Thách thức thương mại hóa nuôi tôm công nghệ cao Aquaponics

Aquaponics là mô hình công nghệ cao đang nhận được nhiều sự quan tâm hơn nhờ vào phương thức tiếp cận theo hướng an toàn và bền vững. Hoạt động canh tác tích hợp đa dưỡng này dựa trên nuôi trồng thủy sản (NTTS) tuần hoàn và thủy canh, với sự thích ứng cao, đặc biệt có thể giải quyết cho những nơi không có đủ diện tích và nguồn nước để tiến hành sản xuất nông nghiệp. Các loài thủy sản nói chung hay tôm nói riêng đã được chứng minh là có sự tăng trưởng tốt, thích nghi ổn định với Aquaponics.

Aquaponics được kỳ vọng sẽ giải quyết vấn đề lương thực trong tương lai. Ảnh: Keywordbasket

Người ta đã nhắc nhiều đến những lợi ích của mô hình này, và không có gì lạ khi sự thương mại hóa Aquaponics đang được ca ngợi như một giải pháp khả thi cho câu hỏi lớn nhất trong nền nông nghiệp hiện đại: “Chúng ta sẽ nuôi sống 9 tỷ người vào năm 2050 như thế nào?”. Tuy vậy, không phải là không có những thách thức dành cho việc áp dụng Aquaponics, đặc biệt là sự vận hành và cân đối chi phí. Đây chính là hai điểm mấu chốt làm cho Aquaponics khó có thể mở rộng quy mô và đem lại lợi ích cho các nhà sản xuất. Gần đây, đã có nhiều những nghiên cứu đưa ra các cách giải quyết khác nhau cho những vấn đề trên. Hãy cùng tìm hiểu thêm về các thông tin liên quan.

Yêu cầu vận hành kỹ thuật mang tính đa ngành

Những sự cố liên quan đến sự vận hành và điều chỉnh về mặt kỹ thuật được cho là một điều khó có thể kiểm soát hiệu quả nếu chúng ta mở rộng quy mô của Aquaponics. Việc thiết kế, lắp đặt và vận hành Aquaponics ở quy mô lớn đòi hỏi nhiều những kiến thức và kinh nghiệm trên nhiều lĩnh vực khác nhau chẳng hạn như: Cơ khí, điện, môi trường, sinh vật học, hóa sinh và công nghệ sinh học liên quan đến động vật thủy sản và thực vật. Bên cạnh đó, các phép đo tính toán, công thức xây dựng hệ thống điều khiển, vận hành cũng cần có kiến thức về các lĩnh vực khoa học máy tính và tự động hóa.

Hơn nữa, duy trì chất lượng môi trường nước trong các bể và đảm bảo sức khỏe cho tôm nuôi cũng yêu cầu người vận hành có đủ hiểu biết. Nhìn chung, về mặt kỹ thuật, thách thức lớn nhất của việc thương mại hóa aquaponics là tính đa ngành của nó, cần chuyên môn sâu hơn về nhiều mặt. Điều này dẫn đến mức độ phức tạp ngày càng tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống.

Tính đa ngành của Aquaponics đòi hỏi yêu cầu vận hành kỹ thuật cao. Ảnh: Twitter/@1book1chicago

Sự cân bằng dinh dưỡng giữa tôm và cây trồng

Là một hệ thống dựa trên nguyên lý hoạt động của sự tuần hoàn nước, mục tiêu trong vận hành Aquaponics là sử dụng hiệu quả nguồn dinh dưỡng đầu vào, giảm thiểu việc thải bỏ và hướng đến một hệ thống tuần hoàn không xả thải. Vì vậy, thức ăn công nghiệp cho tôm là nguồn cung cấp dinh dưỡng đầu vào chính cho toàn hệ thống. Từ đó, những nguồn có thể được tận dụng tiếp theo là thức ăn thừa cùng với phân và chất bài tiết của tôm. 

Tuy rằng trong các phần dinh dưỡng đó có hàm lượng N cao, tốt cho cây trồng nhưng chúng chủ yếu tồn tại ở dạng rắn hay lơ lửng mà không được hòa tan thành dạng ion, thứ mà cây trồng hấp thu tốt hơn trong thủy canh. Ngoài ra, thành phần dinh dưỡng của thức ăn ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động bài tiết của tôm, do đó có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng nước.

Cần giải quyết vấn đề cân bằng dinh dưỡng giữa tôm và cây trồng. Ảnh: Tepbac

Vấn đề ở đây là phải tìm ra thành phần thức ăn cho tôm phù hợp cho aquaponics để các thông số về nước ở mức thích hợp nhất. Do đó, một tỷ lệ cần được thiết lập chính xác liên quan đến các yếu tố dinh dưỡng vi lượng và đa lượng mà tôm thải ra trong hệ thống, và đồng thời phải dựa trên loài tôm, mật độ, giai đoạn hay thậm chí là loại cây trồng được chọn. Thành phần thức ăn cho tôm nên được điều chỉnh để có thể vừa đảm bảo năng suất, tăng trưởng và đồng thời tránh gây hại cho cây trồng. Một số sự ghép loài đã được giới thiệu là có khả năng tương trợ về dinh dưỡng, như tôm thẻ – cà chua, khoai tây, ớt chuông. 

Nguyên tố Phốt pho

Trong số các khoáng chất, phốt pho (P) đáng được quan tâm. P là một chất dinh dưỡng đa lượng, được thực vật đồng hóa ở dạng ion phốt phát (H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻). P cần thiết cho cả giai đoạn sinh trưởng và giai đoạn ra hoa trong quá trình phát triển của thực vật.

Trong RAS, 30% –65% phốt pho được bổ sung vào hệ thống thông qua thức ăn cho cá bị mất đi. Lý do là P tồn tại dưới dạng bài tiết thể rắn của cá được lọc ra bằng bể lắng hoặc bộ lọc cơ học. Hơn nữa, P hữu cơ được hòa tan dưới dạng ion phốt phát có thể kết tủa với canxi, làm cho sự thiếu hụt nguyên tố này trầm trọng hơn.

Hệ thống lọc làm mất đi lượng phốt pho bổ sung vào hệ thống Aquaponics. Ảnh: Keywordbasket

Theo nghiên cứu của Sikawa và cs (2010), nồng độ P khuyến nghị trong thủy canh tiêu chuẩn thường là từ 40 đến 60 mg/L. Sự đảm bảo trong tăng trưởng của thực vật có liên quan mật thiết với P, trong khi đây lại là một nguồn khá tốn kém và hữu hạn, nên việc cân bằng P trong hệ thống chắc chắn sẽ là mối quan tâm lớn trong mô hình công nghệ cao. 

Yếu tố pH

Cân bằng pH là một phần không thể thiếu trong bất kỳ một hệ thống Aquaponics nào vì đây là yếu tố ảnh hưởng tới cả tôm, cây trồng và cả hệ vi sinh vật. Độ pH tối ưu cho mỗi đối tượng là khác nhau. Hầu hết các loại cây cần giá trị pH từ 6 đến 6,5 để tăng cường khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng. Vi khuẩn nitrat hóa có độ pH tối ưu cao hơn, trên 7.0. Hiệu suất nitrat hóa tăng tuyến tính 13% trên mỗi đơn vị pH trong phạm vi pH từ 5,0 đến 9,0 với hoạt tính cao nhất của chất oxy hóa amoni là 8,2.

pH là yếu tố ảnh hưởng tới cả tôm, cây trồng và cả hệ vi sinh vật. Ảnh: Sani-depot.ca

Dựa trên những dữ liệu này, giá trị pH cao nhất có thể phải phù hợp với việc ngăn ngừa sự tích tụ amoniac trong hệ thống. Khi đó, giá trị pH lý tưởng cho hệ thống là từ 6,8 đến 7,0. Mặc dù sự hấp thụ nitrat của rễ làm tăng pH khi các ion bicacbonat được giải phóng trong quá trình trao đổi, quá trình nitrat hóa tạo ra axit có tác động cao hơn đến pH tổng thể của hệ thống, dẫn đến giá trị pH liên tục và giảm nhẹ.

Có hai cách tiếp cận để chống lại xu hướng đó:

- Bổ sung dinh dưỡng là phương pháp được áp dụng nhiều nhất. Bằng cách thêm cacbonat, bicacbonat hoặc hydroxit vào hệ thống, giá trị pH có thể tạm thời được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu. Ngoài ra, chúng làm tăng thông số độ kiềm để ngăn ngừa sự biến động lớn của pH và do đó giữ cho hệ thống ổn định. Các chất đệm tốt nhất nên dựa trên các hợp chất canxi, kali và magiê vì chúng bù đắp cho sự thiếu hụt dinh dưỡng có thể có của các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng.

- Một phương pháp thay thế được đề xuất là triển khai khái niệm tháp phản nghịch ứng sinh học tầng sôi vào lĩnh vực aquaponics. Khái niệm trung hòa nước này bao gồm việc bổ sung có kiểm soát đá vôi (CaCO₃) vào nước axit dẫn đến hiệu ứng nâng pH liên tục do quá trình hòa tan cacbonat giải phóng anion hydroxit (OH⁻).

CaCO₃ (s) ⇄ Ca₂⁺ + CO₃²⁻

Tùy thuộc vào pH, khi CaCO3 hòa tan, một số cacbonat thủy phân tạo ra HCO₃⁻

CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻

Quản lý sâu bệnh của cây trồng và dịch bệnh của tôm

Địch hại cho bất kỳ đối tượng nào trong Aquaponics cũng là những mối đe dọa đến lợi nhuận của hệ thống. Hệ thống Aquaponic có đặc điểm là có nhiều loại vi sinh hơn so với các hệ thống thủy canh thông thường, đặc biệt là trong quá trình sinh trưởng của tôm và quá trình lọc sinh học diễn ra trong cùng một vòng nước. Thuốc trừ sâu không thể được sử dụng trong aquaponics vì nguy cơ độc hại đối với tôm và đối với hệ vi sinh vật. Sự cần thiết phải duy trì màng sinh học nitrat hóa và các vi sinh vật phân giải chất dinh dưỡng khác cũng ngăn ngừa việc sử dụng kháng sinh và thuốc diệt nấm để kiểm soát và loại bỏ mầm bệnh cho tôm.

 Các loài gây hại và là mầm bệnh cho thực vật và tôm có thể được chia thành bốn loại khác nhau dựa trên các giải pháp xử lý cụ thể. (1) địch hại thực vật - chủ yếu là côn trùng phá hoại lá và rễ (ví dụ, rệp, bọ nhện); (2) vi sinh vật (ví dụ, vi khuẩn, nấm) và vi rút tấn công thực vật; (3) ký sinh ở tôm (ví dụ, monogenea, cestoda); và (4) bệnh tôm do vi rút và vi sinh vật gây ra.

Địch hại cho bất kỳ đối tượng nào cũng tác động đến toàn bộ hệ thống. Ảnh: Twitter/@ gardenknowhow

Có thể áp dụng các biện pháp chăm sóc làm giảm sự xuất hiện của dịch bệnh như các biện pháp vệ sinh phòng ngừa, mật độ tôm hay cây trồng thấp. Ngoài những thực hành này, một số phương pháp kiểm soát sinh học cải tiến đã được ứng dụng đối với cây trồng trong điều kiện đồng ruộng hoặc nhà kính như là dùng lợi khuẩn hay chất diệt côn trùng sinh học.

Nhưng cũng vì sự hiện diện của nhiều loại vi sinh trong aquaponic, nên cũng cần xác định sự xuất hiện của mầm bệnh và nguy cơ đối với sức khỏe con người, để đánh giá mức độ an toàn của aquaponics và tiến hành kiểm soát chất lượng thích hợp. Những thách thức này có thể dẫn đến việc sản xuất các sản phẩm được chứng nhận chất lượng và an toàn, qua đó đạt được giá cao hơn trên thị trường. 

Thách thức về mặt kinh tế khi nuôi tôm Aquaponics

Các cân nhắc về mặt kinh tế đối với bất kỳ loại hình kinh doanh nào đều bao hàm các yếu tố sau: 

1) Đầu tư tổng thể cần thiết để xây dựng cơ sở vật chất và mua thiết bị cần thiết; 

2) Chi phí hàng năm để vận hành hệ thống;

3) Ước tính thực tế về giá thị trường, mức độ cạnh tranh trên thị trường mục tiêu và ước tính thực tế về doanh thu sẽ nhận được. 

Chi phí hàng năm để vận hành hệ thống trở nên khó ước tính hơn một chút, do nhiều hệ thống còn khá mới với ít phân tích toàn diện về chi phí và lợi nhuận của theo thời gian. Các ước tính rất thận trọng phải được sử dụng, đặc biệt đối với khối lượng tôm có thể được nuôi, khối lượng rau có thể được sản xuất và các rủi ro liên quan. Việc lây nhiễm bệnh  có thể khó khăn vì chỉ có thể sử dụng biện pháp kiểm soát sinh học trong các đơn vị aquaponics, vì hóa chất có thể giết chết các cây trồng khác được tích hợp vào hệ thống. Điều quan trọng là phải đánh giá thấp phần nào sự tăng trưởng và sản lượng của cá và thực vật, nhưng đánh giá quá cao chi phí một chút. Một cách tiếp cận thận trọng như vậy có nhiều khả năng dẫn đến một kế hoạch kinh doanh thành công.

Cần có một kinh doanh thận trọng cho Aquaponics. Ảnh: Foxagritech.

Khía cạnh khó khăn nhất của việc quản lý hoạt động aquaponics là phát triển một kế hoạch tiếp thị thực tế, chính xác và khả thi. Nuôi tôm công nghệ cao với mô hình trong nhà có chi phí gấp 2-3 lần so với nuôi ngoài ao. Do đó, một hoạt động aquaponics có lãi sẽ cần phải tìm kiếm và phát triển một thị trường mà sẽ trả giá cao hơn trung bình trên thực tế.

Ví dụ: Một cá nhân trồng rau diếp trong aquaponics sẽ cần phải cạnh tranh với rau diếp bán trong chợ và siêu thị, trong các cửa hàng tạp hóa và tại chợ nông sản. Tại sao lại mua rau diếp trồng thủy canh, đặc biệt là nếu nó đắt hơn các loại khác? Người bán phải có câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi đó thì mới có thể cạnh tranh được.

Điều thứ hai trong hoạt động tiếp thị cần được xem xét là loại thị trường cao cấp sẽ trả một mức giá cao hơn cũng sẽ kéo theo chi phí tiếp thị lớn hơn. Ví dụ: Nếu độ tươi của sản phẩm là lý do chính để đầu bếp hàng đầu phải trả giá cao cho các loại thảo mộc được nuôi bằng phương pháp thủy sinh, thì đầu bếp đó có thể muốn giao hàng thường xuyên để đảm bảo độ tươi. Việc giao hàng thường xuyên sẽ yêu cầu thêm nhân viên, phương tiện và các chi phí đi kèm.

Ngay cả ở quy mô nhỏ, aquaponics cũng yêu cầu vận hành phức tạp. Ảnh: Flipboard/BioPlantation 4.

Các yêu cầu về lao động cũng phải được xem xét. Hệ thống aquaponics đòi hỏi phải được chăm sóc và theo dõi thường xuyên. Ngay cả ở quy mô nhỏ, aquaponics cũng phức tạp vì có nhiều thành phần với yêu cầu kiểm soát cao. Phòng chống dịch bệnh, kiểm soát mực nước và ngăn chặn địch hại và các vấn đề khác đòi hỏi phải có người túc trực 24/7. Việc thu hoạch và đóng gói cũng khá tốn công. Tokunaga và cộng sự. (2015) ước tính rằng chi phí lao động là 46% tổng chi phí hoạt động và 40% tổng chi phí hàng năm. Đây là mức khá cao so với các hình thức nuôi trồng thủy sản khác và các nhà quản lý aquaponics tiềm năng phải chắc chắn có đủ nguồn lao động để đáp ứng các nhu cầu này.

Tuy còn nhiều thách thức đang còn tồn đọng và đồng thời là những cản trở lớn cho việc thương mại hóa nuôi tôm Aquaponics, nhưng không thể phủ nhận được những cơ hội trong tương lai khi hoạt động canh tác nông nghiệp ngày càng phải thích ứng được với các xu thế mới.