Mối Liên Hệ Và Xác Định Các Yếu Tố Động Lực Chất Lượng Nước Trong Ao Nuôi Tôm Thẻ Chân Trắng Trong Hệ Thống Nuôi Trồng Thủy Sản Nhiệt Đới Thân Thiện Với Môi Trường

Tóm tắt

Nuôi tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) là ngành kinh tế quan trọng tại các vùng ven biển ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Nhu cầu thị trường ngày càng tăng thúc đẩy áp dụng mô hình nuôi thâm canh, dẫn đến phát thải nước thải ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh. Do đó, việc quản lý nuôi trồng thủy sản hợp lý là điều cần thiết để đảm bảo lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường. Nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này. Giám sát chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nuôi trồng thủy sản. Việc thực hiện giám sát thường xuyên cung cấp một lượng dữ liệu lớn và phức tạp. Nghiên cứu này phân tích sự thay đổi của các đặc tính chất lượng nước và mối quan hệ giữa các biến số trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng theo mô hình nuôi trồng thủy sản nhiệt đới từ năm 2020 đến năm 2022. Do dữ liệu bao gồm chín thông số và khá phức tạp, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) được áp dụng. Phương pháp này giúp xác định các yếu tố quyết định chất lượng nước, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các biến số về chất lượng nước trong khu vực nghiên cứu được giản lược thành năm chiều. Độ mặn, amoniac và pH được xác định là những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng nước. Do đó, việc quản lý cần tập trung vào những biến số này.

Giới thiệu

Nuôi tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) là hoạt động kinh tế chủ đạo tại các vùng ven biển của nhiều quốc gia nhiệt đới (Bush và cộng sự, 2010). Nhu cầu thị trường cao thúc đẩy việc áp dụng mô hình nuôi thâm canh cho loại tôm này (Emerenciano và cộng sự, 2022). Tuy nhiên, hệ thống thâm canh cũng dẫn đến gia tăng lượng chất thải hữu cơ từ thức ăn thừa và phân tôm (Nirmal và cộng sự, 2020). Mật độ thả giống cao trong các hệ thống nuôi thâm canh ảnh hưởng trực tiếp đến lượng chất thải, tác động đến môi trường sống của tôm và nguồn lợi thủy sản lân cận (Suwoyo và cộng sự, 2015; Musa và cộng sự, 2020). Chất thải này có thể gây phú dưỡng, làm giảm oxy hòa tan và tạo điều kiện cho các mầm bệnh phát triển (Peng và cộng sự, 2009). Mặc dù công nghệ nuôi trồng thủy sản hiện đại hướng đến mục tiêu tăng sản lượng và chất lượng sản phẩm, nhưng cần chú trọng giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội (Rurangwa và cộng sự, 2017).

Công nghệ và quản lý trang trại hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tăng trưởng kinh tế cho cộng đồng ven biển thông qua việc tạo ra các việc làm trong ngành thủy sản (Asche, 2011). Trong những năm gần đây, nuôi trồng thủy sản theo môi hình sinh thái nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho sự phát triển bền vững. Nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái là một mô hình nuôi trồng thâm canh dựa trên hệ sinh thái rừng ngập mặn (De-León-Herrera và cộng sự, 2015; Musa và cộng sự, 2019). Mô hình này kết hợp bảo tồn và sử dụng rừng ngập mặn để nuôi trồng thủy sản, mang lại nhiều lợi ích về môi trường và kinh tế. Nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái có thể bảo tồn rừng ngập mặn, tăng năng suất, xử lý chất thải, phát triển kinh tế. Nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái là một giải pháp tiềm năng cho các khu vực ven biển bị suy thoái do hoạt động của con người (Mahmudi và cộng sự, 2021, 2022). Mô hình này giúp bảo vệ môi trường, tăng năng suất nuôi trồng và phát triển kinh tế cho cộng đồng địa phương.

Kiểm soát chất lượng nước là yếu tố then chốt để đảm bảo sản lượng tôm và lợi nhuận cho trang trại, đặc biệt trong hệ thống nuôi thâm canh. Việc theo dõi thường xuyên các thông số chất lượng nước là điều cần thiết để đạt được mục tiêu này (Adnan và cộng sự, 2014; Orozco-Lugo và cộng sự, 2022). Điều này là do tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống của tôm có liên quan chặt chẽ với các thông số hóa lý và sinh hóa của nước [Carbajal và Sánchez, 2008]. Với những thay đổi phức tạp và nhiều về chất lượng nước, thường khó diễn giải, giám sát và ước tính hiệu quả chất lượng nước cung cấp hiểu biết toàn diện về mức độ ô nhiễm, giúp hạn chế tác động của ô nhiễm đến sản xuất tôm.

Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá sự tương tác và các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự thay đổi các thông số chất lượng nước trong hệ thống nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái áp dụng cho nuôi tôm thẻ chân trắng. Việc theo dõi chất lượng nước lâu dài là cần thiết để phát hiện những biến động (McQuatters-Gollop và cộng sự, 2009). Quá trình này thu thập một lượng dữ liệu khổng lồ và phức tạp. Phương pháp thống kê đa biến, điển hình là phân tích thành phần chính (PCA), đóng vai trò quan trọng trong việc giải mã ma trận dữ liệu phức tạp và thực hiện phân tích toàn diện chất lượng nước. PCA giúp xác định các thành phần tiềm ẩn có ảnh hưởng lớn nhất đến hệ thống nước (Lusiana và cộng sự, 2022).

Chuẩn bị nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu bao gồm các ao nuôi tôm thẻ chân trắng tại Phòng thí nghiệm nước lợ và nước biển tại Đại học Brawijaya. Cơ sở này nằm ở vùng ven biển của Probolinggo Regency và được bao quanh bởi thảm thực vật rừng ngập mặn (Hình 1). Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2020 đến năm 2022.

Hình 1. Khu vực nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nước lợ và nước biển của Đại học Brawijaya (a) địa điểm nghiên cứu; (b) địa điểm lấy mẫu

Theo Hình 1b, việc lấy mẫu được thực hiện tại bốn địa điểm khác nhau. Trong khi Điểm 1 là cửa dẫn nước từ sông đến rừng ngập mặn thì Điểm 2 là cửa dẫn nước từ rừng ngập mặn đến ao. Điểm 3 bao gồm các cửa xả nước từ ao tới rừng ngập mặn, nơi chứa chất thải. Điểm 4 là cửa xả nước của rừng ngập mặn.

Đo các thông số chất lượng nước

Nhiều đặc điểm chất lượng nước tại các địa điểm nghiên cứu được đo bằng cách phân tích các mẫu nước. Máy đo Lutron PDO-520 DO được sử dụng để theo dõi nhiệt độ (°C), oxy hòa tan (DO; mg/L) và pH. Đĩa secchi và khúc xạ kế được sử dụng để kiểm tra độ trong suốt (m) và độ mặn (‰). Ngoài ra, nồng độ nitrat (mg/L), nitrit (mg/L) và amoniac (mg/L) được đo bằng bộ dụng cụ thử nghiệm. Cuối cùng, các phân tích đo màu và chuẩn độ ngoài hiện trường được thực hiện trên orthophosphate (mg/L) và tổng chất hữu cơ (TOM; mg/L).

Phân tích dữ liệu

Phân tích tương quan Pearson

Phân tích tương quan Pearson là một phương pháp có thể được sử dụng để đo lường mức độ gần gũi của mối quan hệ hoặc sự tương tác giữa hai biến định lượng. Phương pháp này đo lường mức độ liên kết và hướng của mối quan hệ giữa các biến và được biểu thị dưới dạng thước đo số được gọi là hệ số tương quan Pearson. Nếu hệ số gần -1 hoặc +1, điều đó cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa các biến. Nếu nó gần bằng 0 chứng tỏ không có mối quan hệ giữa các biến. Tầm quan trọng của kết quả có thể được đánh giá bằng cách sử dụng t-test [Lusiana và Mahmudi, 2020].

Phân tích thành phần chính

Phân tích thành phần chính (PCA) là một kỹ thuật hữu ích để giản lược dữ liệu bằng cách giảm số lượng biến mà vẫn giữ nguyên phần lớn thông tin trong tập dữ liệu. Nhờ vậy, đặc tính của dữ liệu được bảo toàn tối đa. PCA biến đổi các biến ban đầu (có thể tương quan với nhau) thành một tập hợp biến mới nhỏ hơn và độc lập (không còn tương quan). Các thành phần chính (PC) được tạo ra từ quá trình này giúp giải thích sự thay đổi trong dữ liệu với tỷ lệ tương ứng. Ví dụ, PC1 có thể giải thích tỷ lệ biến thiên cao hơn PC2, v.v. Do đó, giảm kích thước dữ liệu bằng cách chọn số lượng PC đủ để giải thích ít nhất 80% tổng biến thiên (Rencher & Christensen, 2012). Ngoài ra, việc sử dụng PCA dựa trên việc đáp ứng các giả định về tính đầy đủ của mẫu bằng thử nghiệm KMO và tính đồng nhất của dữ liệu bằng thử nghiệm Bartlett. Dựa vào giá trị hệ số tải để xác định các biến ảnh hưởng nhiều nhất đến sự biến đổi của dữ liệu (Jolliffe & Cadima, 2016).

Kết quả và thảo luận

Đặc điểm chất lượng nước

Bảng 1 tóm tắt kết quả đo lường chất lượng nước và so sánh với các tiêu chuẩn quốc gia Indonesia cho hoạt động nuôi trồng thủy sản. Phần lớn các thông số chất lượng nước đều đáp ứng các chỉ tiêu tiêu chuẩn bao gồm nhiệt độ, DO, nitrat, orthophosphate và TOM. Tuy nhiên, giá trị trung bình của độ mặn thấp hơn giá trị tiêu chuẩn, trong khi giá trị trung bình của amoniac cao hơn. Hơn nữa, mặc dù các giá trị trung bình của độ pH và độ trong nằm trong phạm vi tiêu chuẩn, nhưng giá trị tối thiểu lại nằm dưới các giá trị ngưỡng thấp hơn.

Bảng 1. Kết quả đo chất lượng nước

Tôm thẻ chân trắng có khả năng chịu đựng độ mặn thấp (Esparza-Leal và cộng sự, 2010). Độ mặn 1 ppt không ảnh hưởng đến tỷ lệ chuyển đổi thức ăn (Jaffer và cộng sự, 2020). Tuy nhiên, độ mặn 2 ppt có thể ảnh hưởng đến tăng trưởng và tỷ lệ sống (Gao và cộng sự, 2016). Trong khi đó, nồng độ amoniac cao trong các ao nuôi thâm canh có thể là kết quả của tỷ lệ thức ăn cao hơn, gây ra sự tích tụ bùn nhanh chóng ở đáy ao; đây là chất thải bao gồm thức ăn thừa, phân, sinh vật phù du thối rữa, các hạt trên không, đất xói mòn và vi sinh vật [Koyama và cộng sự, 2020].

Giá trị pH không phù hợp trong ao nuôi trồng thủy sản dẫn đến sự suy giảm sự phát triển của sinh vật nuôi [Tumwesigye và cộng sự, 2022]. Giá trị pH thấp hơn có thể hạn chế sự phân hủy của chất hữu cơ, dẫn đến tích tụ chất hữu cơ trong đáy ao, tăng nhu cầu oxy ở đáy ao [Boyd, 2017; Hasibuan và cộng sự, 2021]. Khi tôm tiếp xúc với pH thấp có thể dẫn đến giảm trọng lượng ở vỏ, giảm nhẹ nồng độ strontium và tăng hàm lượng magiê trong khi vẫn duy trì mức canxi [Wickins, 1984 ]. Hơn nữa, độ trong thấp của ao nuôi có thể ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của các sinh vật tự dưỡng, chẳng hạn như thực vật phù du [Lusiana và cộng sự, 2019].

Mối tương quan giữa các biến chất lượng nước

Kết quả phân tích tương quan Pearson, như thể hiện trong Bảng 2, cho thấy độ pH có mối tương quan đáng kể với độ trong suốt, DO, orthophosphate và TOM. Những yếu tố này liên quan đến chất hữu cơ trong ao nuôi. Trong những năm gần đây, Nghề nuôi tôm sử dụng nhiều thức ăn có hàm lượng protein cao, dẫn đến lượng chất hữu cơ dư thừa trong ao. Theo báo cáo, mặc dù khẩu phần ăn của tôm có hàm lượng protein 30–40% nhưng chỉ 20–25% trong số này được sử dụng, phần còn lại là bùn thải. Đối với mỗi kg tôm được cho ăn, có tới 50 g nitơ amoniac được tạo ra [Iber và Kasan, 2021]. Hơn nữa, quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước tiêu thụ oxy thông qua các quá trình được hỗ trợ bởi các sinh vật hiếu khí hoặc cần oxy, do đó làm giảm mức DO trong ao [Wu và cộng sự, 2021]. Một mối tương quan nghịch đã được quan sát giữa pH và DO, rất có thể là do quá trình nitrat hóa gây ra [Murray và cộng sự, 1975].

Bảng 2. Ma trận hệ số tương quan Pearson và kiểm định ý nghĩa các biến chất lượng nước

Ghi chú: * – có ý nghĩa ở mức 5%.

Độ mặn và độ trong có mối liên hệ chặt chẽ tại khu vực nghiên cứu ven biển. Vị trí nghiên cứu chịu ảnh hưởng bởi cả hai hệ sinh thái, dẫn đến sự biến động của độ mặn (Chand và cộng sự, 2015). Độ mặn cao khiến các hạt lơ lửng dễ dàng kết tụ lại, tạo thành các hạt rắn lớn hơn. Các hạt rắn này tiếp tục chìm xuống đáy biển và phân hủy, làm giảm lượng chất lơ lửng trong nước, từ đó tăng độ trong. Quá trình này cải thiện độ trong suốt của nước. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng những tác động này tăng lên cùng với độ mặn [Czuba và cộng sự, 2011].

Kết quả PCA

Thử nghiệm độ đầy đủ của mẫu (KMO) được tiến hành trước khi thực hiện PCA chỉ ra rằng chất lượng nước của ao nuôi tôm thẻ chân trắng nuôi theo mô hình sinh thái rất tốt trong nghiên cứu này; hệ số KMO là 0,70 hoặc lớn hơn 0,50 (). Ngoài ra, kết quả kiểm tra tính đồng nhất dữ liệu của Bartlett cũng hỗ trợ phân tích PCA (p < 4,56E-09). Như được hiển thị trong Hình 2, kết quả phân tích cho thấy số lượng khía cạnh của chất lượng nước nên giảm xuống còn 5 PC. Điều này là do năm chiều hoặc thành phần đầu tiên đóng góp tới 83,5% tổng biến thể.

Hình 2. Sơ đồ màn hình của PCA

Theo Bảng 3, PC đầu tiên (PC1) đại diện cho độ pH và DO, vì hệ số tải trong PC1 là cao nhất trong số các PC khác. Hơn nữa, PC2 biểu thị độ trong, amoniac và độ mặn, trong khi PC3 đặc trưng cho nitrat. Ngoài ra, nhiệt độ cũng như orthophosphate và TOM lần lượt được đại diện bởi PC4 và PC5.

Sự đóng góp của từng yếu tố chất lượng nước vào sự thay đổi tổng thể trong tập dữ liệu được mô tả trong Hình 3. Rõ ràng là độ mặn, amoniac và pH có đóng góp cao nhất. Vì vậy, chúng có thể được coi là yếu tố quyết định sự thay đổi động thái chất lượng nước trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng. Hơn nữa, các biến này được đại diện bởi hai PC đầu tiên trong nghiên cứu này.

Độ mặn đóng vai trò quan trọng trong môi trường sống của nhiều sinh vật thủy sinh, bao gồm cả tôm thẻ chân trắng. Nó ảnh hưởng đến sự tồn tại, tăng trưởng và phân bố trong các giai đoạn sống khác nhau, từ đại dương đến cửa sông [Kumlu và cộng sự, 2000; Walker và cộng sự, 2009]. Biến đổi độ mặn đặc biệt rõ rệt ở vùng nhiệt đới, nơi có mùa khô và mùa mưa [Chand và cộng sự, 2015]. Tuy nhiên, biến đổi khí hậu đang gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn, gây ảnh hưởng đến hoạt động nuôi trồng thủy sản nước ngọt trên toàn cầu [Badjeck và cộng sự, 2010]. Rừng ngập mặn, với vai trò là môi trường sống ven biển năng động và độc đáo, đóng góp nhiều dịch vụ sinh thái quan trọng. Chúng cung cấp nguồn dinh dưỡng và nơi trú ẩn cho các sinh vật dưới nước, bao gồm cả tôm thẻ chân trắng. Nghiên cứu của Ahmed và cộng sự (2022) cho thấy hàm lượng chất dinh dưỡng và lá cao trong rừng ngập mặn có khả năng giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của độ mặn đối với tôm.

Thức ăn dư thừa trong hệ thống nuôi tôm thâm canh dẫn đến nhiều hệ quả tiêu cực. Khi tôm tiêu thụ lượng thức ăn lớn, thức ăn thừa sẽ phân hủy, giải phóng các hợp chất nitơ có hại vào môi trường nước [Iber và Kasan, 2021]. Quá trình này tạo ra một phản ứng dây chuyền, tạo ra các thành phần góp phần gây ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước.

Amoniac, urê và carbon dioxide là những chất thải trao đổi chất phổ biến nhất được tìm thấy trong nước thải nuôi tôm [Patil và cộng sự, 2021).

Nồng độ amoniac trong ao nuôi tôm thâm canh có thể tăng cao theo thời gian, lên đến 46 mg/L [Lin và Chen, 2001]. Nồng độ amoniac cao ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước và giảm năng suất nuôi tôm [Iber và Kasan, 2021]. Thay nước thường xuyên là giải pháp để giảm amoniac, nhưng việc xử lý lượng nước thải lớn này cũng là một thách thức. Giảm amoniac trước khi thải ra môi trường là cách tốt hơn để xử lý nước. Hệ thống nuôi trồng thủy sản lâm sinh có thể giúp giảm amoniac hiệu quả [Musa và cộng sự, 2020]. Tuy nhiên, chỉ sử dụng cây ngập mặn có thể không đủ để đạt mức chất lượng nước “lý tưởng” [Mahmudi và cộng sự, 2022].

Khí CO₂ do tôm thải ra ảnh hưởng đến việc điều chỉnh độ pH trong nước ao nuôi [Boyd, 2015]. Nhiều yếu tố sinh học và hóa học trong ao cũng có thể làm thay đổi độ pH [Kathyayani và cộng sự, 2019]. Ví dụ, thực vật hấp thụ carbon dioxide vào ban ngày để quang hợp, trong khi thực vật và động vật thải ra carbon dioxide vào ban đêm [Boyd, 2017]. Độ pH không phù hợp trong ao nuôi có thể tăng độc tính amoniac, gây căng thẳng cho tôm, làm giảm sự phát triển của tôm, tăng tính nhạy cảm với bệnh tật, dẫn đến tử vong ở tôm [Kathyayani và cộng sự, 2019].

Kết luận

Nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh đang phát triển mạnh mẽ, nhưng cũng tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường. Hệ thống nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái kết hợp nuôi tôm với rừng ngập mặn là một giải pháp tiềm năng để bảo tồn hệ sinh thái ven biển và phát triển ngành nuôi tôm bền vững. Quản lý chất lượng nước đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo thành công của hệ thống nuôi trồng thủy sản theo mô hình sinh thái. Việc giám sát và đánh giá chất lượng nước một cách hiệu quả là điều cần thiết để phát hiện những thay đổi và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước trong ao nuôi. Phân tích thành phần chính (PCA) là một phương pháp thống kê đa biến hữu ích để phân tích dữ liệu chất lượng nước phức tạp. Nghiên cứu này áp dụng PCA để xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng nước trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng thuộc hệ thống nuôi trồng thủy sản nhiệt đới theo mô hình sinh thái.

Theo Muhammad Musa, Mohammad Mahmudi, Sulastri Arsad, Evellin Dewi Lusiana, Sunadji, Wisnu Angga Wardana, Magdalena Florensia Ompusunggu, Dhea Novita Damayanti

Nguồn: https://www.academia.edu/96117810/Interrelationship_and_Determining_Factors_of_Water_Quality_Dynamics_in_Whiteleg_Shrimp_Ponds_in_Tropical_Eco_Green_Aquaculture_System

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