Phần 1: Việc Sử Dụng Molybdate Trong Giai Đoạn Đầu Phát Triển Của Tôm Có Tác Dụng Ức Chế Sự Hình Thành Sunfua Ở Đáy Ao Tôm

Tóm tắt

Hiện tượng thiếu oxy và sự hình thành sulfua do tích tụ chất thải hữu cơ là những thách thức phổ biến trong các ao nuôi tôm, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng, thậm chí mất trắng vụ nuôi. Mặc dù thời điểm xảy ra các hiện tượng này trong suốt chu kỳ sinh trưởng của tôm vẫn chưa được xác định rõ, việc xác định chính xác thời điểm thiếu oxy và phát sinh sulfua là yếu tố then chốt để triển khai các biện pháp can thiệp phù hợp. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng mô hình ao nuôi tôm thực nghiệm tại các giai đoạn khác nhau của chu kỳ sinh trưởng nhằm xác định thời điểm xuất hiện tình trạng thiếu oxy và quá trình hình thành sulfua. Các phép đo vi mô theo chiều sâu đối với oxy và H₂S được thực hiện bằng điện cực siêu nhỏ, cho phép mô tả sự phân bố của chúng tại các độ sâu khác nhau ở vùng giao diện nước–trầm tích và trong lớp trầm tích. Bên cạnh đó, tiềm năng ức chế sự hình thành H₂S của các nồng độ molybdate khác nhau được đánh giá tại từng giai đoạn nhằm xác định điều kiện tối ưu. Kết quả cho thấy hiện tượng thiếu oxy và sự hình thành sulfua xảy ra vào giữa chu kỳ sinh trưởng của tôm trong mô hình mô phỏng sự tích tụ chất thải. Việc bổ sung molybdate chỉ mang lại hiệu quả trong giai đoạn đầu khi quá trình thiếu oxy và hình thành H₂S mới bắt đầu, đồng thời cần duy trì lượng molybdate dư để đảm bảo sự ức chế liên tục quá trình tạo sulfua. Tuy nhiên, molybdate không có khả năng ngăn chặn tình trạng thiếu oxy cũng như không thúc đẩy sự tái cung cấp oxy cho hệ thống. Tóm lại, molybdate cho thấy tiềm năng là một chiến lược hiệu quả nhằm ức chế sự hình thành H₂S ngay từ giai đoạn khởi phát ở dưới đáy ao tôm.

1. Giới thiệu

Nuôi tôm theo phương thức truyền thống chủ yếu được thực hiện trong các ao đất ngoài trời, trong đó tôm giống thường đạt kích cỡ thu hoạch khoảng 15 g sau khoảng 90 ngày nuôi (Hung & Quy, 2014). Lớp đất đáy ao cùng với các chất hữu cơ hiện có và/hoặc tích tụ từ các chu kỳ nuôi trước đóng vai trò là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu, góp phần tạo môi trường thuận lợi cho sự phát triển của tôm khỏe mạnh và đạt chất lượng cao (Burford et al., 1998). Trong điều kiện nuôi bán thâm canh và thâm canh với mật độ từ 50–300 con/m³, phần lớn nguồn dinh dưỡng được đưa vào ao thông qua thức ăn công nghiệp, làm nổi bật vai trò của thành phần khẩu phần ăn (Shiau, 1998). Do đó, lớp đáy ao trở thành khu vực có hoạt động vi sinh vật rất mạnh, nơi các vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ thành CO₂ và các sản phẩm chuyển hóa khác. Mặc dù đây là quá trình tự nhiên và cũng xảy ra trong các thủy vực tự nhiên, nhưng sự tiêu thụ oxy mạnh mẽ của vi sinh vật hiếu khí có thể dẫn đến lượng oxy hòa tan suy giảm nhanh chóng, cả trong cột nước lẫn trong trầm tích (Avnimelech & Ritvo, 2003). Khi nhu cầu oxy vượt quá khả năng cung cấp, chủ yếu do hoạt động vi sinh vật tăng cao ở đáy ao dưới tác động của sự tích tụ liên tục chất hữu cơ từ thức ăn, có thể hình thành các điều kiện kỵ khí (Dien et al., 2019).

Sự hình thành các điều kiện kỵ khí, khi kết hợp với sự hiện diện của sunfat vốn phổ biến trong môi trường nước mặn nuôi tôm có thể dẫn đến quá trình tạo thành hydro sunfua (H₂S) thông qua hoạt động của vi khuẩn khử sunfat (Avnimelech & Ritvo, 2003; Boyd, 1998; Kannan et al., 2018). Các vi khuẩn khử sunfat kỵ khí bắt buộc này sử dụng nhiều nguồn cho electron khác nhau, bao gồm các hợp chất hữu cơ hoặc hydro, trong khi sunfat (SO₄²⁻) đóng vai trò là chất nhận electron, từ đó tạo ra H₂S (Tang et al., 2009). Trong ao nuôi tôm, H₂S có thể hình thành tại (1) các “vùng chết” trong cột nước, các vùng ít có sự xáo trộn dẫn đến nguồn cung cấp oxy từ đối lưu tự nhiên không đủ hoặc (2) trong lớp trầm tích đáy ao. Khí H₂S sinh ra có độc tính cao đối với tôm sống ở đáy ao, có thể gây chết ngay cả ở nồng độ rất thấp, chỉ khoảng 0,02 mg/L trong nước đối với tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) (US-EPA, 2011, tr. 64022–64037). Bên cạnh tác động gây chết, H₂S còn gây ra các ảnh hưởng không làm tôm chết ở nồng độ thấp bao gồm làm giảm sức đề kháng, kích ứng các mô mềm, thành ruột và dạ dày, cũng như gây ra các hành vi bất thường ở tôm (Panakorn, 2016; Suo et al., 2017; Vismann, 1996). Do đó, sự hình thành H₂S được xem là một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn đến thất bại trong thu hoạch tôm, cho thấy nhu cầu cấp thiết phải có các giải pháp kiểm soát mang tính mục tiêu. Tuy nhiên, thời điểm áp dụng các giải pháp này rấtt quan trọng, trong khi giai đoạn cụ thể của chu kỳ nuôi tôm xảy ra hiện tượng thiếu oxy và sự hình thành H₂S ở đáy ao vẫn chưa được xác định rõ ràng.

Trong những năm gần đây, nhiều chiến lược đã được đề xuất nhằm kiểm soát độc tính của H₂S trong ao nuôi tôm. Tuy nhiên, vi khuẩn khử sunfat có khả năng sinh trưởng trong khoảng pH rất rộng (4,5–9,2) và nhiệt độ từ 3 đến 70 °C (Tang et al., 2009), khiến các biện pháp điều chỉnh pH hoặc nhiệt độ trong giới hạn phù hợp cho nuôi tôm không thực tế và khó đạt hiệu quả. Việc bổ sung nitrat được xem là một giải pháp thay thế để hạn chế sự hình thành H₂S trong ao nuôi. Nitrat tạo điều kiện cho vi khuẩn khử nitrat cạnh tranh với vi khuẩn khử sunfat trong việc sử dụng nguồn carbon sẵn có, từ đó làm giảm quá trình sinh H₂S (Schwermer et al., 2010; Torun et al., 2020). Tuy nhiên, chiến lược này tiềm ẩn nhiều rủi ro, do nitrat có thể gây tác động tiêu cực trực tiếp thông qua sự hình thành các chất trung gian độc hại như nitrit (Ciji & Akhtar, 2020), hoặc gián tiếp bằng cách kích thích sự bùng phát của tảo hoặc vi khuẩn lam độc hại (Alonso-Rodríguez & Páez-Osuna, 2003), từ đó gây hại cho tôm nuôi. Ngoài ra, hiệu quả ức chế H₂S của nitrat chỉ mang tính tạm thời, bởi khi nguồn nitrat bị cạn kiệt, quá trình khử sunfat và sự sản sinh H₂S có thể nhanh chóng được khôi phục (Schwermer et al., 2010; Torun et al., 2020).

Một trong những chiến lược trực tiếp nhằm ức chế hoạt động của vi khuẩn khử sunfat là sử dụng molybdat (MoO₄²⁻) – một chất tương tự sunfat có khả năng can thiệp và ức chế quá trình trao đổi chất khử sunfat của vi sinh vật, từ đó làm giảm sự hình thành H₂S (Nemati et al., 2001; Predicala et al., 2008). Gần đây, các nghiên cứu của chúng tôi cho thấy molybdat có thể được ứng dụng hiệu quả để ngăn chặn sự hình thành H₂S ở đáy ao nuôi tôm, cả trong ngắn hạn (Torun et al., 2022) lẫn trong suốt chu kỳ nuôi (Torun et al., 2024). Tuy nhiên, do quá trình khử sunfat phụ thuộc chặt chẽ vào nguồn chất hữu cơ sẵn có cho vi khuẩn khử sunfat, mối quan hệ giữa hàm lượng chất hữu cơ, nồng độ molybdat cần thiết và thời điểm bổ sung thích hợp trong suốt quá trình nuôi tôm nhằm ức chế hiệu quả sự hình thành H₂S ở đáy ao vẫn chưa được làm rõ. Đây hiện vẫn là một khoảng trống kiến thức quan trọng cần được giải quyết để hướng tới việc kiểm soát thành công sự hình thành H₂S trong ao nuôi tôm.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một hệ thống thí nghiệm mô phỏng đáy ao nuôi tôm nhằm khảo sát hai mục tiêu chính. Thứ nhất, nghiên cứu tập trung xác định thời điểm trong chu kỳ nuôi tôm bắt đầu xảy ra hiện tượng suy giảm oxy và sự hình thành H₂S trong môi trường nước ao. Thứ hai, nghiên cứu đánh giá hiệu quả ức chế của molybdate đối với quá trình khử sulfat, trong mối liên hệ với các mức độ tích tụ chất thải hữu cơ khác nhau, đại diện cho các giai đoạn khác nhau của quá trình nuôi tôm. Giả thuyết chính của nghiên cứu cho rằng molybdate có thể được áp dụng như một biện pháp can thiệp có mục tiêu, nhằm hạn chế sự hình thành sunfua ở đáy ao nuôi tôm khi được sử dụng đúng thời điểm trong chu kỳ nuôi.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Lấy mẫu và lưu trữ

2.1.1. Lấy mẫu và chuẩn bị trầm tích

Các mẫu trầm tích sử dụng trong các thí nghiệm được thu thập tại Khu bảo tồn thiên nhiên Ijzermonding (Nieuwpoort, Bỉ), từ một con lạch chịu ảnh hưởng thường xuyên của thủy triều (51°8′45″B; 2°44′38″Đ). Trầm tích được lấy trực tiếp từ lạch bằng xẻng và vận chuyển về phòng thí nghiệm trong các thùng nhựa kín. Trước khi tiến hành thí nghiệm, trầm tích được xử lý sơ bộ bằng cách sấy khô và thông gió ở 28 °C trong vòng một tuần, theo phương pháp đã được mô tả bởi Torun và cộng sự (2022). Nhằm tránh làm hư hại các thiết bị vi mô nhạy cảm và loại bỏ các sinh vật đào hang có kích thước lớn, trầm tích sau xử lý sơ bộ được sàng qua rây 1 mm và bảo quản ở 4°C cho đến khi sử dụng. Giá trị pH và độ dẫn điện của trầm tích được xác định theo quy trình tiêu chuẩn áp dụng cho trầm tích ao nuôi trồng thủy sản (Thunjai và cộng sự, 2001). Cụ thể, trầm tích được sấy khô ở 105°C, nghiền mịn và sàng qua rây 1 mm, sau đó pha loãng với nước cất theo tỷ lệ 1:2 (trầm tích:nước cất). Các đặc tính chính của trầm tích đã được mô tả chi tiết trong nghiên cứu trước đó (Torun và cộng sự, 2022) và được trình bày trong Bảng S1.

2.1.2. Thu gom và bảo quản thức ăn và phân

Phân tôm được thu thập trực tiếp từ cửa xả của bể nuôi tôm Litopenaeus vannamei ở giai đoạn hậu ấu trùng, sử dụng thức ăn CreveTec Grower 2 (CreveTec, Ternat, Bỉ), tại cơ sở của Trung tâm Tham khảo Nuôi trồng Thủy sản và Artemia, Đại học Ghent, Bỉ. Trong mỗi chu kỳ thí nghiệm, phân tôm được thu thập mới nhằm hạn chế sự phân hủy chất hữu cơ trong quá trình lưu trữ. Các chỉ tiêu pH, độ dẫn điện và hàm lượng chất rắn tổng (TS) của mẫu phân được xác định ngay khi mẫu được chuyển về phòng thí nghiệm. Thức ăn CreveTec Grower 2 được sử dụng làm nguồn bổ sung trong thí nghiệm và được bảo quản ở –20°C cho đến khi sử dụng.

2.2. Thiết lập và vận hành thí nghiệm

Một hệ thống thí nghiệm đã được thiết lập nhằm mô phỏng максимально (ở mức cao nhất có thể) các điều kiện của trầm tích đáy ao nuôi tôm (Hình S1). Để đảm bảo khả năng kiểm soát các yếu tố thí nghiệm, hệ thống không sử dụng tôm, qua đó tập trung phân tích các quá trình vi sinh vật liên quan đến sự hình thành H₂S. Toàn bộ thí nghiệm được tiến hành trên mô hình đáy ao đơn giản này. Trầm tích đã chuẩn bị (mục 2.1.1) được đưa vào các cốc thủy tinh dung tích 250 mL (đường kính ngoài 70 mm), với độ dày lớp trầm tích 3,5 cm, tương ứng với 100 g trầm tích cho mỗi cốc, nhằm mô phỏng đáy ao đất. Phía trên lớp trầm tích là 5 cm nước biển nhân tạo (Instant Ocean, Aquarium Systems, Mentor, OH, USA). Độ mặn của nước biển nhân tạo được điều chỉnh ở mức 20 g/L, đại diện cho khoảng độ mặn phổ biến trong ao nuôi tôm (15–25 g/L). Để hạn chế sự bay hơi quá mức, tất cả các cốc thí nghiệm được đặt trong một hộp nhựa lớn, trong suốt, có nắp không kín khí và được đậy kín trong suốt thời gian thí nghiệm cho đến khi tiến hành các phép đo vi mô theo chiều sâu hoặc đo cột nước. Cách bố trí này giúp giảm thiểu hiện tượng bay hơi xuống mức không đáng kể, đồng thời vẫn đảm bảo sự cung cấp oxy cho hệ thống. Thí nghiệm được duy trì dưới chế độ chiếu sáng huỳnh quang với chu kỳ 12 giờ sáng/12 giờ tối và không sử dụng sục khí chủ động. Để giảm chênh lệch nhiệt độ tại vùng tiếp giáp trầm tích–nước, hệ thống trầm tích và lớp nước phía trên được giữ trong phòng kiểm soát nhiệt độ ở mức 28 ± 1 °C trong vòng 24 giờ sau khi bổ sung trầm tích và nước, trước khi thêm chất thải (thức ăn và phân) vào ngày kế tiếp. Việc xác định lượng chất thải bổ sung dựa trên mật độ nuôi bán thâm canh 50 con tôm/m². Theo đó, khoảng 25% tổng lượng thức ăn đưa vào được giả định là tích tụ ở đáy ao, trong đó 15% là thức ăn đã tiêu hóa (phân) và 10% là thức ăn dư thừa chưa được tiêu thụ (Bảng S2). Ngày bổ sung chất thải được xác định là ngày 0 của thí nghiệm. Tất cả các thí nghiệm được tiến hành trong cùng một phòng có kiểm soát nhiệt độ ở mức 28 ± 1 °C. Tổng cộng, hai bộ thí nghiệm đã được thực hiện trong nghiên cứu này.

2.2.1. Thí nghiệm 1: Xác định thời điểm bắt đầu cạn kiệt oxy và sản sinh H₂S

Trong thí nghiệm đầu tiên, sử dụng mô hình ao nuôi tôm đã được thiết lập, nghiên cứu nhằm xác định thời điểm trong chu kỳ nuôi mà hiện tượng thiếu oxy và hình thành H₂S xảy ra, tương ứng với mức độ tích lũy chất thải hữu cơ. Chu kỳ nuôi kéo dài 90 ngày được chia thành các giai đoạn 15 ngày (Bảng S3), tạo thành bảy nghiệm thức khác nhau. Mỗi nghiệm thức được lặp lại ba lần độc lập về mặt sinh học, đại diện cho các giai đoạn cụ thể trong quá trình nuôi, được ký hiệu theo ngày nuôi (DOC): DOC0 (đối chứng), DOC15, DOC30, DOC45, DOC60, DOC75 và DOC90. Ở mỗi nghiệm thức, tổng lượng chất thải tích lũy của chu kỳ nuôi tương ứng được bổ sung vào hệ thống dưới dạng thức ăn và phân, theo mô tả trong Bảng S2 và S3. Các hồ sơ vi mô theo chiều sâu của O₂, H₂S và pH tại vùng tiếp giáp nước–trầm tích cũng như trong lớp trầm tích được đo vào các ngày 0, 1, 2, 3, 5 và 7 của thí nghiệm.

2.2.2. Thí nghiệm 2: Xử lý bằng molybdate ở các giai đoạn khác nhau của quá trình nuôi tôm

Trong thí nghiệm thứ hai, nghiên cứu tập trung đánh giá tác động của việc bổ sung molybdate lên quá trình hình thành H₂S dưới các mức tải lượng chất thải hữu cơ khác nhau, đại diện cho các giai đoạn nuôi tôm khác nhau, được biểu thị thông qua nồng độ DOC. Bốn nghiệm thức được bố trí, bao gồm: DOC90 kết hợp với 50 mg/L Na₂MoO₄·2H₂O; DOC90 kết hợp với 25 mg/L Na₂MoO₄·2H₂O; DOC60 kết hợp với 50 mg/L Na₂MoO₄·2H₂O; và DOC45 kết hợp với 25 mg/L Na₂MoO₄·2H₂O. Molybdate được bổ sung một lần duy nhất ngay từ thời điểm bắt đầu thí nghiệm. Việc lựa chọn nồng độ Na₂MoO₄·2H₂O dựa trên các nghiên cứu trước đây (Torun et al., 2022), trong khi các mức DOC được xác định dựa trên kết quả của thí nghiệm thứ nhất.

Để bổ sung natri molybdat ở nồng độ phù hợp, một dung dịch gốc Na₂MoO₄·2H₂O với nồng độ 1 g/L được chuẩn bị bằng cách hòa tan natri molybdat (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, Hoa Kỳ) trong dung dịch nước biển hòa tan nhanh có độ mặn 20 g/L. Tất cả các thí nghiệm đều được tiến hành song song với nghiệm thức đối chứng tương ứng (không bổ sung molybdat) và được thực hiện với sáu lần lặp sinh học trong thời gian 10 ngày. Nồng độ O₂, H₂S và giá trị pH được đo trong cột nước, tại vị trí cách mặt phân cách nước–trầm tích khoảng 1 cm, vào các ngày 0, 2, 4, 7 và 10. Các phép đo tổng thể trong cột nước, thay vì trong trầm tích, được lựa chọn nhằm tập trung đánh giá nồng độ H₂S trong cột nước, vốn là mối nguy chính đối với tôm sinh sống ở đáy ao. Sau mỗi lần đo bằng điện cực vi mô (ngoại trừ ngày 0), một mẫu từ nghiệm thức đối chứng và một mẫu từ nghiệm thức xử lý được thu thập để lấy mẫu nước phục vụ phân tích nồng độ molybdat và sulfat. Việc lấy mẫu theo phương pháp hy sinh được áp dụng nhằm tránh gây xáo trộn tại giao diện nước–trầm tích trong quá trình lấy mẫu. Các mẫu nước sau đó được lọc qua màng lọc Chromafil® Xtra 0,20 μm (Macherey-Nagel, PA, Hoa Kỳ) và bảo quản ở 4°C cho đến khi tiến hành phân tích nồng độ sulfat và molybdat.

2.3. Đo lường bằng vi điện cực

Các hồ sơ vi mô theo chiều sâu của O₂, H₂S và pH được thu thập bằng các điện cực vi mô thương mại do Unisense AS (Đan Mạch) sản xuất. Các điện cực này có kích thước đầu dò lần lượt là 200 μm đối với pH, 100 μm đối với H₂S và 50 μm đối với O₂, và được vận hành thông qua hệ thống điều khiển vi mô có động cơ của cùng nhà sản xuất. Các phép đo oxy được thực hiện riêng lẻ với độ phân giải 500 μm, trong khi các thông số pH và H₂S được ghi nhận đồng thời với độ phân giải 200 μm tại vùng tiếp giáp nước–trầm tích và xuyên sâu vào các lớp trầm tích bên dưới. Việc hiệu chuẩn các cảm biến được tiến hành theo các quy trình chuẩn đã được công bố (Malkin et al., 2014). Cụ thể, cảm biến O₂ được hiệu chuẩn theo đường chuẩn hai điểm, sử dụng nước biển bão hòa oxy (sục khí 100%) ở 28°C để xác định nồng độ oxy hòa tan cực đại và nước biển được sục khí argon để xác định nồng độ oxy bằng không. Cảm biến H₂S được hiệu chuẩn bằng đường chuẩn 3–5 điểm với dung dịch Na₂S, trong khi cảm biến pH được hiệu chuẩn theo phương pháp hai điểm, sử dụng các dung dịch đệm pH thương mại (Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Đức) tại pH 4 và pH 7.

Đối với các thí nghiệm xử lý bằng molybdate (thí nghiệm 2), các điện cực siêu nhỏ được sử dụng thủ công để đo O₂, H₂S và pH ở độ cao khoảng 1 cm phía trên bề mặt trầm tích, đảm bảo sự biến động tối thiểu trong các phép đo lặp lại các thông số cột nước.

2.4. Kỹ thuật phân tích

Tổng chất rắn hòa tan (TS) được xác định theo các quy trình quy định trong Phương pháp Chuẩn (Greenberg và cs., 1992). Giá trị pH của mẫu nước và lớp trầm tích bề mặt được đo bằng máy đo pH để bàn (Metrohm, Herisau, Thụy Sĩ), sau khi hiệu chuẩn bằng các dung dịch đệm chuẩn ở pH 4 và 7. Độ dẫn điện được xác định bằng điện cực đo độ dẫn (Consort C532, Turnhout, Bỉ), với thiết bị được hiệu chuẩn bằng các dung dịch chuẩn KCl ở nồng độ 0,01; 0,1 và 1 M. Nồng độ sulfate (SO₄²⁻) được phân tích bằng hệ thống sắc ký ion (930 Compact IC Flex, Metrohm, Herisau, Thụy Sĩ), sử dụng cột Metrosep A Supp 5–150/4.0 kết hợp với đầu dò dẫn điện, sau khi mẫu được pha loãng theo tỷ lệ 1:50 bằng nước siêu tinh khiết (Milli-Q, Millipore Corporation, Burlington, MA, Hoa Kỳ). Giới hạn phát hiện của phương pháp nằm trong khoảng từ 0,05 đến 200 mg SO₄²⁻/ L. Nồng độ molybdate được xác định bằng bộ kit thương mại (Hach, model Mo-2, Hoa Kỳ), dựa trên phương pháp tạo màu với axit mercaptoacetic để xác định molypden (Will & Yoe, 1953), chuyên biệt cho dạng Mo⁶⁺. Đường chuẩn được xây dựng từ các dung dịch chuẩn có nồng độ 0, 5, 10, 25 và 50 mg/ L Na₂MoO₄·2H₂O, đo ở bước sóng 425 nm bằng máy quang phổ UV–Vis (WPA Lightwave II, Thermo Fisher Scientific, Hoa Kỳ).

… Còn tiếp …

Theo Funda Torun, Feyzâ Matisli, Barbara Hostins, Peter De Schryver, Nico Boon, Jo De Vrieze

Nguồn: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468550X25001443

Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Tôm Giống Gia Hoá Bình Minh

Xem thêm:

Kỹ Thuật Nuôi, Tin Tức