Lưới tổng hợp mới dễ dàng loại bỏ sinh vật bám trong nuôi trồng thủy sản

Không giống như ngành đánh bắt, sản lượng nuôi trồng thủy sản liên tục tăng trong ba thập kỷ qua đặc biệt lên tới 114,5 triệu tấn trọng lượng tươi sống, tương ứng với giá trị bán tại trang trại là 263,6 tỷ USD và xấp xỉ 46% sản lượng tiêu thụ toàn cầu trong năm 2018. Điều này đặt ra vấn đề cấp thiết về quản lí kiểm soát hiệu quả biofouling trong ngành nuôi trồng thủy sản.

Lưới nylon xoắn thường được sử dụng trong ao nuôi trồng thủy sản là chất nền rất thích hợp cho các sinh vật biển bám dính nhờ vào đặc tính nhám của nó. Mức độ tăng trưởng, sự đa dạng của các sinh vật bám phụ thuộc vào các yếu tố như vị trí địa lí, mùa, độ sâu, ánh sáng, hướng chất nền (dọc hoặc ngang) và nguồn dinh dưỡng dồi dào (chất thải hữu cơ, vô cơ) từ các khu vực công nghiệp lân cận. Mặc dù phát triển nhanh chóng nhưng các kỹ thuật thông thường được áp dụng trong nuôi trồng thủy sản để ngăn chặn sự hình thành biofouling trên lưới vẫn không phải là phương pháp lí tưởng. 

Phương pháp tiên tiến nhất hiện nay là ngâm lưới bằng các hợp chất hóa học có chứa đồng để đẩy lùi hoặc tiêu diệt các sinh vật tạo màng sinh học. Điều này dẫn đến lượng phát thải lớn hàng năm của các hợp chất đồng không chỉ gây ra tác động tiêu cực đến vật nuôi và hệ sinh thái xung quanh mà còn có hiệu quả hạn chế, không thể ngăn quá trình tạo màng sinh học trong toàn bộ chu trình sản xuất. Do đó, chúng thường cần được vệ sinh định kỳ dẫn đến tăng thêm lượng chất diệt khuẩn vào nước biển.

Hoạt động nuôi trồng thủy sản phải tuân theo các quy định nghiêm ngặt về chất lượng thực phẩm và tiêu chuẩn môi trường. Xét đến tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành nuôi trồng thủy sản và lượng đồng thải ra biển ngày càng tăng, phương pháp nêu trên có thể bị cấm trong tương lai. Mặt khác, nếu lưới không được bảo vệ và không được làm sạch thường xuyên, sự tích tụ lớn của sinh vật bám (vài kg/m²) sẽ được hình thành trong vòng vài tuần. Sự bám dính trên lưới dẫn đến ba vấn đề chính: 

1) Kích thước mắc lưới giảm làm gián đoạn quá trình trao đổi nước. Việc thiếu nước, oxy và dinh dưỡng bên trong các ao nuôi, không những cản trở việc loại bỏ chất thải (thức ăn thừa và phân) mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe của vật nuôi.

2) Biofouling có thể làm tăng trọng lượng của lưới lên gấp hai trăm lần và lực kéo lên gấp năm lần. Trọng lượng quá lớn của sinh vật bám có thể dẫn đến hỏng lưới và thất thoát. Ngoài thiệt hại về kinh tế, điều này cũng có thể làm xáo trộn sự cân bằng và nguồn gen tự nhiên của hệ sinh thái xung quanh.

 3) Các quần thể sinh vật bám vào lưới có thể lưu trữ mầm bệnh và thúc đẩy sự lây truyền bệnh một cách nhanh chóng. 

Polydimethylsiloxan (PDMS) là một vật liệu thay thế không độc hại chứa chất diệt khuẩn và có "tính không dính" thường dùng cho các lớp phủ vỏ tàu để chống lại sự hình thành biofouling. Tuy nhiên, polydimethylsiloxan vẫn còn tồn tại những nhược điểm về độ bền cơ học. Trong nghiên cứu này, lưới “CleaNet” được chế tạo bằng bằng cách ngâm với dung dịch PDMS pha loãng hexan (tỉ lệ 1:1).

Hình ảnh của CleaNet và lưới nuôi trồng thủy sản bình thường trong một trang trại địa phương (Biển Baltic, Kiel, Đức) theo các mốc thời gian thí nghiệm. Cả hai lưới đều được làm sạch bằng tay sau 17 tuần và làm sạch bằng máy áp suất cao sau 46 tuần. 

Lưới được ngâm vào dung dịch PDMS/hexan trong 2 phút. Trong phút đầu tiên, lưới được nén thủ công để đảm bảo ngập trong dung dịch. Sau đó, giữ lưới trong dung dịch thêm 1 phút để đạt được cấu trúc bề mặt lưới mịn (không nhám). Cuối cùng, các tấm lưới đã ngâm tẩm được mở ra, treo và làm khô ở nhiệt độ phòng. Thử nghiệm kiểm tra so sánh khả năng loại bỏ cặn bẩn, sinh vật bám dính, độ ổn định cơ học giữa lưới CleaNet và lưới nylon được tiến hành từ 7/2019 đến 5/2020. Cả hai loại lưới đều được làm sạch bằng tay sau 17 tuần và làm sạch bằng máy áp suất cao sau 46 tuần ngâm trong nước. 

Kết quả cho thấy rằng việc ngâm tẩm lưới với polydimethylsiloxan pha loãng gần như không ảnh hưởng đến đường kính của sợi hay độ dày của lưới vì lớp vỏ phủ bên ngoài lưới chỉ có độ dày ∼50 μm. Điều này giúp giảm thiểu chi phí vận chuyển, nhân công và giảm nguy cơ gãy lưới. Một khía cạnh quan trọng khác là hệ thống neo và lồng lưới ngoài khơi thường phải chịu đựng các điều kiện môi trường bất lợi, chẳng hạn như dòng chảy mạnh hoặc bão.

Do đó, các yếu tố góp phần làm tăng lực cản cần phải được tính đến. Ngoài ra, bề mặt lưới CleaNet trở nên rất mịn giúp dễ dàng loại bỏ sự bám dính của các vi sinh vật đồng thời khả năng tái bám dính thấp hơn rất nhiều, do đó giảm thiểu tần suất và chi phí làm sạch lưới. Hơn nữa, việc làm sạch lưới CleaNet bằng nước áp suất cao không làm hỏng cấu trúc và ảnh hưởng tuổi thọ của lưới.

Nhìn chung, đây là nghiên cứu đầu tiên bao gồm thiết kế và sản xuất lưới tổng hợp cho đến các thử nghiệm thực địa đầu tiên ở Biển Baltic một cách chi tiết. Không chứa đồng hay các chất diệt khuẩn khác, lưới CleaNet sở hữu các đặc tính dễ làm sạch cặn bẩn, độ bền cơ học cao, tính ổn định lâu dài, rất thích hợp để làm sạch định kỳ, trở thành vật liệu đầy hứa hẹn trong các hoạt động nuôi trồng thủy sản bền vững.