Ts. Nguyễn Thị Ngọc Tĩnh, Viện Nghiên cứu Nuôi trồng thủy sản 2

I. Chu trình nitơ trong ao hồ

Chu trình nitơ là một trong những mô hình tuần hoàn vô hình và quan trọng nhất đối với môi trường thủy sinh. Tôm cá và các động vật thủy sinh trong quá trình sinh sống chúng bài tiết ra NH₃, nếu ở nồng độ cao NH3 sẽ gây độc. Chu trình nitơ, trong đó có quá trình amôn hóa và quá trình nitrate hóa diễn ra nhờ vào hoạt động của các vi khuẩn có ích giúp chuyển hóa các chất độc thành những chất có ích cho đời sống của thực vật thủy sinh và giúp các động vật thủy sinh không bị độc từ chất thải do chúng bài tiết ra.

1. Quá trình amôn hóa

Amôn hóa là quá trình phân hủy và chuyển hoá các hợp chất hữu cơ phức tạp thành NH3 dưới tác dụng cuả vi sinh vật. Dưới tác dụng của enzyme phân hủy protein (enzyme proteolytic, thường gọi là enzym proteaza) làm chất xúc tác sẽ phân hủy protein thành các chất đơn giản hơn, các chất này tiếp tục được phân giải thành acid amin nhờ tác dụng của enzyme peptidaza ngoại bào. Một phần nhỏ acid amin sẽ được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp thành protein của chúng (protein xây dựng cấu trúc cơ thể của vi sinh vật), phần còn lại được tiếp tục phân giải tạo ra NH₃, CO₂, SO₄^2- (nếu các acid amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác. Trong nước, NH₃ sẽ được chuyển hóa thành NH⁴⁺ theo phản ứng sau:

NH₃ + H₂O Û NH⁴⁺ + OH^-  (1)

2. Quá trình nitrate hóa

Dưới tác dụng của một số vi sinh sinh thì NH^₄₊ được hình thành từ quá trình amôn hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành NO^2- (nitrite) rồi thành NO^3- (nitrate). Trước hết NH⁴⁺ được chuyển hóa thành NO^2- bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để chuyển hóa NO^2- thành NO^3- . NO^3- có thể được các thực vật thủy sinh sử dụng như là một nguồn dinh dưỡng hoặc có thể bị chuyển hóa tiếp thành khí nitơ (N₂) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí như Pseudomonas. Các quá trình chuyển hóa NH⁴⁺ đều cần sự tham gia của oxy và độ kiềm của nước. Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau. Hai giống vi khuẩn này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên; môi trường đất, nước. Môi trường thích hợp cho cả 2 loại này phải có pH>6 (tối ưu ở pH=7-8).

Giai đoạn nitrit hóa : Chuyển hóa NH⁴⁺ thành NO^2- (2) bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa.
NH⁴⁺  + 1,5 O₂  ®  NO₂ + 2H⁺ + H₂O  (2)

Vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong quá trình nitrite hóa là vi khuẩn hóa vô cơ tự dưỡng, là loài vi khuẩn hiếu khí bắt buộc. Khi chúng chuyển hóa NH⁴⁺ thành NO^2- sẽ sinh ra năng lượng, năng lượng này sẽ được các vi khuẩn nitrite hóa sử dụng cho hoạt động sống của mình. Sự có mặt của các nhóm vi khuẩn nitrite hóa giúp loại bỏ được NH⁴⁺, khi hàm lượng NH⁴⁺ trong nước giảm phương trình phản ứng (1) sẽ dịch chuyển theo chiều thuận dẫn đến làm giảm hàm lượng NH₃ trong nước, làm giảm khả năng gây độc của NH3 đối với tôm cá.

Trong tự nhiên vi khuẩn nitrite hóa hiện diện rất nhiều: Nitrosococcuseanus,  Nitrosococcus (thuộc phân lớp γ- proteobacteria), Nitrosomonas sp và Nitrosopira sp (thuộc phân lớp β- proteobacteria), Nitrosocystis,  Nitrosolobus. Tất cả các vi sinh vật này đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hoá nhưng khác nhau khác nhau về đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào. Tất cả đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch.

             Nitrosomonas sp                                                                           Nitrosolobus sp                                                                     Nitrosococus sp

Giai đoạn nitrat hóa : Chuyển NO_2-  thành NO_3- (3) bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa.
NO₂  + 0,5 O₂ ® NO₃  (3)

Sau quá trình nitrite hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrate hóa sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hoá NO_2- thành NO_3- (là sản phẩm cuối cuả quá trình nitrat hóa). Các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa cũng là vi khuẩn hóa vô cơ tự dưỡng, vi khuẩn nitrate hóa thường gặp (gồm có 3 chi khác nhau): Nitrobacter vinogradskii,  Nitrobacter agilis ( thuộc phân lớp α-Proteobacteria),  Nitrospina gracili , Nitrococcus mobilis (thuộc phân lớp β–Proteobacteria).

Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra trong điều kiện trong nước có đầy đủ oxy lúc đó thì nồng độ của NO_2- không vượt quá 0,5 mg/L, nhưng khi trong nước thiếu oxy thì NO_2- sẽ tồn tại nhiều và gây độc cho tôm. Trong một số nghiên cứu thì quá trình nitrate hóa trong hồ các ao hồ nuôi thủy sản xảy ra không mạnh do vi sinh vật phát triển chậm, khả năng nitrate hóa khoảng 25–50g/m3/ngày.

                    Nitrobacter agilis                                                                              Nitrobacter winogradskil                                    Nitrosococus mobilis             

II. Ứng dụng vi khuẩn nitrate hóa trong nuôi trồng thủy sản

Hiện nay vi khuẩn nitrate hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước (nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt và nước thải từ nuôi trồng thủy sản). Trong nuôi trồng thủy sản, nhóm vi khuẩn nitrate hóa được sử dụng rất phổ biến trong lãnh vực sản xuất giống thủy sản và nuôi thủy sản thâm canh. Quy trình sản xuất được thực hiện thông qua hệ thống lọc sinh học tuần hoàn, nước thải từ các bể ương nuôi tôm cá chứa hàm lượng NH₃ (do tôm cá bài tiết ra) được đưa vào bể lọc sinh học để xử lý. Trong bể lọc sinh học, vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa NH⁴⁺ thành NO^2- (giai đoạn nitrite hóa), kế đến vi khuẩn Nitrobacter chuyển hóa NO^2- thành NO^3- (giai đoạn nitrate hóa). Nước sau khi xử lý qua bể lọc sinh học hoàn toàn không độc cho tôm cá và được được tái sử dụng để ương nuôi tôm cá (đưa trở lại bể ương nuôi). Trong suốt quá trình nuôi, nước sẽ tuần hoàn trong một hệ thống kín và hoàn toàn không thay nước, chỉ có một lượng nhỏ nước mới được cấp thêm vào hệ thống đề bù đắp cho lượng nước hao hụt do bốc hơi. Hệ thốc lọc sinh học tuần hoàn được mô tả qua sơ đồ sau:

Sơ đồ hệ thống lọc sinh học tuần hoàn

Hiện nay, các nước phát triển đã ứng dụng rất thành công quy trình lọc sinh học tuần hoàn trong sản xuất thâm canh cá trê phi, cá chình, cá hồi và cá bơn và cả cá rô phi. Năng suất nuôi cá trê phi có thể đạt 500kg/m³/vụ, cá chình khoảng 600 kg/m3/vụ và cá rô phi là 140 kg/m³/vụ. Ở Việt Nam, quy trình lọc sinh học tuần hoàn được áp dụng phổ biến trong các trại sản xuất giống tôm càng xanh và tôm sú, đặc biệt là các trại giống ở vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long. Những lợi ích của quy trình sản xuất này gồm:

- Quy trình sản xuất dựa hoàn toàn vào nhóm vi sinh vật tự nhiên nên không sử dụng hóa chất, kháng sinh nên sản phẩm đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm thủy sản

- Do quá trình sản xuất trong hệ thống kín nên hạn chế được dịch bệnh

- Không thay nước nên không gây ô nhiễm môi trường

- Lượng nước sử dụng trên một đơn vị sản phẩm thấp

- Chi phí công lao động thấp

Mặc dù mới chỉ mới được ứng dụng trong lãnh vực sản xuất giống, nhưng nhóm vi khuẩn nitrate hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter…) đã mang lại lợi ích thiết thực cho nghề nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam. Nhóm vi khuẩn này còn có nhiều triển vọng cho sự phát triển nuôi thủy sản thâm canh trong tương lai.

Bài viết đã được UV-Việt Nam mua tác quyền từ tác giả, bất cứ hình thức sao chép nào đều phải có trích dẫn nguồn từ Công ty Cổ Phần UV