b |
| Ngày thứ 60 | 0.83 ± 0.008 c | 1.80 ± 0.032 a | 1.51 ± 0.033 b | 1.35 ± 0.015 b |
Bảng 2: AOR và NOR của SBs trong các hệ thống nuôi tôm không thay nước ở 30 và 60 ngày của thí nghiệm.
Kết quả về tốc độ tăng trưởng của tôm
Bảng 3 cho thấy kết quả hoạt động tăng trưởng của tôm ở các nghiệm thức khác nhau vào cuối thí nghiệm. Tỷ lệ sống, trọng lượng cuối cùng trung bình và năng suất cao hơn ở nghiệm thức SBBF so với SBC, bất kể tỷ lệ SBs và liệu có sục khí trong túi lưới terylene hay không. Trong số đó, SBBF5a là cao nhất, tiếp theo là SBBF2.5a, SBBF5 và SBC. Tỷ lệ chuyển hóa thức ăn ở nghiệm thức SBC thấp hơn so với nghiệm thức SBBF.
| SBC | SBBF2.5a | SBBF5a | SBBF5 | |
| Trọng lượng cuối TB (g) | 8.62 ± 0.21 b | 9.07 ± 0.18 a | 9.21 ± 0.13 a | 9.12 ± 0.24 a |
| Survival (%) | 81.0% b | 87.6% a | 93.6% a | 91.7% a |
| FCR (g/g) | 1.57 ± 0.19 | 1.49 ± 0.15 | 1.43 ± 0.11 | 1.45 ± 0.22 |
| SGR (g/d) | 0.13 ± 0.01 | 0.14 ± 0.01 | 0.14 ± 0.02 | 0.14 ± 0.01 |
| Sản lượng (kg/m3) | 5.59 ± 0.11 c | 6.36 ± 0.09 b | 6.90 ± 0.18 a | 6.69 ± 0.23 a |
Bảng 3: Kết quả về tăng trưởng của tôm sau 66 ngày thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, giá thể xốp sinh học với màng sinh học tiền nuôi cấy (SBBF) đã được sử dụng để xây dựng hệ thống nuôi tôm không thay nước. Nhóm tác giả đã đã đánh giá vai trò của SBBF trong việc kiểm soát nitơ vô cơ và chất rắn lơ lửng và tác động của chúng đối với năng suất tăng trưởng của tôm. Các kết luận sau đây đã được rút ra:
1) Nồng độ amoniac và nitrit thấp hơn và nồng độ nitrat cao hơn cho thấy quá trình nitrat hóa năng động hơn trong các nghiệm thức SBBF so với các nghiệm thức SBC. Sục khí là tích cực đối với quá trình nitrat hóa của SBBFs.
2) Các phương pháp xử lý SBBF có thể duy trì mức độ thấp của amoniac, nitrit và chất rắn lơ lửng cho tôm thẻ theo yêu cầu nghiêm ngặt về việc không thay nước trong toàn bộ quá trình nuôi. Chất rắn lơ lửng sinh ra trong quá trình nuôi trồng thủy sản có thể được kiểm soát hiệu quả bằng quá trình hấp phụ/giải hấp và duy trì độ đục trong phạm vi chấp nhận được.
3) Tôm được nuôi trong các phương pháp điều trị SBBF thể hiện trọng lượng cuối cùng, tỷ lệ sống và năng suất trung bình cao hơn so với những con được nuôi trong các phương pháp điều trị SBC. Tỷ lệ chuyển hóa thức ăn ở nghiệm thức SBC thấp hơn so với nghiệm thức SBBF.