Hiệu Suất Của Hệ Thống Aquaponics Sử Dụng Đất Bán Ngập Nước Kết Hợp Với Rau Diếp (Lactuca Sativa L.) Trong Xử Lý Nước Thải Nuôi Tôm Sông Amazon (Macrobrachium Amazonicum)

Tóm tắt

Aquaponics là một hệ thống tích hợp nuôi trồng thủy sản và trồng rau trong môi trường nước tuần hoàn. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước trồng rau diếp (Lactuca sativa L.) để xử lý nước thải nuôi tôm thẻ chân trắng (Macrobrachium amazonicum). Hệ thống bao gồm bốn bể nuôi (bể 1 m³), bể lắng hình nón (0,1 m³), bể chứa hình tròn (0,2 m³) và vùng đất bán ngập nước xây dựng (0,2 m × 1,0 m × 4,0 m). Tôm giống (PL) có khối lượng trung bình ban đầu là 314 ± 4,75 mg được thả ở các nghiệm thức mật độ tăng gấp 4 lần: (A) 40 con tôm/ m², (B) 80 con tôm/ m² và (C) 120 con tôm/ m². Kết quả cho thấy khối lượng tôm trung bình cuối cùng giảm nhẹ ở mật độ 80 và 120 con, nhưng không có sự khác biệt đáng kể giữa các nghiệm thức. Tỷ lệ sống và năng suất cuối cùng cao hơn ở mật độ 80 và 120 con. Năng suất sinh khối tối đa đạt được ở nghiệm thức với mật độ 120 con tôm. Hệ thống aquaponics xử lý nước hiệu quả ở tất cả mật độ thử nghiệm. Các thông số chất lượng nước phù hợp với nuôi tôm, nhưng không hoàn toàn phù hợp với rau diếp, đặc biệt là nhiệt độ. Mật độ tôm không phù hợp đã hạn chế hệ thống tích lũy và tăng nồng độ chất dinh dưỡng cho rau, làm giảm năng suất. Tuy nhiên, hệ thống có mật độ dày hơn có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn, dẫn đến sự tăng trưởng và năng suất rau tốt hơn. Kết quả cho thấy Hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước có tiềm năng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản và rau nhưng đối với sản xuất thương mại, cần bổ sung thêm các chất dinh dưỡng như canxi, magie và kali cho rau.

Giới thiệu

Vào tháng 9 năm 2015, các quốc gia thành viên Liên hợp quốc bao gồm Brazil đã thông qua Chương trình nghị sự 2030 về phát triển bền vững, bao gồm các mục tiêu đóng góp và tiến hành nuôi trồng thủy sản hướng tới an ninh lương thực và dinh dưỡng trong việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên để đảm bảo phát triển bền vững về kinh tế, xã hội và các điều khoản về môi trường (UN— United Nations 2015).

Nuôi trồng thủy sản đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm, dinh dưỡng, thu nhập và sinh kế cho hàng trăm triệu người trên thế giới. Ngành nuôi trồng thủy sản đang phát triển mạnh mẽ và hiện cung cấp khoảng 73,8 triệu tấn thủy sản cho con người. Tuy nhiên, các phương pháp nuôi trồng thủy sản truyền thống thường không bền vững và gây ô nhiễm môi trường nước. Aquaponics là một hệ thống kết hợp nuôi trồng thủy sản và thủy canh, được xem là giải pháp thay thế cho sản xuất lương thực bền vững hơn. Hệ thống này sử dụng nước tuần hoàn để nuôi trồng cá và rau, giúp giảm thiểu tác động môi trường và tăng năng suất. Phương pháp này sử dụng ít nước, xả nước thải tối thiểu, tận dụng gần như toàn bộ thức ăn thủy sản và năng suất cao của sinh vật thủy sinh và thực vật so với sản xuất thông thường (Dediu và cộng sự 2012; Mariscal- Lagarda và cộng sự 2012). Ngoài ra, khả năng sản xuất ở các vùng khô cằn, các trung tâm đô thị lân cận và cung cấp thực phẩm không có thuốc trừ sâu và kháng sinh, khiến aquaponics trở thành một hệ thống cung cấp các sản phẩm bền vững và có giá trị gia tăng cao (Diver 2006).

Hệ thống aquaponics có thể được áp dụng cho nhiều đối tượng, từ hộ gia đình nhỏ đến doanh nghiệp thương mại lớn. Mặc dù aquaponics hiện đại chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ sau năm 2010, với những bài báo khoa học đầu tiên xuất bản vào khoảng năm 1980, nhưng ngày nay hệ thống này đã được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và giải quyết để phát triển công nghệ aquaponics một cách hiệu quả và bền vững.

Tài liệu học thuật về aquaponics ở Brazil vẫn còn hạn chế. Chỉ trong 10 năm qua, các nhà nghiên cứu từ một số trường đại học Brazil và Tập đoàn Nghiên cứu Nông nghiệp Brazil (Embrapa) mới bắt đầu thực hiện nghiên cứu về lĩnh vực này. Castellani và cộng sự (2009) và Pinheiro và cộng sự (2017) sử dụng nước thải từ hệ thống nuôi tôm sông Amazon (Macrobrachium amazonicum) và tôm sú (Litopenaeus vannamei) để trồng cải xoong, rau diếp và Sarcophagus ambiguous trong hệ thống thủy canh kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFT). Nói chung, aquaponics được phân thành ba loại, đó là kỹ thuật luống nền, bè nổi và kỹ thuật màng dinh dưỡng. NFT ít hiệu quả hơn trong việc loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước nuôi cá và tạo ra sinh khối hoặc năng suất thực vật so với hệ thống luống nền hoặc bè nổi (Lennard và Leonard 2006). Trong số đó, aquaponics dựa trên luống nền được cho là hiệu quả hơn trong việc sử dụng nitơ vì cung cấp nhiều diện tích bề mặt cho vi khuẩn hơn hai loại còn lại, vì vậy nó được coi là phương pháp phổ biến nhất để trồng rau (Love và cộng sự 2014).

Hệ thống aquaponics năng suất cao thường đòi hỏi đầu tư cao vào công nghệ và kiến thức chuyên môn, phù hợp cho hoạt động thương mại. Tuy nhiên, hệ thống aquaponics công nghệ thấp sử dụng phương tiện truyền thông dựa trên vùng đất ngập nước mang lại hiệu quả đáng nể, dễ vận hành và phù hợp cho nhiều đối tượng. Trên thực tế, hệ thống mô phỏng vùng đất ngập nước tự nhiên với chu kỳ khô và ướt (Love và cộng sự 2014; Somerville và cộng sự 2014; Trang và Brix 2014). Kỹ thuật này tăng cường khả năng lọc nước của hệ thống, tương tự như các vùng đất ngập nước nhân tạo được sử dụng để xử lý nước thải (Chen và Wong 2016). Kết hợp với nuôi ghép các loài cá, hệ thống aquaponics công nghệ thấp tạo ra môi trường sinh thái khỏe mạnh và bền vững. Do đó, câu hỏi đặt ra là liệu các biến thể trong hệ thống lọc sinh học sử dụng vùng đất ngập nước được xây dựng và mật độ thả giống khác nhau có ảnh hưởng đến hiệu suất tôm sông Amazon và rau diếp trong aquaponics hay không.

Tôm sông Amazon (M. amazonicum) là một loài đặc hữu của Nam Mỹ, đóng vai trò quan trọng về kinh tế, xã hội và môi trường ở khu vực phía bắc và đông bắc Brazil. Loài này được thị trường quốc tế ưa chuộng và có tiềm năng phát triển trong nuôi trồng thủy sản. Trong nuôi trồng thủy sản, loài tôm này đã chứng tỏ tốc độ tăng trưởng nhanh, khả năng thích nghi cao, ít hung dữ, năng suất cao và ít tác động đến môi trường. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của hệ thống aquaponics sử dụng đất ngập nước nhân tạo (luống trên giá thể) với rau diếp trong xử lý nước thải nuôi tôm sông Amazon ở các mật độ khác nhau.

Chuẩn bị nghiên cứu

Hệ thống Aquaponics và hệ thống tuần hoàn

Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 8 đến tháng 10 năm 2016 tại Phòng Thí nghiệm Thủy Canh và Thủy Sản thuộc Tổng Công ty Nghiên cứu Nông nghiệp Brazil, Embrapa, bang Amapá. Mỗi đơn vị aquaponic bao gồm bốn bể nuôi (bể 1 m³), bể lắng hình nón (0,1 m³), bể chứa hình tròn (0,2 m³) và đất bán ngập nước được xây dựng (0,2 m × 1,0 m × 4,0 m) được sử dụng làm hệ thống phụ thủy canh và bộ lọc sinh học như trong Hình 1. Chất nền của vùng đất bán ngập nước là sỏi có đường kính 2–3 cm. Một máy bơm chìm có công suất 4000 L/giờ, được kích hoạt cứ 15 phút một lần, kiểm soát dòng nước giữa bể chứa và các bể chứa tôm và đất ngập nước được xây dựng. Nước chảy theo trọng lực và không thay nước trong suốt thí nghiệm, ngoại trừ khi thay thế lượng nước bị mất do bay hơi, hút nước sàn bể nuôi và làm sạch sàn bể decanter. Sàn bể nuôi tôm được hút nước hàng ngày, đáy bể được vệ sinh 2 ngày một lần. Để bù đắp tổn thất do quá trình nitrat hóa, bổ sung vôi ngậm nước để điều chỉnh pH. Quá trình oxy hóa hệ thống được thực hiện bằng cách sử dụng máy nén hướng tâm có đá khí (3 đá khí m²) được nối với bể nuôi tôm và ở lối vào vùng đất bán ngập nước.

Hình 1 Bản phác thảo mô tả các thành phần của hệ thống aquaponic tôm-rau tích hợp

Nuôi tôm và lấy mẫu

Tôm giống (PL) có khối lượng trung bình ban đầu là 314 ± 4,75 mg được thả ở các nghiệm thức mật độ tăng gấp 4 lần: (A) 40 con tôm/ m², (B) 80 con tôm/ m² và (C) 120 con tôm/ m². Tôm được cho ăn bằng thức ăn viên thương mại (GUABI™) có 36,0% protein, 5,5% lipid, 4,0% chất xơ, 10,6% tro và 18,3 kJ/ g tổng năng lượng. Tôm được cho ăn vào buổi sáng lúc 09h30 và chiều muộn 16h30 hàng ngày với tỷ lệ 5% sinh khối ước tính trong bể và điều chỉnh lượng thức ăn theo trọng lượng trung bình của tôm (15 ngày/lần). Các viên có kích thước 0,8 mm được sử dụng trong 60 ngày đầu tiên và các viên có kích thước 1,6 mm được sử dụng vào cuối quá trình nuôi cấy. Mẫu tôm (khoảng 5% số lượng thả) được thu thập 2 tuần/ lần, và cân để đánh giá tốc độ tăng trưởng và điều chỉnh lượng thức ăn cung cấp. Sau 110 ngày, lượng thức ăn tiêu thụ (kg) được xác định bằng tổng lượng thức ăn cung cấp cho tôm và tôm được đếm và cân riêng lẻ để xác định tỷ lệ sống (%), khối lượng trung bình (g), tổng sinh khối (kg) và năng suất (kg/ ha). Tỷ lệ chuyển đổi thức ăn (FCR) được tính bằng công thức: FCR = tổng trọng lượng khô của thức ăn / (sinh khối tôm cuối cùng – sinh khối tôm ban đầu) (Konnerup và cộng sự 2011).

Phương pháp lấy mẫu và phân tích nước

Mẫu nước được lấy 2 lần/ tuần từ các bể chứa và bể nuôi tôm. Mẫu được thu thập vào khoảng 10:30 giờ, sau khi cho tôm ăn 1 giờ. Các mẫu được kiểm tra tổng amoniac (TAN, mg/ L), nitrit (NO₂⁻, mg/ L), nitrat (NO₃⁻, mg/ L), tổng phốt pho (H₂PO₄⁻, mg/ L) sử dụng quang kế đa thông số để phân tích nước (HANNA™. Model HI83200). Các đặc tính hóa lý nhiệt độ (°C), pH, oxy hòa tan (DO, mg/ L), độ dẫn điện (EC28, mEq/ L), độ đục (NTU) và tổng chất rắn hòa tan (TDS, ppm) được kiểm tra bằng cách sử dụng máy kiểm tra chất lượng nước đa thông số (Horiba™ Model U-50) vào khoảng 10:30 hàng ngày trong thời gian nuôi.

Sự phát triển của rau diếp thủy canh

Giống được sử dụng là rau diếp Delice American (Isla). Hạt giống được nảy mầm trong đĩa phun phenolic có 200 tế bào (2,0 × 2,0 × 2,0 cm). Sau khi nảy mầm, cây con được trồng trong nhà kính mini, nuôi dưỡng bằng dung dịch dinh dưỡng từ bể nuôi tôm đến 15 ngày sau khi gieo. Vào lúc 15 ngày sau khi gieo, cây con được cấy vào vùng đất bán ngập nước đã được xây dựng, dài 4 m, cách nhau 0,25 m giữa các mặt cắt và cách 0,25 m giữa các cây. Sự phát triển của cây thủy canh được đánh giá thông qua số lá, thân và chiều dài rễ. Năng suất (g/ m²) được đánh giá bằng cách sử dụng khối lượng lá tươi (g/ cây). Dữ liệu từ vụ thu hoạch rau đầu tiên được thu thập 36 ngày sau khi trồng cây (17 tháng 8 – 22 tháng 9 năm 2015). Vụ thứ 2 được thu hoạch sau 36 ngày kể từ khi cấy (05/10/2015 – 09/11/2015). Xét 10 ngày chuẩn bị hệ thống, thời gian nuôi đã kéo dài 110 ngày kể từ khi Macrobrachium amazonicum được thả vào bể nuôi tôm.

Phân tích thống kê

Tỷ lệ tiêu thụ thức ăn, tỷ lệ sống (%), khối lượng trung bình (g), tổng sinh khối (kg), năng suất (kg/ ha) và tỷ lệ chuyển đổi thức ăn ban đầu được giả định là có phân phối chuẩn và tính đồng nhất bằng cách sử dụng các thử nghiệm Shapiro–Wilk và Bartlett. Khi hai yêu cầu này được đáp ứng, phân tích ANOVA được áp dụng theo sau là thử nghiệm Tukey (P < 0,05), khi không được đáp ứng, các phép biến đổi toán học (ln) đã được thực hiện. Chất lượng nước và sự tăng trưởng của dữ liệu rau diếp thủy canh được đưa ra theo cùng quy trình thống kê đã được báo cáo trước đó. Phân tích thống kê dữ liệu được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm BioEstat 5.0^® (AYRES và cộng sự 2007).

Kết quả

Hiệu suất tôm

Thức ăn được tiêu thụ khác nhau đáng kể giữa các nghiệm thức (P < 0,05). Trọng lượng trung bình của tổng khẩu phần tôm lần lượt là 6,50 kg, 15,90 kg và 28,62 kg ở T1, T2 và T3. Tổng sản lượng tôm thương mại khác nhau đáng kể giữa các nghiệm thức (P < 0,05), là 2,8 kg, 10,4 kg và 14,5 kg. FCR khác biệt đáng kể giữa các nghiệm thức (P < 0,05), lần lượt là 2,37 ± 0,49, 1,55 ± 0,4 và 2,04 ± 0,05. Trọng lượng trung bình không khác biệt đáng kể (P < 0,05) giữa các nghiệm thức, với T1 = 1,77 ± 0,46 g, T2 = 1,72 ± 0,22 g và T3 = 1,65 ± 0,60 g (Bảng 1).

Bảng 1 Phản ứng tăng trưởng (trung bình ± độ lệch chuẩn) của tôm nuôi trong 90 ngày ở các mật độ bảo quản khác nhau trong hệ thống tuần hoàn sử dụng đất bán ngập nước kết hợp với rau diếp

Các giá trị được báo cáo là trung bình ± SD của bốn lần lặp lại và cùng thông số tăng trưởng của M. amazonicum. Các chữ cái khác nhau trong chỉ số trên thể hiện sự khác biệt đáng kể

Vào cuối giai đoạn thử nghiệm, tôm nuôi ở mật độ 40 con không có tỷ lệ sống trung bình tốt hơn so với mật độ 80 và 120 con. Trong thử nghiệm này, tỷ lệ sống cuối cùng khác biệt đáng kể (P < 0,05) giữa các nghiệm thức, với tỷ lệ sống trung bình trong bể nuôi: T1 = 40,0 ± 7,36%, T2 = 76,3 ± 19,93% và T3 = 71,04 ± 5,57%. Năng suất cuối cùng theo diện tích khác biệt đáng kể (P < 0,05) giữa các nghiệm thức với T1 = 283,5 ± 47,26 kg/ ha, T2 = 1049,6 ± 134,58 kg/ ha và T3 = 1405,4 ± 85,34 kg/ ha. Năng suất sinh khối tôm cao nhất được quan sát thấy ở nghiệm thức với mật độ 120 con, do tỷ lệ sống cao nhất, mặc dù khối lượng cuối cùng của từng cá thể thấp hơn (Bảng 1).

Chất lượng nước của hệ thống aquaponics

Bảng 2 cho thấy các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các thông số chất lượng nước được đánh giá trong nghiên cứu này. Các giá trị nhiệt độ, nitrit, độ cứng, kali, canxi và magie có thay đổi nhỏ và không khác biệt về mặt thống kê giữa các nghiệm thức. Độ pH khác nhau về mặt thống kê giữa các nghiệm thức, ít dao động, có tính kiềm nhẹ ở T1 và T2 và gần như trung tính ở T3. Độ dẫn điện ổn định ở tất cả các nghiệm thức, cao hơn có ý nghĩa thống kê ở T3. Oxy hòa tan không khác biệt về mặt thống kê giữa các nghiệm thức nhưng giảm khi tăng mật độ có thể do lượng oxy cao hơn (Bảng 2). Độ đục và tổng amoniac thay đổi nhỏ và khác biệt về mặt thống kê giữa các nghiệm thức, cao hơn ở nghiệm thức T2 và T3.

Tổng giá trị trung bình của chất rắn hòa tan, nitrat, phốt phát và độ kiềm cao hơn có ý nghĩa thống kê ở các nghiệm thức T3 (Bảng 2). Chi tiết về động lực học của các thông số nhiệt độ, pH, độ dẫn điện, oxy hòa tan và độ đục được trình bày trong Hình 2a–e. Nhiệt độ và oxy hòa tan thay đổi nhỏ trong suốt thí nghiệm (Hình 2a, d), trong khi giá trị pH từ ngày thứ 60 giảm nhẹ ở nghiệm thức 120 con tôm (Hình 2b). Giá trị độ dẫn điện và độ đục tăng đáng kể vào ngày nuôi cấy thứ 10 trong mỗi nghiệm thức (Hình 2c–e).

Bảng 2 Các thông số chất lượng nước từ nước bể nuôi tôm ở các mật độ thả khác nhau trong hệ thống aquaponics sử dụng vùng đất bán ngập nước

Các giá trị được báo cáo là trung bình ± SD cho bốn lần lặp lại và cùng một giá trị trung bình của tham số tăng trưởng với các chữ cái khác nhau trong chỉ số trên cho thấy sự khác biệt đáng kể

Hình 2 Động thái của các thông số chất lượng nước từ bể nuôi tôm ở các mật độ thả khác nhau trong hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước. a Nhiệt độ. b Độ pH. c Độ dẫn điện. d Oxy hòa tan. e Độ đục

Giá trị TDS tăng vào ngày nuôi thứ 10 trong tất cả các nghiệm thức, nhưng vào ngày thứ 60, giá trị TDS trong nghiệm thức 120 con tôm có sự gia tăng mạnh mẽ (Hình 3a). TAN do bể nuôi tôm tạo ra khi bắt đầu thí nghiệm cao nhưng bị giảm mạnh sau khi hệ thống lọc sinh học trưởng thành vào ngày nuôi thứ 10 trong tất cả các nghiệm thức (Hình 3b). Mặt khác, khi bắt đầu thí nghiệm, giá trị nitrit và nitrat thấp và sau khi hệ thống lọc sinh học trưởng thành vào ngày canh tác thứ 10, các thông số này đã tăng lên trong tất cả các nghiệm thức (Hình 3b-d). Độ kiềm có thay đổi nhỏ trong suốt thí nghiệm ở tất cả các nghiệm thức (Hình 3e).

Hình 3 Động thái của các thông số chất lượng nước từ bể nuôi tôm ở các mật độ thả khác nhau trong hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước. một TDS. b Tổng lượng amoniac. c Nitrit. d Nitrat. e Độ kiềm

Các thông số kali, độ cứng, canxi và magie không khác biệt về mặt thống kê giữa các nghiệm thức (Bảng 2). Tương tự như việc tăng lượng thức ăn cung cấp cho tôm, giá trị kali giảm trong quá trình nuôi sau khi cho rau diếp vào ngày nuôi thứ 10 (Hình 4a), cho thấy rằng kali có trong thức ăn cung cấp cho tôm là không thỏa đáng để duy trì giá trị lý tưởng của thông số này cho rau diếp. Mặt khác, giá trị phốt phát thấp khi bắt đầu thí nghiệm và sau khi hệ thống trưởng thành vào ngày nuôi thứ 32, thông số này tăng lên ở tất cả các nghiệm thức, đặc biệt là ở nghiệm thức 120 con tôm (Hình 4c). Độ cứng và canxi dao động mạnh trong suốt thử nghiệm nhưng vẫn gần với thời điểm bắt đầu thí nghiệm (Hình 4b-d), trong khi giá trị magiê giảm nhẹ, đặc biệt là ở nghiệm thức 40 con tôm (Hình 4e). Các thông số về độ kiềm, độ cứng, canxi và magie dao động trong quá trình canh tác ở tất cả các nghiệm thức (Hình 4b–e).

Hình 4 Động thái của các thông số chất lượng nước từ bể nuôi tôm ở các mật độ thả khác nhau trong hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước. một Kali. b Độ cứng. c Phốt phát. d Canxi. e Magiê

Sự phát triển của rau diếp thủy canh

Kết quả cho thấy tiềm năng sử dụng nước nuôi tôm dinh dưỡng trong sản xuất rau diếp. Phân tích ANOVA thống kê cho thấy có sự khác biệt đáng kể về số lượng lá, chiều dài thân, khối lượng lá và năng suất rau diếp (g/ m²) giữa các mật độ được nghiên cứu. Rau diếp nuôi bằng nước ao nuôi 120 con tôm có số lá cao hơn đáng kể (P < 0,05) so với rau được nuôi bằng nước ao nuôi 40 con tôm và 80 con tôm nghiệm thức (Bảng 2). Khối lượng lá, chiều dài cuống và năng suất rau diếp tối đa (g/ m²) (P < 0,05) được quan sát thấy trong nghiệm thức 120 con tôm (Bảng 3). Chỉ có chiều dài rễ không có ảnh hưởng đáng kể.

Bảng 3 Phản ứng tăng trưởng của cây xà lách sử dụng nước bể nuôi tôm giàu dinh dưỡng ở các mật độ thả khác nhau

Các giá trị được báo cáo là trung bình ± SD cho ba lần lặp lại và cùng một giá trị trung bình của thông số tăng trưởng với các chữ cái khác nhau ở chỉ số trên cho thấy sự khác biệt đáng kể (P < 0,05)

Thảo luận

Hiệu suất tôm

Mật độ thả tôm đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật nuôi trồng thủy sản, tác động trực tiếp đến nhiều khía cạnh như: cho ăn, tỷ lệ sống, tốc độ tăng trưởng, hành vi, sức khỏe, năng suất và lợi nhuận (Marques và cộng sự 2012; Henry-Silva và cộng sự 2015). Nhiều nghiên cứu đã chứng minh mối quan hệ nghịch đảo giữa mật độ thả giống và tốc độ tăng trưởng của tôm M. amazonicum trong các hệ thống nuôi khác nhau. Cụ thể, mật độ thả cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất cuối cùng của loài này. Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng cá thể M. amazonicum giảm nhẹ khi mật độ thả là 120 con/m², so với 40 con/m² (P < 0,05). Tuy nhiên, ở mật độ dày, kết quả đối với các loài khác lại trái ngược nhau. Điều này cho thấy ở tôm, sự cạnh tranh giữa các cá thể đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng đến sự điều hòa quần thể, nhưng không ảnh hưởng đến trọng lượng và hiệu suất tăng trưởng (El-Sherif và Mervat 2009; Paul và cộng sự 2016, Negrini và cộng sự 2017).

Tỷ lệ sống của tôm trong thí nghiệm này tương đồng với kết quả nghiên cứu của Preto và cộng sự (2010, 2011), Marques và cộng sự (2012), và Dutra và cộng sự (2016). Điều này cho thấy điều kiện nuôi cấy trong thí nghiệm phù hợp cho sự phát triển của M. amazonicum. Giả thuyết cho rằng tỷ lệ sống cao hơn ở mật độ thấp không được chứng minh trong nghiên cứu này. Kết quả cho thấy M. amazonicum có khả năng chịu được mật độ dày và có thể được nuôi trong cả hệ thống bán thâm canh và thâm canh với tỷ lệ sống và năng suất cao khi mật độ thả vượt quá 40 con tôm/ m² (Moraes-Valenti và Valenti, 2007, Marques và cộng sự 2012). Loài tôm này có cấu trúc quần thể năng động và phụ thuộc vào mật độ. Mật độ dày có thể thay đổi cấu trúc quần thể hình thái, dẫn đến sự cạnh tranh giữa các cá thể về không gian và thức ăn (Moraes-Valenti và cộng sự 2010). Dữ liệu thu thập được cho thấy mật độ dày đã thúc đẩy sự vi phạm hệ thống phân cấp và hành vi bầy đàn, khiến M. amazonicum ít hung hãn hơn. Tuy nhiên, sự cạnh tranh về thức ăn có thể hạn chế sự tăng trưởng của tôm.

Mặc dù nghiên cứu này ghi nhận năng suất tôm thấp hơn so với báo cáo của Moraes-Valenti và Valenti (2007), kết quả vẫn cho thấy mật độ thả dày hơn dẫn đến năng suất cao hơn, bao gồm cả sinh khối bổ sung từ tôm nhỏ. Tuy nhiên, để xác định lợi ích kinh tế của việc tăng mật độ thả, cần tiến hành phân tích kinh tế cụ thể cho hệ thống thâm canh. Theo Karplus và Sagi (2010), việc tăng mật độ thả giống có thể giúp cải thiện năng suất tôm. Giá thể bao gồm các tấm chắn tự nhiên (như tre, cành cây) hoặc nhân tạo (như màn, lưới), giúp tăng diện tích sản xuất trong ao nuôi. Chúng cũng hỗ trợ các sinh vật đáy, góp phần giảm sự phát triển không đồng đều, hạn chế hành vi ăn thịt đồng loại và cải thiện phúc lợi động vật. Chất nền tạo điều kiện cho tảo phát triển, giúp hấp thụ nitơ và phốt pho, cải thiện chất lượng nước và cung cấp thức ăn bổ sung cho tôm (Tidwell & Bratvold 2005; Henares và cộng sự 2015). Nghiên cứu này sử dụng bể nuôi tôm có không gian hạn chế, dẫn đến sự cạnh tranh thức ăn và ảnh hưởng đến sự phát triển của tôm. Bổ sung chất nền vào hệ thống Aquaponic có thể giúp cải thiện năng suất tôm trong điều kiện không gian hạn chế.

Chất lượng nước và sự phát triển của rau diếp thủy canh

Việc loại bỏ chất ô nhiễm trong hệ thống aquaponics sử dụng vùng đất ngập nước nhân tạo (VNNT) được điều chỉnh bởi một số quá trình sinh học và phi sinh học (Shi và cộng sự 2011). Quá trình sinh học bao gồm quá trình khoáng hóa và biến đổi vi sinh vật (như nitrat hóa-khử nitrat) và sự hấp thụ của thực vật. Quá trình phi sinh học bao gồm kết tủa hóa học, lắng đọng và hấp phụ chất nền (Lin và cộng sự 2005). Thử nghiệm sử dụng hệ thống aquaponics tuần hoàn với VNNT bán khô trồng rau diếp. Hệ thống này đạt hiệu quả xử lý nước tương đương với các bộ lọc xử lý nước ở mật độ thử nghiệm. Nó giúp giảm thiểu các chất ô nhiễm chính từ nước nuôi tôm, như sẽ được trình bày dưới đây. Tỷ lệ sống cao của tôm M. amazonicum cho thấy các biến số về nước trong thí nghiệm này có thể chấp nhận được cho sự phát triển của chúng. Tuy nhiên, năng suất rau diếp thu được chưa đạt yêu cầu. Nguyên nhân là do lượng dinh dưỡng được khoáng hóa và chuyển hóa không đủ.

Nhiệt độ nước trong thí nghiệm đủ ấm để kích thích tôm tăng trưởng tốt và cung cấp đủ oxy cho tất cả các sinh vật trong hệ thống, bao gồm cả vi khuẩn. Mức nhiệt này phù hợp với khuyến nghị cho việc nuôi tôm M. amazonicum (27,5°C – 31°C) và tương tự như môi trường sống tự nhiên của chúng. Tuy nhiên, nhiệt độ này cao hơn mức tối ưu cho rau diếp (khoảng 24°C). Việc tăng tốc độ dòng nước giữa bể nuôi tôm và VNNT để giảm thời gian tiếp xúc của dung dịch dinh dưỡng với ánh nắng mặt trời, giúp thích nghi với nhiệt độ thấp hơn, hoặc lựa chọn các giống rau diếp chịu nhiệt tốt hơn. Hơn nữa, các giá trị trung bình của nhiệt độ, oxy hòa tan, pH, hợp chất nitơ và độ kiềm trong nghiên cứu này tương đồng với các hệ thống aquaponics khác.

Nhu cầu oxy cao trong hệ thống aquaponics do nước thải đầu vào, chất thải bị mắc kẹt và quá trình chuyển đổi chất thải. Do đó, oxy được coi là yếu tố hạn chế đối với M. amazonicum. Ngoài hô hấp, quá trình phân hủy chất thải hữu cơ cũng tiêu thụ oxy. Do đó, điều quan trọng là cần tính toán lượng thức ăn cho tôm phù hợp để hạn chế nhu cầu oxy. Sử dụng thiết bị sục khí giúp cải thiện hiệu suất xử lý nước thải và cung cấp oxy cho tôm. Lắp đặt đá khí trong VNNT bán khô giúp cải thiện quá trình oxy hóa và nitrat hóa. Tương tự, nồng độ oxy hòa tan (DO) tối thiểu 5 mg/L cần thiết cho hệ thống aquaponics. Nồng độ DO trong thí nghiệm này đủ cao để đáp ứng nhu cầu oxy cho hệ thống aquaponics.

Kiểm soát pH là yếu tố then chốt để cân bằng nhu cầu của vi sinh vật và thực vật trong hệ thống aquaponics (Zou và cộng sự, 2016). Quá trình nitrat hóa (amoniac → nitrit → nitrat) do vi sinh vật thực hiện diễn ra hiệu quả nhất ở pH 8,5. Tuy nhiên, nhiều loại cây trồng chỉ hấp thu dinh dưỡng tối ưu khi pH gần 6,0. Do đó, pH trong hệ thống aquaponics cần được duy trì gần giá trị trung tính (7,0) để đảm bảo sự phát triển của cả cây trồng và hiệu quả nitrat hóa (Zou và cộng sự, 2016). Trong thử nghiệm này, mức pH phù hợp với sinh học của tôm M. amazonicum nhưng không tối ưu cho rau diếp, ngoại trừ nghiệm thức 120 con tôm. Ở trường hợp này, pH đủ cho quá trình nitrat hóa của vi sinh vật và đáp ứng nhu cầu của cây trồng.

Dung dịch dinh dưỡng aquaponics có thành phần hóa học phức tạp do có một lượng lớn các ion hòa tan và chất hữu cơ từ chất bài tiết của sinh vật thủy sinh. Trong thử nghiệm này, pH ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các ion hòa tan, thể hiện qua độ dẫn điện và tổng chất rắn hòa tan. Ảnh hưởng của pH đối với hợp chất nitơ (amoniac, nitrit, nitrat) và độ kiềm không rõ ràng. Tuy nhiên, pH có thể làm tăng nồng độ phốt phát, đặc biệt trong nghiệm thức 120 con tôm. Cerozi và Fitzsimmons (2016) khuyến nghị pH trong hệ thống aquaponics nên nằm trong khoảng 5,5–7,2 để tối ưu hóa hiệu quả và sự hấp thu dinh dưỡng của cây trồng. Tuy nhiên, nồng độ phốt phát và hợp chất nitơ (amoniac, nitrit, nitrat) liên quan đến việc bổ sung thức ăn cho tôm M. amazonicum, tạo ra nhiều chất thải hữu cơ (thức ăn không tiêu thụ, phân và các chất khác) trong trầm tích (Nogueira và cộng sự 2014).

Mức TDS trong thí nghiệm phù hợp với tôm M. amazonicum nhưng không đáp ứng nhu cầu của rau diếp. Rau diếp phát triển tốt nhất khi TDS trong khoảng 560–840 ppm trong hệ thống aquaponics (Zachritz II và cộng sự, 2008; Sace & Fitzsimmons, 2013).

Theo Timmons và cộng sự (2002), nồng độ amoniac và nitrit trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn lần lượt dưới 3 mg/L và 1 mg/L. Trong nghiên cứu này, mật độ nuôi cao trong thí nghiệm dẫn đến sự gia tăng nồng độ hợp chất nitơ, đặc biệt là nitrat (NO₃−N). Tuy nhiên, tổng nồng độ amoniac và nitrit thấp hơn mức khuyến nghị cho M. amazonicum (Moraes-Valenti & Valenti, 2007, 2010; Nogueira và cộng sự, 2014; Zou và cộng sự, 2016). NO₃-N là sản phẩm cuối cùng của quá trình nitrat hóa và là nguồn dinh dưỡng chính cho cây trồng trong hệ thống aquaponics. Nồng độ NO₃-N trong nước là kết quả cân bằng giữa quá trình nitrat hóa và sự hấp thụ của thực vật (Zou và cộng sự, 2016). Trong thử nghiệm này, nồng độ NO₃-N chỉ đáp ứng nhu cầu của rau diếp ở mức tối thiểu trong nghiệm thức 120 con tôm.

Độ kiềm là yếu tố quan trọng trong nuôi cá và tôm. Nước có độ kiềm thấp (< 20 mg/L CaCO₃) không thích hợp cho nuôi tôm vì hóa học nước không ổn định (Adhikari và cộng sự, 2007). Để nuôi tôm M. amazonicum thành công, cần theo dõi và duy trì độ cứng và độ kiềm hợp lý để đảm bảo sản xuất bền vững (Adhikari và cộng sự, 2007). Tôm M. amazonicum phát triển tốt nhất trong nước cứng với nồng độ độ cứng canxi từ 92 đến 192 mg/L và 100 mg/L CaCO₃ (Adhikari và cộng sự, 2007). Độ kiềm trong thí nghiệm này không phù hợp với môi trường nuôi M. amazonicum.

Độ cứng là thước đo canxi và magiê của nước. Tôm nước ngọt thường phát triển tốt hơn trong nước cứng (50 đến 200 mg/L CaCO3) vì chúng tiêu tốn ít năng lượng hơn cho quá trình điều hòa áp suất thẩm thấu (Wetzel, 2001). Canxi giúp tôm duy trì vỏ cứng cáp sau khi lột xác, giúp chúng ít bị tổn thương trước kẻ săn mồi (Adhikari và cộng sự, 2007). Độ cứng trong thí nghiệm này rất thấp, có thể ảnh hưởng đến sự sống và phát triển của tôm M. amazonicum. Nồng độ canxi và magiê thấp cũng không phù hợp với việc nuôi rau diếp trong hệ thống aquaponics. Trong hệ thống aquaponic, Canxi là chất dinh dưỡng thiết yếu cho cả tôm và rau diếp. Hệ thống aquaponics có thể cần bổ sung canxi lên đến 200 mg/L để đảm bảo sự phát triển của cả hai loại sinh vật (Seawright và cộng sự, 1998). Nồng độ canxi quá thấp hoặc quá cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình trao đổi chất của tôm và rau diếp.

Theo báo cáo của Sikawa và Yakupitiyage (2010) và Sace và Fitzsimmons (2013), những hạn chế chính trong việc sử dụng nước nuôi trồng thủy sản để sản xuất rau diếp là nồng độ các chất dinh dưỡng đa lượng thấp, lượng oxy hòa tan thấp và chất rắn lơ lửng cao. Khối lượng chất thải hữu cơ tạo ra trong thử nghiệm này có thể không cung cấp đủ dinh dưỡng cho rau diếp. Sự phát triển của rau diếp phụ thuộc vào nồng độ ion và tốc độ dòng chảy của dung dịch dinh dưỡng. Hai yếu tố này liên quan đến lượng chất dinh dưỡng sẵn có và khả năng giữ nước trong hệ thống thủy canh (Genuncio và cộng sự, 2012; Guimarães và cộng sự, 2016).

Năng suất rau diếp (số lượng lá và khối lượng lá) trong thí nghiệm này cao hơn so với Sikawa và Yakupitiyage (2010) nhưng thấp hơn so với Seawright và cộng sự (1998) và Rakocy và cộng sự (2006) sử dụng dung dịch dinh dưỡng bổ sung. Mặc dù không bổ sung dung dịch dinh dưỡng, sinh khối rau diếp thu được tương tự như Castellani và cộng sự (2009) (nuôi tôm nước ngọt kết hợp thủy canh) và Guimarães và cộng sự (2016) (rau diếp thủy canh sử dụng nước thải nuôi cá). Năng suất rau diếp của chúng tôi tương đối thấp hơn so với giá trị được báo cáo bởi Genuncio và cộng sự (2012) đã trồng cây rau diếp thủy canh bằng dung dịch dinh dưỡng. Nó cho thấy tiềm năng sử dụng nước bể dinh dưỡng M. amazonicum để cung cấp cho một sản xuất rau diếp thủy canh. Tuy nhiên, để sản xuất rau diếp thương mại, cần bổ sung thêm chất dinh dưỡng.

Kết luận

Hệ thống aquaponics sử dụng đất bán ngập nước có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm chính khỏi nước nuôi tôm M. amazonicum. Hiệu quả xử lý tương đương với các bộ lọc xử lý nước thông thường. Tôm M. amazonicum có khả năng chịu đựng cao ở mật độ nuôi cao nhất trong thí nghiệm. Tuy nhiên, sự tăng trưởng của tôm không có sự khác biệt đáng kể giữa các mật độ nuôi. Mật độ nuôi 120 con tôm cho năng suất tôm đạt yêu cầu. Năng suất rau diếp thấp hơn so với phương pháp thủy canh truyền thống do thiếu hụt dinh dưỡng. Nồng độ dinh dưỡng trong nước nuôi có mối liên quan chặt chẽ với sản lượng rau diếp. Nước thải nuôi tôm có thể được quản lý trong sản xuất thủy canh rau diếp, nhưng để sản xuất rau diếp thương mại, cần bổ sung các chất dinh dưỡng như canxi, magie và kali trong hệ thống.

Theo Jô de Farias Lima, Sting Silva Duarte, Argemiro Midonês Bastos, Taina Carvalho

Nguồn: https://www.academia.edu/77171311/Performance_of_an_aquaponics_system_using_constructed_semi_dry_wetland_with_lettuce_Lactuca_sativa_L_on_treating_wastewater_of_culture_of_Amazon_River_shrimp_Macrobrachium_amazonicum_

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