ORP – Một chỉ dẫn quan trọng của điều kiện môi trường ao nuôi tôm

Thế ôxi hóa-khử ORP là gì?

Thế ôxi hóa-khử (redox potential hay oxidation-reduction potential) – còn gọi là tiềm năng ôxi hóa-khử, viết tắt là ORP - là một sự đo lường khuynh hướng của một thể hóa học (chemical species) để thu nhận các điện tử (electrons) từ, hay mất các điện tử tới một điện cực (electrode) và qua đó bị ôxi hóa hay khử một cách tương ứng. 

- Chất có khả năng ôxi hóa các chất khác (làm cho chúng mất các điện tử) được gọi là chất ôxi hóa (oxidant). Các chất này loại bỏ các điện tử của một chất khác, nên được gọi là "khử".

- Chất có khả năng khử chất khác (làm cho chúng nhận các điện tử) được gọi là chất khử (reducer). Chúng chuyển điện tử cho một chất khác, và do đó tự nó bị ôxi hóa.

Các phản ứng hóa học được định hướng bởi các cơ chế khác nhau, nhưng nhiều phản ứng quan trọng trong các hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản là các phản ứng ôxi hóa-khử. Trong một phản ứng ôxi hóa, một chất mất các điện tử và trở thành hóa trị dương nhiều hơn, trong khi phản ứng ngược lại xảy ra khi một chất bị khử.

Thế ôxi hóa-khử là chỉ dẫn cho điều kiện môi trường nuôi thủy sản

Môi trường ao là quyết định trong đầu ra của các hoạt động nuôi trồng thủy sản. Khi hoạt động nuôi diễn ra liên tục, điều kiện đáy ao bị suy giảm do sự tích lũy của các vật chất thải hữu cơ. Hàm lượng carbon hữu cơ (organic carbon, OC) là một thước đo của điều kiện bùn đáy ao. Các giá trị OC cao hàm ý sự tích lũy nhiều chất hữu cơ trên nền đáy. Chất hữu cơ trong đất nền đáy ao chứa một tỷ lệ lớn các OC có thể phân hủy chậm và bền nên OC không phải là chỉ dẫn nhạy cho điều kiện bùn đáy ao. Sự tích lũy các vật chất thải trong bùn đáy sản sinh một môi trường giàu dinh dưỡng có thể thuận lợi cho các vi khuẩn. Các vi khuẩn này tiêu thụ một số lượng có ý nghĩa ôxi và qua đó gây ra một điều kiện thiếu khí trong bùn đáy. 

Sự tích lũy các vật chất thải trong bùn đáy là môi trường dinh dưỡng cho vi khuẩn. Ảnh: Tepbac.

Khi hàm lượng ôxi bị hạn chế, các vi khuẩn sẽ sử dụng các chất nhận điện tử cuối cùng khác cho sự phân hủy vật chất hữu cơ. Trong hô hấp kỵ khí, các hợp chất hữu cơ và các ion vô cơ bị ôxi hóa tương đối (NO₃^-, NO₂^-, Fe₃⁺, Mn₄⁺, SO₄^2-, và CO₂) được dùng như các chất nhận điện tử cuối cùng và các nguồn ôxi (các chất ôxi hóa) trong hô hấp vi khuẩn. Tuy nhiên, sự phân hủy kỵ khí trong đáy ao có thể dẫn đến sự sản sinh các hợp chất bị khử và có tiềm năng độc, bao gồm ammonia (NH₃), nitrite (NO₂^-), hydrogen sulfide (H₂S), methane (CH₄) và vài axit hữu cơ.

NO₂^- + 8H⁺ + 6e^- → NH₄⁺ + 2H₂O

NO₃^- + 10H⁺ + 8e^- → NH₄⁺ + 3H₂O

NO₃^- + 2H⁺ + 2e^- → NO₂⁺ + H₂O

Fe₃^- + e^- → Fe₂^-

SO₄^2- + 10H⁺ + 8e^- → H₂S (khí) + 4H₂O

CO₂ + 8H⁺ + 8e^- → CH₄ (khí) + 2H₂O

ORP là một chỉ số của mức độ của sự ôxi hóa hay khử trong một hệ thống hóa học mà có thể được dùng để biểu thị mức độ của điều kiện kỵ khí trong bùn đáy ao. Nó phụ thuộc vào tất cả chất ôxi hóa và khử hiện diện trong hệ thống. Trong nước, ORP được liên hệ chặt chẽ với nhiệt độ, pH, độ mặn, và hàm lượng ôxi và các chất ôxi hóa hòa tan như ozone. ORP có thể ảnh hưởng đến những biến đổi vật chất do vi khuẩn ưu thế, sản sinh các độc tố và tính hòa tan của chất khoáng, cũng như chất lượng nước trong lớp nước tiếp xúc với bùn đáy – là nơi tôm sống trong ao.

Cường độ ôxi hóa-khử được xác định bằng điện thế ôxi hóa-khử, ký hiệu Eh, đơn vị là milivolt (mV). Theo ORP của nó, đất đáy ao có thể được phân hạng thành 4 nhóm, 400 ⁓ 700 mV: ÔXI HÓA; 100 ⁓ 400 mV: KHỬ THẤP; 100 ⁓ –100 mV: KHỬ; và -300 ⁓ -100 mV: KHỬ CAO.

Chất đáy bị khử cao chỉ ra một lớp dầy của vùng kỵ khí ở đáy ao mà có thể lên tới bề mặt của của đất, qua đó gia tăng nhu cầu ôxi chất đáy, khuếch tán các hợp chất khử có tính độc từ đất đáy vào trong cột nước, suy giảm môi trường và các ảnh hưởng bất lợi lên sinh trưởng của tôm. Sự gia tăng nhu cầu ôxi chất đáy thật sự dẫn tới sự ức chế tăng trưởng và/hay thực sự gây ra chết tôm.

Cường độ ôxi hóa-khử được xác định bằng điện thế ôxi hóa-khử, ký hiệu Eh, đơn vị là milivolt (mV).

Tác động của sự suy giảm chất lượng môi trường nuôi tôm

Phần lớn ao nuôi tôm là ao đất nên bùn đáy ao đóng một vai trò quan trọng trong môi trường nuôi tôm. Bùn đáy ao là quan trọng do tôm, một sinh vật sống đáy, dành phần lớn thời gian ở môi trường tiếp giáp giữa nước và đất. Do đó, bất kỳ sự thay đổi trong môi trường này có thể có một ảnh hưởng trực tiếp trên điều kiện của tôm, bao gồm gia tăng rủi ro của bùng phát bệnh do vi khuẩn. Thành phần bùn đáy là một trong những yếu tố chính mà đóng góp cho việc sử dụng năng lượng dinh dưỡng ở tôm. Đồng thời, phần lớn các vật chất hữu cơ và các sản phẩm thải từ hoạt động nuôi tích lũy trong bùn đáy ao và cũng có thể đóng góp cho sự giảm chất lượng nước ao. 

Sự suy giảm của chất lượng môi trường cũng như sự biến động môi trường có thể dẫn đến căng thẳng (stress) ở vật nuôi, mà thật ra đang làm giảm sự miễn dịch của chúng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các ảnh hưởng bất lợi của sự suy giảm chất lượng môi trường trên sự miễn dịch của tôm. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu có liên hệ đến chất lượng nước, chẳng hạn ảnh hưởng của ôxi, nhiệt độ, độ mặn, pH, ammonia và nitrite mà bỏ qua yếu tố ORP. Các bệnh do virus và vi khuẩn, cùng với chất đáy và chất lượng nước kém là những nguyên nhân chính gây chết tôm hàng loạt.

Suy giảm chất lượng nước và chất đáy có thể khiến tôm chết hàng loạt. Ảnh: Phạm Đình Duy.

Mức độ suy giảm chất lượng môi trường trong hệ thống nuôi tôm tùy thuộc trình độ thâm canh và thời gian sử dụng ao. Mật độ tôm cao dẫn đến gia tăng chất thải dinh dưỡng từ thức ăn thừa, phân tôm và các sản phẩm của quá trình biến dưỡng mà cuối cùng tích lũy trong nước và chất đáy, và gia tăng cường độ của sự suy giảm chất lượng nước và chất đáy. Ngoài ảnh hưởng của tích lũy chất thải cao trong một hệ thống thâm canh lên sự miễn dịch của tôm và điều kiện sức khỏe nói chung, chất thải dinh dưỡng cao cũng thúc đẩy sự tăng trưởng của các tác nhân gây bệnh cơ hội, và như vậy gia tăng cơ hội bùng phát bệnh.

Sự khuếch tán nhiều chất khử có tính độc cao như hydrogen sulfide và nitrite vào trong nước ao có thể được ngăn chận đáng kể khi một lớp đất bề mặt ôxi hóa mỏng được duy trì. Tuy nhiên, ở các ao bán thâm canh và thâm canh, các mức độ phân hủy vật chất hữu cơ cao ở bề mặt tiếp giáp đất và nước có thể hạ thấp ORP và cho phép các hợp chất khử đi vào nước ao nơi chúng có thể làm hại cho tôm nuôi.

Phương pháp ngăn ngừa sự suy giảm chất lượng môi trường nuôi tôm

Sử dụng ORP để đánh giá chất lượng môi trường đã được áp dụng trong nuôi trồng thủy sản. Li và ctv. (2015) tìm thấy chỉ số ORP có ảnh hưởng đến cá chẽm châu Âu (Dicentrarchus labrax) nuôi trong hệ thống tái tuần hoàn (RAS). Ở mức 300–320 mV, ORP có ảnh bất lợi đến sự ăn mồi, hệ số thức ăn và tăng trưởng của cá nhưng cá ít nhạy cảm với nhiễm vi khuẩn. Các tác giả đề nghị ORP nên ở mức trên 240–270 mV để có ảnh hưởng thuận lợi đến cá chẽm nuôi. Wiyoto và ctv. (2016) đã tiến hành thí nghiệm về ảnh hưởng của ORP và mật độ đến tôm chân trắng (Litopenaeus vannamei). Các tác giả tìm thấy ORP ở mức -206 mV đã làm giảm tăng trưởng, tỷ lệ sống và năng suất, và làm tăng hệ số thức ăn của tôm so với các mức -65 và -108 mV. Ngoài ra, ở mức này cũng làm giảm sự đề kháng của tôm với virus đốm trắng (WSSV), đặc biệt ở mật độ cao.

Nếu được, nên theo dõi chỉ tiêu ORP để có biện pháp xử lý phù hợp. Ảnh: Tepbac

Trong nuôi tôm, các vấn đề với những điều kiện kỵ khí ở bề mặt của các đất đáy là kết quả rõ ràng từ sự tích lũy các vật chất hữu cơ mới trong vụ nuôi đang diễn ra hơn là sự tích lũy các vật chất hữu cơ sau vài vụ nuôi. Vì thế việc loại bỏ bùn khỏi ao giữa các vụ nuôi sẽ mang lại rất ít lợi ích nhằm giảm nhu cầu ôxi ở đáy ao.

Theo Boyd (2016), các ao nuôi thủy sản nên duy trì các điều kiện hiếu khí với chỉ số ORP trên 500 mV hoặc hơn ở bề mặt tiếp giáp giữa nước và nền đáy. Khi ORP giảm ở khoảng 200-300 mV, đất nền đáy sẽ trở nên xám đậm hay đen do sự khử Fe³⁺ thành Fe²⁺. Khi ORP giảm ở mức 0 ⁓ 100 mV, các vi khuẩn sẽ biến đổi SO₄^2- thành H₂S có tính độc.

Loại bỏ sạch bùn đáy ao có màu xám đậm hay đen, phơi khô và bón vôi đáy ao giữa các vụ nuôi có thể là hữu ích trong ôxi hóa bất kỳ vật chất hữu cơ có thể phân hủy cao từ vụ nuôi trước. Hoạt động này là giảm số lượng vật chất hữu cơ dễ phân hủy hiện diện ở bắt đầu vụ nuôi mới.

Sử dụng ao lót bạt, định kỳ loại bỏ chất thải ở nền đáy và bổ sung sục khí đáy sẽ giúp duy trì chất lượng của điều kiện môi trường ao nuôi tôm. Nếu được, nên theo dõi chỉ tiêu ORP, đặc biệt ở cuối vụ nuôi, để có biện pháp xử lý thích hợp.

Các tài liệu tham khảo chính:

Li, X., C. Przybyla, S. Triplet, Y. Liu & J.P. Blancheton, 2015. Long-term effects of moderate elevation of oxidation–reduction potential on European seabass (Dicentrarchus labrax) in recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering, 64: 15–19.

Wiyoto, W., S. Sukenda, E. Harris, K. Nirmala, D. Djokosetiyanto & Julie Ekasari, 2016. The effects of sediment redox potential and stocking density on Pacific white shrimp Litopenaeus vannamei production performance and white spot syndrome virus resistance. Aquaculture Research, 1–11.

Boyd, C.E., 2016. The complex principles of redox measurement. Reprinted by Global Aquaculture Advocate, 12/12/2018, 5 p.