Đánh Giá Chất Thải Thức Ăn Thủy Sản: Tác Động Đến Các Hệ Thống Tự Nhiên Và Các Biện Pháp Giảm Thiểu Thực Tế

Tóm tắt

Thành phần thức ăn nuôi trồng thủy sản (thức ăn thủy sản) quyết định chất lượng chất thải từ hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản. Những chất thải này chủ yếu có nguồn gốc từ các hợp chất nitơ và phốt pho, có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước trong hệ thống nuôi và môi trường xung quanh. Tùy thuộc vào loại hệ thống nuôi và phương pháp quản lý được áp dụng, chất thải thức ăn thủy sản có thể ảnh hưởng đến độ pH của nước, độ đục của tảo, nhu cầu oxy sinh học (BOD) và có thể làm cá chết. Chất thải thức ăn thủy sản cũng có thể thúc đẩy quá trình phú dưỡng dẫn đến tảo nở hoa có hại. Hơn nữa, cá không thể giữ lại tất cả thức ăn mà chúng tiêu thụ và một phần thức ăn vẫn chưa được ăn dẫn đến một lượng lớn chất thải thủy sinh. Bài viết này xem xét và thảo luận về các chiến lược dinh dưỡng thực tế và các biện pháp giảm thiểu nhằm giảm chất thải thức ăn thủy sản bao gồm công thức có kiểm soát bằng cách sử dụng nguyên liệu chất lượng cao, thức ăn thủy sản dựa trên enzyme, chế biến, giảm các yếu tố kháng dinh dưỡng và cho ăn chính xác. Bài viết cũng đề xuất các chiến lược nhằm tăng cường khả năng phục hồi của hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản và các biện pháp giảm thiểu nhằm giảm tác động của chất thải thủy sản đến môi trường tự nhiên xung quanh.

1. Giới thiệu

Nuôi trồng thủy sản vẫn là một ngành kinh doanh sinh lợi khi thế giới đang nỗ lực tự cung tự cấp (FAO, 2014). Lĩnh vực này đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu lương thực và dinh dưỡng cho dân số thế giới đang ngày càng gia tăng, từ đó thúc đẩy an ninh lương thực và tăng trưởng kinh tế thông qua các liên kết chuỗi giá trị (Ogello & Munguti, 2016; Obiero và cộng sự, 2019). Tuy nhiên, nuôi trồng thủy sản đặt ra nhiều thách thức về môi trường, thay đổi tùy theo hệ thống sản xuất và có thể dẫn đến dấu chân sinh thái nghiêm trọng, đặc biệt là đối với các hệ thống thâm canh (Alleway và cộng sự, 2019). Do đó, cần phải xây dựng các chiến lược mới để đảm bảo tính bền vững trong sản xuất với tác động tiêu cực tối thiểu đến môi trường (Hasan, 2001; Naylor và cộng sự, 2001). Vì vậy, các doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản phải tập trung vào việc giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả của hệ thống sản xuất và thúc đẩy sự bền vững môi trường (Musyoka và cộng sự, 2019; Waite và cộng sự, 2014).

Trong thập kỷ qua, sản lượng cá ở Kenya đã tăng từ khoảng 5.000 tấn (MT) năm 2009 lên gần 19.000 tấn vào năm 2019 (Hình 1) (KNBS, 2019). Việc thực hiện Chương trình kích thích kinh tế trong giai đoạn 2009-2013 đã thúc đẩy sản xuất cá nuôi và tạo ra nhu cầu về thức ăn công thức cho cá ước tính khoảng 30.000 tấn mà khu vực tư nhân không thể cung cấp đầy đủ và kịp thời (Munguti và cộng sự, 2014). Điều này đã thúc đẩy một số nông dân tự xây ao nuôi, thúc đẩy nhu cầu thức ăn chăn nuôi lên hơn 100.000 tấn (Charo- Karisa & Gichuri, 2010). Sản lượng nuôi trồng thủy sản được tăng dẫn đến nhu cầu đầu vào cao hơn. Điều này làm tăng việc phát sinh chất thải thủy sản từ các hệ thống sản xuất. (Daula và cộng sự, 2019).

Hình 1. Xu hướng sản xuất nuôi trồng thủy sản ở Kenya giai đoạn 2006-2019 (KNBS,2019)

Sản lượng cá ở Kenya không đồng đều. Trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản thâm canh và bán thâm canh tạo ra một lượng lớn chất thải hữu cơ từ thức ăn thừa và phân. Các chất hòa tan hoặc chất bài tiết lại làm tăng nhu cầu oxy hóa học và sinh học (White, 2013). Do đó, hiện tượng phú dưỡng của các vùng nước đóng vai trò quan trọng vì nó thúc đẩy các kỹ thuật nuôi trồng thủy sản bền vững và thân thiện với môi trường. Liệu chất dinh dưỡng có trở thành chất gây ô nhiễm hay không phụ thuộc vào mức độ tập trung và khả năng vận chuyển của hệ sinh thái tiếp nhận. Phốt pho thường là chất dinh dưỡng hạn chế (Hudson và cộng sự, 2000) trong hệ sinh thái nước ngọt, do đó việc bổ sung phốt pho sẽ thúc đẩy sản xuất sơ cấp (tảo phát triển). Ngược lại, nitơ thường là chất dinh dưỡng hạn chế trong môi trường biển (Howarth & Marino, 2006). Bài viết này xem xét các khía cạnh hiện tại của việc nạp và giải phóng chất dinh dưỡng vào thức ăn thủy sản từ các hệ thống nuôi cá khác nhau ở Kenya và đề xuất các cách để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng.

2. Các chất dinh dưỡng chính trong hệ thống nuôi trồng thủy sản thải ra

Trong nuôi trồng thủy sản, thức ăn là nguồn thải hữu cơ chính (Dauda và cộng sự, 2019). Hai loại chất thải chính từ thức ăn cho cá có thể được phân loại thành chất thải rắn và chất thải hòa tan. Chất thải rắn chủ yếu có nguồn gốc từ thức ăn thừa và phân của cá nuôi và xác cá chết (Akinwole và cộng sự, 2016). Chất thải hòa tan được quan tâm chính là các hợp chất Nitơ (N) và Phốt pho (P), là sản phẩm của quá trình chuyển hóa thức ăn ở cá hoặc thức ăn thừa bị phân hủy. Hai yếu tố này (N và P) tạo thành thành phần quan trọng của protein – thành phần chính của thức ăn thủy sản. Olsen và cộng sự (2008) báo cáo rằng N và P không phải là độc tố mà là các nguyên tố sinh học, có khả năng gây hại cho hệ thống tự nhiên chỉ khi nguồn cung cấp vượt quá khả năng đồng hóa của hệ sinh thái xung quanh.

2.1. Nitơ

Protein trong thức ăn cho cá đóng vai trò như con dao hai lưỡi: là thành phần đắt giá nhất nhưng cũng là nguồn gây ô nhiễm nitơ chính trong môi trường nuôi cá. Điều may mắn là cá có thể sử dụng protein rất hiệu quả, sử dụng một lượng lớn protein dễ tiêu hóa để tạo ra năng lượng và một lượng lớn chất chuyển hóa nitơ. Gần 1/3 lượng Nitơ (N) cung cấp trong thức ăn được giữ lại (Jirasek và cộng sự, 2005). Đây là yếu tố không thể thiếu cho sự phát triển của tảo. Một nhược điểm là nồng độ N cao trong nước tự nhiên góp phần gây ra hiện tượng phú dưỡng. Hơn nữa, sau quá trình trao đổi chất, tất cả các axit amin không được giữ lại sẽ được bài tiết ra môi trường dưới dạng hợp chất nitơ vô cơ hòa tan (Li và cộng sự, 2009). Các quá trình biến đổi amoniac thành nitrit và nitrat tiêu thụ oxy, làm cạn kiệt oxy trong môi trường (Coldebella và cộng sự, 2018). Amoniac là loại N chính được bài tiết. Sự bài tiết amoniac cao có thể do lượng protein ăn vào cao hoặc khẩu phần ăn không phù hợp, dẫn đến tổng hợp protein không cân bằng. Mặt khác, chất thải nitơ hòa tan có thể được giảm thiểu bằng cách cân bằng protein và năng lượng, điều này có tác động tích cực đến việc cá sử dụng nguồn phi protein làm năng lượng. Điều này có thể cải thiện khả năng lưu giữ protein trong cá (Keshavanath và cộng sự, 2002), do đó làm giảm chất thải nitơ.

2.2. Phốt pho

Phốt pho (P) là thành phần chính trong axit nucleic và màng tế bào, đồng thời tham gia vào tất cả các phản ứng sản sinh năng lượng của tế bào (NRC, 1993). Phốt pho cũng rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa carbohydrate, lipid và axit amin. Nó cũng hữu ích trong các quá trình trao đổi chất khác liên quan đến chất đệm trong dịch cơ thể. Điều đáng chú ý là thức ăn là nguồn cung cấp phốt phát chính cho cá vì nồng độ phốt phát ở vùng nước tự nhiên thấp (NRC, 1993). Tuy nhiên, khẩu phần ăn phải đáp ứng nhu cầu của cá với nồng độ vừa đủ, vì cá có thể hấp thụ P từ nước nhưng cần bổ sung khẩu phần ăn do nồng độ P trong nước thấp. Vì cá là động vật dạ dày đơn nên việc giữ lại P trong khẩu phần ăn chỉ khoảng 20%, trong khi phần còn lại (68-86%) thường được bài tiết ra ngoài (Crab và cộng sự, 2007; Lazzari & Baldisserotto, 2008).

Sau đó, lượng P dư thừa trong thức ăn thủy sản sẽ dẫn đến lượng P bài tiết cao hơn. Đây là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng trong ao (Jahan và cộng sự, 2003), thường dẫn đến chất lượng nước bị suy giảm ở hạ lưu. Nhu cầu P cần thiết trong khẩu phần ăn để tăng trưởng tối ưu, tận dụng thức ăn và khoáng hóa xương cho cá hồi vân và các loài cá khác nằm trong khoảng từ 0,4 đến 0,8% (Sugiura và cộng sự, 2000; NRC, 1993). Việc lưu giữ phốt pho cũng bị ảnh hưởng bởi tốc độ tăng trưởng. Giá trị cao hơn đạt được khi tăng trưởng tốt (Jahan và cộng sự, 2002). Ở cá, việc bài tiết một lượng P không qua phân là không thể tránh khỏi. Nó xảy ra ngay cả khi không hấp thụ P. Do đó, sự bài tiết P không qua phân không bị ảnh hưởng bởi lượng P ăn vào theo nhu cầu của động vật (Rodehutscord và cộng sự, 2000).

3. Hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản ở Kenya và tiềm năng thải chất dinh dưỡng

Nuôi trồng thủy sản bao gồm việc nuôi và sản xuất cá cũng như các loài động thực vật thủy sinh khác trong điều kiện được kiểm soát. Nhiều loài thủy sản đã được nuôi, bao gồm cá, động vật giáp xác, động vật thân mềm, thực vật thủy sinh và tảo. Các phương pháp sản xuất nuôi trồng thủy sản đã được phát triển ở Kenya và được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện môi trường và khí hậu. 4 loại hệ thống nuôi trồng thủy sản chính là hệ thống nuôi cá quảng canh, hệ thống bán thâm canh và hệ thống thâm canh. Các hệ thống này khác nhau về cách sử dụng nước và đặc tính của các sản phẩm phụ “rác thải” liên quan (Dauda và cộng sự, 2019).

3.1. Nuôi cá quảng canh

Hệ thống này chủ yếu được tiến hành ở các đập và hồ chứa nước. Cá được nuôi ở mật độ thấp trên một khu vực nuôi rộng lớn và được cho ăn bằng các sinh vật tự nhiên, với sự trợ giúp từ việc bón phân trong ao (Ajani và cộng sự, 2011). Cá nuôi phụ thuộc vào năng suất sơ cấp của nước nuôi và không sử dụng thức ăn nhân tạo. Do đó, khả năng thải chất dinh dưỡng ở mức tối thiểu vì không cho cá ăn thức ăn bổ sung.

3.2. Hệ thống bán thâm canh

Nuôi bán thâm canh là hệ thống nuôi chủ yếu ở Kenya và bao gồm các ao đất và ao lót bạt. Trong hệ thống nuôi trồng thủy sản này, chi phí thức ăn thường chiếm khoảng 40 đến 60% chi phí sản xuất (Liti và cộng sự, 2006). Cá được thả với mật độ từ trung bình đến tương đối dày. Họ dựa vào cả nguồn thức ăn từ sản xuất tự nhiên và thức ăn bổ sung (Dauda và cộng sự, 2017).

3.2.1. Nuôi trong ao

Nuôi trong ao là hệ thống nuôi cá truyền thống và phổ biến nhất ở Kenya. Hầu hết người nuôi cá đều thêm phân hữu cơ hoặc phân vô cơ vào ao để tăng nguồn cung cấp thức ăn tự nhiên cho cá, từ đó giảm chi phí sản xuất phát sinh từ việc sử dụng thức ăn bổ sung (Mbugua, 2008). Hơn 90% cá nuôi ở Kenya được nuôi từ ao đất, có diện tích từ 150 đến 500 m² (Ngugi và cộng sự, 2007). Ao phụ thuộc nhiều vào các quá trình tự nhiên bên trong để lọc nước trong hệ thống ao và hầu hết chất thải được giữ lại trong ao, với một số chất thải hữu cơ được khoáng hóa tại chỗ (Verdegem và cộng sự, 2001). Cộng đồng sinh học hoạt động dựa trên các chất thải hòa tan. Điều này cũng giúp ổn định và tái chế chất thải. Amoniac được Nitrobacter và Nitrosomonas chuyển hóa thành nitrat ít độc hơn. Nitrat và phốt phát trong chất thải lần lượt đóng vai trò là chất dinh dưỡng cho thực vật phù du và tảo vĩ mô trong hệ sinh thái ao. Tuy nhiên, khả năng xử lý chất thải của hệ thống ao nuôi còn hạn chế và phụ thuộc trực tiếp vào lượng chất thải được ao tái chế hàng ngày (Tucker và cộng sự, 2001), trong khi chất rắn tích tụ và trải qua quá trình phân hủy vi sinh vật ở đáy ao. Dòng chảy chất dinh dưỡng thường không gây ra vấn đề nghiêm trọng trong mùa sinh trưởng khi lượng xả thải ở mức tối thiểu, nhưng việc thoát nước ao trước vụ thu hoạch hàng năm và trong quá trình thu hoạch có thể làm tăng lượng chất thải, lượng nước vào do xáo trộn trầm tích trong ao. Chất hữu cơ dư thừa trong trầm tích ao và thiếu điều kiện phân hủy có thể gây ra sự mất cân bằng trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Điều này góp phần tích tụ amoniac và nitrit độc hại trong quá trình nuôi (Hargreaves & Tucker, 2004; Durborow và cộng sự, 1997). Ngược lại, trầm tích có thể làm tăng các hợp chất nitơ và phốt phát và làm tăng mức Nhu cầu oxy hóa học (COD). Việc sử dụng ao lắng là một biện pháp hiệu quả để giảm nồng độ của các chất rắn này (Coldebella và cộng sự, 2018). Các ao nhỏ và lớn không có sự khác biệt đáng kể về chất lượng nước thải. Tuy nhiên, các ao cỡ trung bình cho thấy chất lượng nước thải kém (Coldebella và cộng sự, 2018).

3.3. Hệ thống thâm canh

Các hệ thống thâm canh được thực hiện ở Kenya thường bao gồm các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS), mương, lồng và đăng lưới. Mặt khác, các hệ thống thâm canh dựa vào một lượng lớn thức ăn bổ sung hoặc hoàn chỉnh cũng như nguồn cung cấp đầu vào và công nghệ bên ngoài nhằm hướng tới tăng trưởng nhanh (Ajani và cộng sự, 2011; Naylor và cộng sự, 2001). Trong những năm gần đây, hoạt động đánh bắt cá ở Kenya đã chuyển sang các hệ thống nuôi thâm canh. Những thay đổi này liên quan đến việc tăng mật độ nuôi và giảm lượng nước tiêu thụ. Trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản thâm canh tích hợp, lượng chất thải như nitrat và phốt phát có thể giảm nếu nuôi cá với các sinh vật khác, trong khi thực vật được sử dụng làm bộ lọc sinh học, thường chuyển đổi chất dinh dưỡng thải ra thành các sản phẩm có giá trị (Turcios & Papenbrock, 2014). Đáng chú ý, các hệ thống nuôi thâm canh có thể tác động đến môi trường chủ yếu do dư lượng thức ăn thừa và phân do cá thải ra. Những chất thải này là nguồn cung cấp N và P chính và là những chất dinh dưỡng chính gây ra hiện tượng phú dưỡng trong hệ sinh thái nước ngọt.

3.3.1. Mô hình Raceway

Hệ thống này chủ yếu được sử dụng trong sản xuất cá hồi vân (Oncorhynchus mykiss). Tác động tiêu cực tiềm ẩn của nước thải trong mương là do không kiểm soát được chất rắn lơ lửng và chất rắn có thể thải ra từ cơ sở. Mức độ tác động có thể giảm đáng kể bằng cách nâng cao chất lượng thức ăn, cải thiện hiệu quả cho ăn cũng như thu gom và xử lý chất rắn hiệu quả (Hinshaw & Fornshell, 2002).

3.3.2. Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)

Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) thường là hệ thống dựa trên bể chứa trong nhà. Hệ thống đạt được tỷ lệ tái sử dụng nước cao bằng cách lọc cơ học, sinh hóa và các bước xử lý khác. Hệ thống RAS ở Kenya chủ yếu được sử dụng để nuôi cá rô phi sông Nile (Oreochromis niloticus) và cá da trơn châu Phi (Clarius gariepinus). Cá thường được nuôi trong bể trong nhà hoặc trong nhà kính. Hệ thống RAS được thiết kế để giảm thiểu lượng nước sử dụng, kiểm soát các điều kiện nuôi cấy và cho phép quản lý hoàn toàn chất thải. Chúng thường kết hợp các thành phần giúp thu gom và loại bỏ chất thải rắn một cách hiệu quả, sục khí hoặc oxy hóa nước và giảm sự tích tụ các chất chuyển hóa độc hại (Chen và cộng sự, 2002).

3.3.3. Lồng và đăng lưới

Sản xuất tại chỗ các sinh vật thủy sinh nuôi trong lồng kín là một phương pháp tương đối mới trong đổi mới nuôi trồng thủy sản ở Kenya. Sự phát triển nuôi trong lồng tăng lên từ khoảng năm 2013 và hiện đóng vai trò quan trọng trong việc phục hồi nguồn cung cá cho người tiêu dùng thành thị và nông thôn (Aura và cộng sự, 2018; Njiru và cộng sự, 2018). Lồng lưới hoặc đăng lưới nuôi cá với mật độ tương đối dày và thường được đặt ở vùng nước lớn, nơi cá được cho ăn theo khẩu phần ăn theo công thức. Chất thải lắng đọng đi qua đáy lồng và được pha loãng ở vùng nước xung quanh. Thông thường, các chất dinh dưỡng hòa tan được phân tán nhanh chóng và được vi khuẩn, thực vật phù du và động vật phù du sử dụng. Tuy nhiên, việc giải phóng liên tục lượng lớn chất dinh dưỡng có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoa. Ở Kenya, nuôi trong lồng đang phát triển nhanh chóng ở Hồ Victoria, với số lượng lồng cao nhất được báo cáo ở Quận Siaya (Aura và cộng sự, 2018). Tuy nhiên, một nhược điểm của nuôi trong lồng tăng lượng chất dinh dưỡng mất đi từ thức ăn thừa, chất thải và chất bài tiết từ cá nuôi lồng và những tác động tiêu cực có thể xảy ra đối với chất lượng nước, môi trường nước xung quanh và sức khỏe hệ sinh thái (Mente và cộng sự, 2006; Leon, 2006). Chất thải từ thức ăn có thể làm tăng hiện tượng phú dưỡng và tăng cường sự phát triển của tảo, lục bình trong và xung quanh hồ nước ngọt. Gần đây, mặc dù các trường hợp cá chết được cho là do nồng độ oxy hòa tan thấp (< 0,64 mg/L), nhưng số trường hợp cá mắc bệnh gia tăng là dấu hiệu của phương pháp quản lý kém ở người nuôi (Njiru và cộng sự, 2018).

Nuôi trồng hải sản trong lồng biển có liên quan đến sự suy giảm chất lượng nước và hiện tượng phú dưỡng của vùng nước ven biển trong nuôi cá trong lồng, do nước chảy tự do qua lưới. Mặt khác, sự phân bố chất dinh dưỡng bị ảnh hưởng nhiều bởi động lực học của vị trí lồng. Tất cả các chất dinh dưỡng dư thừa được thải ra môi trường, làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng hòa tan trong nước và làm tăng lớp trầm tích bên dưới lồng. Nếu môi trường không thể hấp thụ các chất dinh dưỡng này đủ nhanh, chúng có xu hướng tích tụ, gây ra hiện tượng phú dưỡng và thay đổi độ phong phú của sinh vật đáy cũng như đa dạng sinh học. Chất thải từ thức ăn được sử dụng trong lồng ở Hồ Victoria có liên quan đến hiện tượng phú dưỡng gia tăng và thúc đẩy sự phát triển của tảo và lục bình trong hồ. Ngược lại, Islam (2005) lập luận rằng mặc dù việc tải lượng chất dinh dưỡng vẫn xảy ra ở nuôi lồng nhưng nguyên nhân chính là do mật độ tập trung lồng quá cao chứ không phải do thực hành cho ăn không đúng cách.

4. Các phương pháp giảm thiểu chất dinh dưỡng thải ra môi trường

Hầu hết các hệ thống nuôi trồng thủy sản thâm canh và bán thâm canh đều phụ thuộc rất nhiều vào khẩu phần ăn được xây dựng sẵn. Những nỗ lực nghiên cứu về chiến lược quản lý dinh dưỡng và cho ăn phải đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển bền vững của ngành nuôi trồng thủy sản (Hernandez & Roman, 2016). Một số khuyến nghị và phương pháp tiếp cận nhằm giảm thiểu tác động của hiện tượng phú dưỡng đã được khám phá, bao gồm công thức thức ăn, thực hành quản lý thức ăn, thiết kế hệ thống, lựa chọn địa điểm, xử lý nước thải và thu hồi thức ăn thừa và cá chết. Tuy nhiên, giải pháp chính để quản lý tác động môi trường của nuôi trồng thủy sản nằm ở việc quản lý thức ăn (Turcios & Papenbrock, 2014).

4.1. Chiến lược dinh dưỡng

Có nhiều chiến lược dinh dưỡng để giảm thiểu tác động của chất thải nuôi trồng thủy sản đến môi trường thủy sinh, bao gồm cải tiến, điều chỉnh và xây dựng khẩu phần ăn mà không ảnh hưởng đến tăng trưởng và hiệu quả sản xuất. Điều này liên quan đến việc lựa chọn nguyên liệu thô có khả năng tiêu hóa chất khô cao hoặc sử dụng phụ gia thức ăn để cải thiện khả năng tiêu hóa rõ ràng. Các chiến lược khác bao gồm chế biến nguyên liệu, áp dụng các biện pháp quản lý thức ăn hiệu quả hơn cho các loài cá cụ thể; thu gom thức ăn thừa, chọn lọc các loài và chủng cá có hiệu quả sử dụng thức ăn cao hơn và tận dụng chất dinh dưỡng tốt hơn (Amirkolaie, 2011).

4.1.1. Xây dựng khẩu phần ăn

Mục tiêu chính trong việc xây dựng khẩu phần ăn cho cá là cung cấp hỗn hợp cân bằng dinh dưỡng của các thành phần để hỗ trợ duy trì, tăng trưởng, sinh sản và sức khỏe của chúng với chi phí chấp nhận được và có ảnh hưởng tối thiểu đến chất lượng nước trong hệ thống nuôi (NRC, 1993). Theo Kirimi và cộng sự (2020), chất lượng thức ăn cho cá phụ thuộc vào số lượng axit amin thiết yếu và sự cân bằng giữa các axit amin tương ứng, từ đó quyết định việc sử dụng protein. Việc hấp thụ quá nhiều axit amin có thể gây ra quá trình dị hóa axit amin kèm theo bài tiết amoniac và mất năng lượng. Chất thải nitơ hòa tan có thể được giảm bớt bằng cách đảm bảo sự cân bằng giữa lượng protein ăn vào và việc sử dụng năng lượng. Để giảm sự bài tiết phốt pho trong chăn nuôi, cần xây dựng khẩu phần dựa trên P sẵn có thay vì tổng phốt pho (Lynch & Caffrey, 1997). Thức ăn có đủ hàm lượng P sẵn có làm giảm sự bài tiết và giải phóng phốt pho vào môi trường, giúp cải thiện chất lượng nước. Ô nhiễm nitơ phát sinh từ thức ăn cho cá cũng có thể được giảm bớt bằng cách áp dụng khái niệm protein lý tưởng khi xây dựng công thức thức ăn cho cá. Khái niệm này được phát triển vào cuối những năm 1950 và 1960, khi mục tiêu chính là cung cấp sự kết hợp của các axit amin thiết yếu đáp ứng chính xác nhu cầu của động vật các yêu cầu về tích lũy và duy trì protein đồng thời tránh thiếu hụt hoặc dư thừa (Emmert & Baker, 1997).

Ô nhiễm nitơ từ thức ăn cho cá có thể giảm bằng cách thay thế protein bằng axit amin tổng hợp. Nitơ được cung cấp thông qua hàm lượng protein thô (CP) trong khẩu phần ăn. Khi hàm lượng CP trong khẩu phần ăn tăng lên thì nồng độ N cũng tăng theo. Tuy nhiên, CP không cần thiết đối với cá; thay vào đó, chúng cần axit amin (khối xây dựng của protein) với số lượng và sự kết hợp cụ thể để sản xuất hiệu quả. Giảm hàm lượng CP (N) trong khẩu phần ăn bằng việc bổ sung các axit amin kết tinh là một trong những phương pháp tốt nhất để giảm bài tiết N. Để tránh thất thoát axit amin ở cá do cấu trúc protein không cân bằng, một số tác giả đã theo dõi tác động của việc bổ sung axit amin công nghiệp vào thức ăn (Furuya và cộng sự, 2004; Nunes và cộng sự, 2014). Họ đề xuất bổ sung các chất bổ sung này vì nó có thể đáp ứng các nhu cầu axit amin thiết yếu tốt hơn. Tuy nhiên, việc giảm mạnh lượng protein liên quan đến việc sử dụng axit amin tổng hợp không được khuyến khích vì phải xem xét sự đóng góp N tối thiểu từ protein (Gaye-Siessegger và cộng sự, 2007).

4.1.2. Lựa chọn nguyên liệu phù hợp

Sự phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững chủ yếu phụ thuộc vào việc phát triển các nguồn thức ăn thay thế cho bột cá. Mặt khác, ảnh hưởng của thức ăn bổ sung cho cá đến chất lượng nước thải phụ thuộc vào thành phần và đặc tính vật lý của thức ăn được sử dụng (Hlavac và cộng sự, 2014). Việc sử dụng thức ăn có khả năng tiêu hóa cao đã làm giảm lượng chất thải rắn. Hơn nữa, việc giảm có thể đạt được thông qua việc lựa chọn cẩn thận các thành phần được sử dụng. Việc lựa chọn các thành phần thích hợp được sử dụng chủ yếu để đạt được mức giảm tải lượng (P) và (N) (Jahan và cộng sự, 2003). Việc sử dụng nhiều nguyên liệu có thể cung cấp đủ lượng axit amin ngay cả khi hàm lượng bột cá thấp hơn. Việc bổ sung đầy đủ của các thành phần protein thực vật có hàm lượng P thấp thay thế, chủ yếu là bột đậu nành, làm giảm đáng kể tải lượng P vào khẩu phần ăn mà không ảnh hưởng đến sự tăng trưởng (Satoh và cộng sự, 2003). Nhu cầu xây dựng khẩu phần ăn giúp giảm thiểu bài tiết P trong cá và giảm hiện tượng phú dưỡng trong nước đòi hỏi phải thay thế bột cá bằng nguồn protein có hàm lượng P thấp. Việc sử dụng các thành phần giàu protein có tỷ lệ P tiêu hóa cao có thể giúp giảm nồng độ P không khả dụng trong thức ăn. Theo Suryaningrum và cộng sự (2017), đánh giá khả năng tiêu hóa là chìa khóa để xác định nguyên liệu làm nguyên liệu thức ăn. Thức ăn chứa các thành phần dễ tiêu hóa cao có liên quan đến hiệu suất tăng trưởng tốt hơn và giảm chất thải thức ăn có khả năng gây ô nhiễm môi trường.

4.1.3. Xử lý thức ăn

Một trong những cách hiệu quả nhất để cải thiện chất lượng nước thải nuôi trồng thủy sản là thay đổi khẩu phần ăn cho cá nuôi. Việc sử dụng thức ăn ép đùn đã được chứng minh là một khía cạnh quan trọng trong dinh dưỡng cá. Thức ăn ép đùn có độ ổn định và khả năng tiêu hóa cao hơn. Điều này làm giảm đáng kể lượng chất dinh dưỡng bài tiết vào nước nuôi (Johnsen và cộng sự, 1993). Thức ăn nổi thường được khuyến khích cho cá rô phi ăn vì chúng dễ nhìn thấy và dễ ăn hơn so với thức ăn viên chìm thường trở thành chất thải. Điều này dẫn đến việc làm giàu chất dinh dưỡng và thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng. Để giảm ô nhiễm hồ, nên sử dụng thức ăn nổi tự do dạng ép đùn thay cho thức ăn chìm (Njiru và cộng sự, 2018). Việc nghiền, ép viên và hấp các nguyên liệu thức ăn bằng hơi nước đúng cách có thể làm tăng khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, làm giảm thất thoát qua phân. Xử lý nhiệt và cơ học các loại thức ăn ngũ cốc trước khi sử dụng cũng có thể giúp giảm lượng thức ăn kém hoặc khó tiêu (Hlavac và cộng sự, 2014; White và cộng sự, 2007).

4.1.4. Sử dụng enzyme phytase

Trong ngành nuôi trồng thủy sản, bột cá đang dần được thay thế bằng thực vật bằng các nguyên liệu từ sản phẩm nhưng việc sử dụng các sản phẩm này bị hạn chế về mặt dinh dưỡng do hàm lượng phytate làm phương tiện lưu trữ phốt pho (P) chính trong thực vật (Hussain và cộng sự , 2017). Phần lớn P trong hầu hết các nguyên liệu thực vật giàu protein đều liên kết với phytate, điều này hạn chế khả dụng sinh học ở hầu hết các loài cá vì chúng thiếu enzyme tiêu hóa phytase (Jobling và cộng sự, 2001). Gần 80% tổng hàm lượng P trong nguyên liệu thực vật có thể tồn tại dưới dạng phytate (Ravindran và cộng sự, 1994). Trên thực tế, phần này không có sẵn trong quá trình tiêu hóa do thiếu enzyme nội sinh có lợi cho quá trình thủy phân hiệu quả ở động vật thủy sinh dạ dày đơn (Cao và cộng sự, 2007). Phytase là một enzyme có tên hóa học là myo-inositol hexaphosphatephosphohydrolase (Loại 3: Hydrolase) có thể có trong một số thành phần thực vật. Ngoài ra, nó có thể được sản xuất bởi vi sinh vật. Điều này đặc hiệu cho quá trình thủy phân, phytate khó tiêu có trong nguồn protein thực vật. Mức P dư thừa có sẵn trong khẩu phần ăn làm giảm tỷ lệ lưu giữ P (tính theo phần trăm P được hấp thụ) từ lượng P được hấp thụ, làm tăng lượng P bài tiết không qua phân (Jahan và cộng sự, 2002). Phytase có thể được sử dụng trong thức ăn cho cá bằng cách xử lý trước thức ăn hoặc kết hợp trong quá trình chuẩn bị thức ăn hoặc phun vào thức ăn viên (Portz & Liebert, 2004; Vielma và cộng sự, 2002). Thức ăn cho cá có bổ sung phytase thường được báo cáo là cải thiện khả dụng sinh học và sử dụng phốt pho thực vật của cá (Cao và cộng sự, 2007). Hơn nữa, việc sử dụng chất dinh dưỡng tốt hơn sẽ dẫn đến việc thải ít phốt pho vào môi trường nước hơn (Baruah và cộng sự, 2004). Tuy nhiên, mức bổ sung tối ưu thay đổi tùy theo nguồn gốc và loài cá; công nghệ chế biến thức ăn và nồng độ phytate trong khẩu phần ăn (Hussain và cộng sự, 2017). Việc đưa phytase vi sinh vật vào thức ăn nhằm làm tăng khả dụng sinh học của phốt pho phytic, làm giảm hoặc thay thế hoàn toàn việc sử dụng các chất bổ sung phốt pho vô cơ (Cao và cộng sự, 2008).

4.1.5. Giảm yếu tố kháng dinh dưỡng

Thức ăn protein thực vật ngày càng được sử dụng nhiều trong khẩu phần ăn của cá để giảm sự phụ thuộc vào bột cá và các thức ăn protein động vật khác, nhằm giảm chi phí thức ăn trong nuôi trồng thủy sản. Mặc dù hầu hết các nguyên liệu thực vật đều có sẵn với chi phí thấp hơn bột cá, nhưng việc sử dụng chúng trong thức ăn thủy sản thường bị hạn chế do hàm lượng protein tương đối thấp, hàm lượng axit amin thiết yếu không cân bằng và có một hoặc nhiều yếu tố kháng dinh dưỡng (NRC, 1993; Kirimi và cộng sự, 2020). Các yếu tố kháng dinh dưỡng (ANF) được định nghĩa là các chất tự chúng hoặc thông qua các sản phẩm trao đổi chất của chúng phát sinh trong hệ thống sống, cản trở việc sử dụng thực phẩm và ảnh hưởng đến sức khỏe cũng như năng suất của động vật (Makkar, 1993). Khả năng tiêu hóa và hấp thu protein bị cản trở khi có những ANFS này. Việc loại bỏ ANF khỏi thức ăn và điều kiện chế biến tốt hơn có thể tăng cường sử dụng N và do đó làm giảm bài tiết N.

4.1.6. Cung cấp các chất dinh dưỡng sẵn có phù hợp với nhu cầu (Cho ăn chính xác)

Cho cá ăn theo nhu cầu dinh dưỡng của chúng là chìa khóa để giảm thiểu sự bài tiết chất dinh dưỡng. Cho ăn quá nhiều hoặc thiếu chất dinh dưỡng có nguy cơ làm tăng sản lượng vì vật nuôi sẽ bài tiết tất cả các chất dinh dưỡng mà chúng không thể sử dụng để duy trì và tăng trưởng. Việc giải phóng N và P lơ lửng và hòa tan có thể giảm đáng kể nếu biết chính xác về nhu cầu của cá và cung cấp chúng một cách thích hợp (Kaushik, 1998). Lợi ích khác của việc kết hợp nồng độ chất dinh dưỡng trong khẩu phần với nhu cầu dinh dưỡng của cá có thể làm giảm sự bài tiết chất dinh dưỡng, làm giảm nồng độ chất dinh dưỡng trong phân.

4.2. Thực hành quản lý cho ăn

Thức ăn thủy sản được tối ưu hóa từ lâu đã là mối quan tâm lớn của sự phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững. Thành phần thức ăn không chỉ đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cá mà còn phải được quản lý hợp lý (khẩu phần thức ăn và tần suất cho ăn) để nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn, hiệu suất tăng trưởng và giảm lượng chất thải (Azaza & Dhraief, 2020). Một trong những nguyên nhân lớn nhất khiến chất dinh dưỡng dư thừa xâm nhập vào môi trường là cho ăn quá nhiều do áp dụng chiến lược cho ăn không đúng cách. Chắc chắn lợi nhuận của hoạt động canh tác thương mại là chìa khóa cho tất cả nông dân. Điều này đòi hỏi phải áp dụng các chiến lược quản lý thức ăn phù hợp để đảm bảo việc sử dụng thức ăn được tối ưu hóa để mang lại lợi nhuận tối đa. Mặc dù tốc độ tăng trưởng tối đa có thể đạt được bằng cách cho ăn đến mức no, nhưng việc cho ăn quá nhiều hoặc cho ăn thiếu sẽ dẫn đến thực hành quản lý thức ăn không đúng cách (White, 2013). Việc cho ăn thiếu làm giảm tốc độ tăng trưởng vì lượng protein ăn vào thấp hơn và thúc đẩy sự không đồng nhất về kích thước. Để tối ưu hóa chiến lược cho ăn, cần tính toán khẩu phần, tỷ lệ cho ăn và tần suất cho ăn thích hợp.

4.3. Thiết kế hệ thống

4.3.1. Hệ thống tuần hoàn với Aquaponics

Aquaponics là phương pháp sản xuất kết hợp nuôi cá trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn và cây trồng thủy canh, đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây do tính bền vững. Chất thải nuôi trồng thủy sản chứa N (ở dạng amoniac và nitrat) và P (chủ yếu ở dạng phốt phát). Đây là những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng (Yildiz và cộng sự, 2017). Trong hệ thống aquaponic, nước chảy từ bể cá qua các bộ lọc, các luống trồng cây rồi quay trở lại cá. Trong các bộ lọc, chất thải của cá được loại bỏ khỏi nước, trước tiên sử dụng bộ lọc cơ học để loại bỏ chất thải rắn, sau đó qua bộ lọc sinh học để loại bỏ chất thải hòa tan. Bộ lọc sinh học cung cấp một vị trí cho vi khuẩn chuyển đổi amoniac, chất độc hại cho cá thành nitrat, một chất dinh dưỡng dễ tiếp cận hơn cho thực vật. Quá trình này được gọi là quá trình nitrat hóa. Khi nước (chứa nitrat và các chất dinh dưỡng khác) đi qua các luống trồng cây, cây sẽ sử dụng những chất dinh dưỡng này trước khi nước trở lại bể cá đã được lọc sạch. Quá trình này cho phép cá, thực vật và vi khuẩn phát triển cộng sinh và tạo ra môi trường phát triển lành mạnh cho mỗi loài khác. Trong aquaponics, nước thải nuôi trồng thủy sản được chuyển qua các luống cây và không thải ra môi trường. Đồng thời chất dinh dưỡng cho cây trồng được cung cấp từ nguồn dinh dưỡng bền vững, tiết kiệm chi phí và các nguồn phi hóa chất.

5. Kết luận

Bài viết này đã trình bày bằng chứng khoa học về việc thức ăn thủy sản góp phần gây ô nhiễm chất dinh dưỡng cho vùng nước xung quanh. Lượng chất thải từ hoạt động nuôi trồng thủy sản đến hệ sinh thái dưới nước có thể giảm nhưng không hoàn toàn bị loại bỏ vì cá không thể giữ lại tất cả thức ăn chúng tiêu thụ và thậm chí một phần thức ăn còn sót lại. Ô nhiễm có thể giảm đáng kể thông qua các chiến lược dinh dưỡng thích hợp làm tăng chuyển hóa thức ăn hiệu quả và giảm lãng phí ở dạng thức ăn thừa.

Theo Jonathan M. Munguti, James G. Kirimi, Kevin O. Obiero, Erick O. Ogello, Domitila N. Kyule, David M. Liti & Levi M. Musalia

Nguồn:https://www.academia.edu/51344614/Aqua_Feed_Wastes_Impact_on_Natural_Systems_and_Practical_Mitigations_A_Review

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

TÔM GIỐNG GIA HÓA – CHÌA KHÓA THÀNH CÔNG

Xem thêm:

Kỹ Thuật Nuôi, Tin Tức