English
中文 (中国)
Nghiên cứu chứng minh mối quan hệ tích cực mạnh mẽ giữa tổng chất rắn lơ lửng và độ đục trong tất cả các môi trường biofloc được đánh giá
Nghiên cứu đánh giá việc ước tính tổng chất rắn lơ lửng (TSS) theo thể tích floc và độ đục trong các hệ thống biofloc khác nhau, bao gồm các hệ thống ưu thế quang tự dưỡng, dị dưỡng và hóa tự dưỡng. Kết quả chứng minh mối quan hệ tích cực mạnh mẽ giữa tổng chất rắn lơ lửng và độ đục trong tất cả các phương pháp xử lý biofloc được đánh giá và khuyến nghị ước tính giá trị TSS dựa trên độ đục, vì đây là đơn vị đo lường nhanh chóng, dễ dàng và thiết thực để phân tích trong suốt chu kỳ sản xuất.
Công nghệ biofloc (BFT) đã được áp dụng trong nuôi trồng thủy sản để phát triển các nền văn hóa bền vững hơn với việc trao đổi nước tối thiểu hoặc không trao đổi nước và tăng mật độ thả giống dựa trên việc điều chỉnh tỷ lệ carbon-nitơ trong nước. Biofloc được hình thành bằng cách kết tụ các hạt thứuc ăn thừa và một số loại vi sinh vật có trong nước, chẳng hạn như cộng đồng vi khuẩn, động vật nguyên sinh, vi tảo và nấm, trong số những loại khác. Việc áp dụng công nghệ này có thể thúc đẩy việc tái sử dụng các hợp chất nitơ để tạo thành các tập hợp vi khuẩn giàu protein, với quá trình sục khí liên tục và mức oxy hòa tan thích hợp, có thể được các sinh vật nuôi như tôm và cá tiêu thụ.
Hình 1: Các loại biofloc khác nhau với ưu thế dị dưỡng (a), quang tự dưỡng (b) và hóa tự dưỡng (c) được áp dụng cho nuôi tôm thẻ chân trắng Penaeus vannamei.
Việc tăng cường sản xuất liên quan đến sự phát triển liên tục của sinh khối vi khuẩn và việc không thay nước có thể tạo ra sự gia tăng vật chất hữu cơ dưới dạng chất rắn lơ lửng, tạo nên biofloc trong các bể nuôi trong suốt chu kỳ sản xuất dưới dạng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và chất rắn lắng (SS). Sự gia tăng liên tục của biofloc trong suốt quá trình nuôi có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng, chẳng hạn như sự gia tăng đột biến về tốc độ hô hấp gây ra sự sụt giảm nồng độ oxy hòa tan, nhiễm trùng do vi khuẩn gây bệnh, tắc nghẽn mang, tích tụ vật chất hữu cơ ở đáy với sự hình thành các vùng thiếu oxy và giảm tỷ lệ sống. Do đó, chất rắn phải được theo dõi và quản lý để đảm bảo hệ thống sản xuất BFT hoạt động bình thường.
Trong các hệ thống BFT có ba con đường (Hình 1) để tái chế nitơ: quang tự dưỡng (sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp chất hữu cơ), dị dưỡng (sử dụng nhiều nguồn cacbon hữu cơ khác nhau) và hóa tự dưỡng (sử dụng các phản ứng hóa học để tạo ra năng lượng sinh học). Phần lớn các hệ thống nuôi biofloc thâm canh ngoài trời hoạt động theo cơ chế quang tự dưỡng do tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, một số hệ thống, thường là siêu thâm canh, được lắp đặt trong nhà hoặc có mái che, có nước màu nâu chiếm ưu thế, chủ yếu là dị dưỡng và/hoặc hóa tự dưỡng. Trong các hệ thống nuôi cấy này, các quá trình chủ yếu là vi khuẩn duy trì chất lượng nước.
Trong ba loại biofloc này, các hệ thống do vi tảo chi phối gặp nhiều khó khăn hơn trong quá trình lắng đọng và nén chặt chất rắn trong nón Imhoff, so với các hệ thống do vi khuẩn chi phối (Hình 2). Một số yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng trong hệ thống quang tự dưỡng chủ yếu như thực hiện phân tích nón Imhoff tiếp xúc với bức xạ mặt trời mạnh, cũng như thành phần của vi tảo.
Đo lường chất rắn
Hình 2: Phân tích thể tích floc trong hệ thống quang tự dưỡng chủ yếu. Lưu ý rằng hệ thống do vi tảo chiếm ưu thế không lắng đọng đúng cách trong nón Imhoff.
Có một số cách để đo lượng chất rắn có trong hệ thống biofloc bằng các phương pháp khác nhau với các nguyên tắc phân tích khác nhau. Các phương pháp này bao gồm (1) sử dụng nón Imhoff để xác định SS hoặc thể tích floc (FV), đây là phưogn pháp nhanh và dễ thực hiện bằng cách quan sát quá trình lắng đọng biofloc trong 10 đến 30 phút; (2) phương pháp trọng lượng sử dụng bộ lọc sợi thủy tinh để phân tích TSS, lọc mẫu và sau đó sấy khô bộ lọc này trong lò; và (3) phân tích độ đục, đánh giá lượng hạt lơ lửng trong nước thông qua độ trong suốt và sử dụng máy đo độ đục.
Nồng độ chất rắn tối đa trong nuôi tôm thẻ chân trắng Penaeus vannamei nên duy trì 600 mg/L TSS. Nồng độ chất rắn có thể được kiểm soát bằng cách thay nước hoặc sử dụng bể lắng để loại bỏ các hạt dư thừa, giúp duy trì chất lượng nước.
Phương pháp đo TSS tốn kém hơn do chi phí cho bộ lọc và thiết bị. Ngoài ra, cần nhiều thời gian để thực hiện chính xác phân tích. Do chi phí phân tích TSS cao hơn khi sử dụng phương pháp trọng lượng, nên ước tính lượng TSS trong bể nuôi theo giá trị độ đục hoặc FV bằng cách sử dụng các công thức toán học. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các phương pháp phân tích khác nhau như TSS và FV có thể không thể hiện mối quan hệ chặt chẽ vì khi nồng độ TSS tăng, FV có thể dao động trong hình nón Imhoff. Điều này xảy ra do thành phần của các vi sinh vật hình thành biofloc và các yếu tố khác, bao gồm nhiệt độ và hệ thống sục khí. Do đó, việc ước tính TSS theo giá trị FV để đưa ra quyết định thực hiện kiểm soát chất rắn phải được phân tích kỹ lưỡng để chính xác hơn. Ngược lại, độ đục có mối tương quan mạnh với TSS, giúp việc ước tính TSS dựa trên độ đục trở nên đáng tin cậy hơn.
Quang cảnh các bể thử nghiệm.
Để ước tính nồng độ TSS theo hàm số FV và độ đục trong các loại biofloc khác nhau và tìm kiếm các phương án thay thế để tối ưu hóa phương pháp luận của các phân tích này, nghiên cứu này nhằm thực hiện phân tích tương quan và hồi quy để xác định sự phù hợp tốt nhất (> R2) giữa các giá trị TSS có FV và độ đục trong biofloc có ưu thế quang tự dưỡng, dị dưỡng và hóa tự dưỡng, trong các phạm vi TSS khác nhau.
Các tác giả xin cảm ơn Cơ quan điều phối cải thiện nhân sự giáo dục đại học (CAPES), Hội đồng quốc gia về phát triển khoa học và công nghệ (CNPq, 307741/2022-2) và Quỹ hỗ trợ nghiên cứu Rio Grande do Sul (FAPERGS, dự án 150403/2024-0) đã hỗ trợ tài chính.
Thiết lập nghiên cứu
Chúng tôi đã tiến hành một nghiên cứu kéo dài 70 ngày với tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) trong hệ thống biofloc sử dụng các bể hình chữ nhật 140 lít đặt trong nhà kính tại Trạm nuôi trồng thủy sản biển (EMA), Viện Hải dương học của Đại học Liên bang Rio Grande (RS) ở Brazil. Thí nghiệm bao gồm ba nghiệm thức với bốn lần lặp lại cho mỗi phương pháp, đó là: 1) Ưu thế quang tự dưỡng; 2) Ưu thế dị dưỡng; và 3) Ưu thế hóa tự dưỡng. Các bể dị dưỡng và hóa tự dưỡng được phủ bằng 80% vải che nắng để giảm bớt ánh sáng mặt trời, trong khi các bể quang tự dưỡng được tiếp xúc với bức xạ mặt trời vào ban ngày để vi tảo phát triển. Mỗi bể có một hệ thống sục khí với các ống siêu nhỏ có lỗ (Aero-Tube®) được gắn vào một máy thổi khí thông qua các ống PVC. Tôm thẻ chân trắng con có trọng lượng trung bình mỗi con là 1,17 ± 0,55g được thả với mật độ 500 con/m3.
Nồng độ TSS ban đầu được tiêm vào lúc bắt đầu thí nghiệm là khoảng 100 mg/L. TSS tăng lên trong suốt thời gian thí nghiệm, cho đến khi đạt nồng độ tối đa đã thiết lập là 600 mg/L. Các phạm vi được thiết lập để thực hiện phân tích TSS nhằm tương quan chúng với FV và độ đục là 50–100, 300–350 và 550–600 mg/L, tương ứng với thời điểm bắt đầu, giữa và cuối của nghiên cứu này. Thời gian lắng của phân tích hình nón Imhoff để xác định FV là từ 10 đến 20 phút đối với xử lý với ưu thế dị dưỡng và hóa tự dưỡng, và từ 10 đến 30 phút đối với xử lý với ưu thế quang tự dưỡng.
Kết quả và thảo luận
Hình 3: Mối quan hệ giữa tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và thể tích bông bùn (FV) trong một nghiên cứu với tôm thẻ chân trắng Penaeus vannamei được nuôi trong 70 ngày trong các hạt biofloc có ưu thế quang tự dưỡng (a), dị dưỡng (b) và hóa tự dưỡng (c), với đường thẳng được xác định bằng hồi quy đa thức bậc hai. R2 là hệ số xác định.
Hệ số tương quan (R) xác định hướng và cường độ của mối quan hệ giữa hai biến và giá trị của nó luôn nằm trong khoảng từ -1 đến +1. Giá trị R gần hoặc bằng ± 0,3 biểu thị mối tương quan yếu, giá trị R gần hoặc bằng ± 0,5 biểu thị mối tương quan vừa phải và giá trị R bằng hoặc lớn hơn 0,7 biểu thị mối tương quan mạnh. Bình phương hệ số tương quan sẽ cho giá trị hệ số xác định (R2), đây là thước đo được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mối quan hệ giữa hai biến ngoài việc giải thích tỷ lệ phương sai trong biến phụ thuộc được ước tính hoặc giải thích bởi biến độc lập bằng cách sử dụng phân tích hồi quy để xác định sự phù hợp nhất (> R2).
Trong nghiên cứu này, kết quả chứng minh rằng mối tương quan giữa TSS và độ đục thể hiện các giá trị R2 = 0,9792 (ưu thế quang tự dưỡng), R2 = 0,9799 (ưu thế dị dưỡng) và R2 = 0,9847 (ưu thế hóa tự dưỡng), với mối quan hệ tích cực mạnh trong tất cả các phương pháp xử lý. Phân tích tương quan giữa TSS và FV cho thấy các giá trị R2 dao động từ 0,8309 đến 0,9936 trong tất cả các nghiệm thức (Hình 3), cũng có mối quan hệ tích cực mạnh. Mặc dù vậy, trong nghiệm thức ưu thế dị dưỡng (Hình 3b), mối quan hệ giữa TSS và FV cho thấy giá trị R2 thấp nhất so với các nghiệm thức khác. Điều này có thể là do sự dao động của thể tích floc, FV, trong nón Imhoff.
Trong hệ thống có ưu thế dị dưỡng, chúng tôi quan sát thấy rằng từ 350 mg/L TSS, chất rắn có tốc độ tăng nhanh, chuyển thành dạng keo và có các hạt lớn hơn trong quá trình lắng đọng trong nón Imhoff. Phân tích tương quan giữa TSS và FV trong hệ thống có ưu thế dị dưỡng có thể bị ảnh hưởng tiêu cực bởi một số yếu tố như sự hiện diện của vi khuẩn dạng sợi xuất hiện trong chu kỳ sản xuất. Các yếu tố góp phần vào sự xuất hiện của vi sinh vật dạng sợi có thể liên quan đến điều kiện căng thẳng, mức oxy hòa tan thấp, khả năng cung cấp thức ăn thấp và thiếu nitơ, gây ra sự hình thành các tập hợp lớn có hình dạng không đều. Sự phát triển quá mức của các vi sinh vật dạng sợi này làm khó quá trình lắng đọng chất rắn trong nón Imhoff.
Trong hệ thống ưu thế quang tự dưỡng, khi phân tích FV được thực hiện khi có bức xạ mặt trời, quá trình lắng đọng và nén chặt biofloc trong nón Imhoff sẽ bị ngăn chặn. Trong nghiên cứu này, mối quan hệ tích cực mạnh mẽ được quan sát thấy giữa TSS và FV trong hệ thống ưu thế quang tự dưỡng là có thể vì các đơn vị thí nghiệm được lắp đặt trong nhà kính và nơi thực hiện phân tích nón Imhoff được che bóng bằng tấm bạt nhựa màu đen để ngăn chặn ảnh hưởng của cường độ ánh sáng, giúp ích cho quá trình lắng đọng biofloc.
TSS có mối tương quan mạnh với độ đục vì khi nồng độ TSS tăng, giá trị độ đục cũng tăng, dẫn đến mối quan hệ chặt chẽ. Không quan sát thấy ảnh hưởng tiêu cực của vi sinh vật dạng sợi đến phân tích độ đục.
Bảng 1: Phương trình của đường hồi quy đa thức bậc hai để ước tính tổng chất rắn lơ lửng (TSS) theo hàm số của thể tích floc (FV) và độ đục trong một nghiên cứu với tôm thẻ chân trắng Penaeus vannamei được nuôi trong 70 ngày trong các biofloc có ưu thế quang tự dưỡng, dị dưỡng và hóa tự dưỡng. #Sai số chuẩn của giá trị TSS, biểu thị khoảng tin cậy được xác định bởi hệ số xác định (R2).
Kết luận
Dựa trên kết quả của nghiên cứu này, chúng tôi khuyến nghị ước tính giá trị TSS theo hàm số của độ đục, vì đây là đơn vị đo nhanh, dễ và thực tế để phân tích trong suốt chu kỳ sản xuất tôm. Để xác định FV của hệ thống quang tự dưỡng chủ yếu, chúng tôi đề xuất tiến hành phân tích nón Imhoff ở nơi không có bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới đang được phát triển bằng cách sử dụng các sản phẩm hóa học được sử dụng để xử lý chất lượng nước và nước thải. Chúng tôi đang đánh giá các sản phẩm này tại EMA để thúc đẩy quá trình lắng đọng các chất rắn của hệ thống biofloc trong nón Imhoff, bất kể thành phần của chúng, để có mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa TSS và FV trong các loại biofloc khác nhau và để có phương pháp dễ dàng, nhanh chóng và hiệu quả để phân tích nón Imhoff.
Theo Magna Santos, Júlio Cesar Zemor, Ivanilson Santos, Wilson Wasielesky
Nguồn: https://www.globalseafood.org/advocate/estimating-total-suspended-solids-in-bioflocs-by-turbidity/
Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Tôm Giống Gia Hoá Bình Minh