Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lê Xuân Thịnh NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC CHẤT DINH DƢỠNG CHỦ YẾU TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG AO NUÔI CÁ TRA VIỆT NAM TĨM TẮT LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT MƠI TRƢỜNG Hà Nội - 2022 Cơng trình hồn thành tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đặng Xuân Hiển PGS.TS Trần Văn Nhân Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Theo Hiệp hội chế biến xuất thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019, Việt Nam xuất cá Tra sang 131 thị trường có thị trường gồm: Trung Quốc – Hồng Kơng, Mỹ, EU, ASEAN, Mexico, Brazil, Colombia Nhật Bản đạt 1,61 tỷ USD [1] Có thể thấy ngành sản xuất chế biến xuất cá Tra có tầm quan trọng lớn phát triển đất nước: Vùng đồng sơng Mekong chiếm 12% tổng diện tích chiếm khoảng 80% lượng sản xuất thủy sản nước Tuy nhiên, phát triển nhanh chóng lại dấy lên mối quan tâm từ người tiêu dùng, nhà sản xuất, tổ chức phi phủ, quan nhà nước ảnh hưởng tiêu cực mặt môi trường xã hội ô nhiễm nguồn nước gây chất thải, thức ăn dư thừa, cá chết hóa chất trang trại nuôi sở chế biến cá Tra [2] Với lượng chất thải lớn nồng độ chất ô nhiễm cao, chất thải từ ao nuôi cá Tra ảnh hưởng tới không với mơi trường xung quanh mà cịn ngành thủy sản (sức khỏe cá, vấn đề lâu dài sản lượng) Phương pháp mơ hình hóa sử dụng để mơ tả q trình diễn hồ giải pháp hữu hiệu nghiên cứu theo dõi diễn biến thành phần hồ nuôi cá Tra, dự đốn thay đổi q trình với điều kiện môi trường khác Luận án “Nghiên cứu mơ q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam” thực tính tốn, mơ q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng chủ yếu, số trình sinh học mối tương quan yếu tố tác động đến môi trường ao ni cá Tra |Trang Mục đích nghiên cứu Đánh giá đặc trưng chất lượng mơi trường ao ni; Có số liệu đánh giá ảnh hưởng việc bổ sung enzyme thức ăn đề việc giảm phát thải Phốt môi trường ao nuôi; Xây dựng mơ hình số phục vụ tính tốn, mơ q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng chủ yếu, số trình sinh học mối tương quan yếu tố tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra ĐBSCL (Việt Nam) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu - Các chất dinh dưỡng thông số chất lượng nước ao nuôi cá Tra nước Đồng sơng Cửu Long - Các q trình sinh học môi trường ao nuôi cá Tra điều kiện Việt Nam; Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tập trung vào đặc trưng dinh dưỡng chủ yếu ao nuôi cá Tra - Các trình sinh học diễn ao phát triển cá điều kiện ao nuôi Nội dung nghiên cứu - Khảo sát thông số đặc trưng chủ yếu môi trường ao nuôi cá Tra điều kiện ĐBSCL (Việt nam); - Khảo sát quy trình bổ sung enzym phytase vào thức ăn nuôi cá Tra; - Thiết lập mối quan hệ tương hỗ thông số môi trường ao nuôi cá Tra; - Xây dựng thiết lập mơ hình số mô thông số môi trường N P nước bùn đáy ao, mơ hình số mơ trình phát triển động thực vật phù du ao ni cá Tra Các phương trình |Trang giải số code số ngôn ngữ lập trình Matlab, sau hiệu chỉnh kiểm nghiệm số liệu đo thực tế Các đóng góp luận án Tính luận án: - Xác định thông số đặc trưng môi trường ao nuôi: DO, PO43-, TP, NO3-, NH4+, TN - Đã đưa tỷ lệ bổ sung enzym phytase phù hợp vào thức ăn 0,01% theo trọng lượng khô - Luận án phát triển mơ hình tốn mơ q trình sinh học ao ni cá Tra Việt Nam; mơ hình kiểm nghiệm hiệu chỉnh cho độ xác cần thiết sử dụng giúp tác nghiệp/hỗ trợ công tác quản lý vận hành ao nuôi cá Tra Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Tính sáng tạo: Việc sử dụng mơ hình tốn để mơ phỏng, qua điều chỉnh chế độ dinh dưỡng cho ao nuôi cá giúp cắt giảm chi phí giá thành, thời gian ni giảm thiểu nhiễm mơi trường thể tính sáng tạo luận án - Tính khoa học: Nghiên cứu dựa trình thu thập, phân tích mẫu ao ni thực tế dựa ngun lý q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng N, P, C, O2 qua so sánh kết đo thực số liệu mơ hình để hiệu chỉnh đưa mơ hình hồn chỉnh - Giá trị thực tiễn: Mơ hình mơ q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng ao nuôi cá Tra Việt Nam quan trọng Mơ hình giúp trang trại ni cá Tra quản lý tốt q trình ni cá cách kiểm soát tốt yếu tố đầu vào như: thức ăn, nước cấp, thay nước, nạo bùn, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường |Trang Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cá Tra Cá Tra số 11 loài thuộc họ cá tra (Pangasiidae) xác định ĐBSCL Tên loài Pangasianodon hypophthalmus Rainboth sử dụng lần đầu vào năm 1996 để định cho loài cá Tra Hiện có 11 lồi thuộc họ cá Tra tìm thấy Việt Nam, có lồi đối tượng nuôi quan trọng ao bè 1.2 Tổng quan enzyme thức ăn thủy sản Vai trò tác dụng enzyme Phytase thức ăn thủy sản Phytase làm giảm số lượng chất dinh dưỡng thải môi trường cách tạo liên kết phốt cho cá tăng trưởng, đưa vào thể cá thay thải Phytase bổ sung vào chế độ ăn cải thiện prơtein axit amin tiêu hóa cá, ngồi cải thiện lượng trao đổi thức ăn cách phá vỡ hợp chất phytase-lipid Các nghiên cứu ứng dụng enzyme phytase nuôi trồng thủy sản Phytase enzym giải phóng phytate đính phosphor (P) để sử dụng đường tiêu hố vật ni dày đơn Một số thí nghiệm cho thấy việc bổ sung enzyme phytase vào thức ăn giúp thủy phân phytate giải phóng phốt số dưỡng chất khác từ cải thiện hiệu sử dụng thức ăn, phốt tốc độ tăng trưởng cá 1.4 Tổng quan mơ hình mơ hình hóa Có nhiều mơ hình phát triển góp phần vào việc quản lý sơng hồ giới Mơ hình PC Lake nghiên cứu tượng phú dưỡng hồ nơng Mơ hình mơ cấu tử cột nước lớp trầm tích bên trên, bao gồm thành phần hữu sinh vô sinh quan trọng, mà khơng phân tầng theo chiều sâu khơng có sai khác nồng độ cấu tử theo chiều ngang chiều dọc hồ; mơ hình cho phép mô vùng đất ngập nước với thảm thực vật ngập nước |Trang Nghiên cứu mơ hình hóa chu trình photpho gây phú dưỡng hồ Loosdrecht Mơ hình mơ chu trình photpho tăng trưởng sinh vật phù du hồ nông, phú dưỡng Loosdrecht (Hà Lan) trước sau biện pháp phục hồi Bên cạnh mơ hình cịn mơ ba nhóm tảo bao gồm: tảo lục, tảo lam, tảo cát; động vật phù du, cá, mùn hữu trầm tích (cacbon photpho) Nghiên cứu mơ hình động lực dinh dưỡng ao nuôi cá bán thâm canh Nghiên cứu Li (2003) đưa mơ hình mơ mối quan hệ thành phần dinh dưỡng có ao ni cá rơ phi sơng Nile Mơ hình phát triển dựa phần mềm mô STELLA II thiết kế để xác định yếu tố dinh dưỡng cho trình sinh trưởng cá Nghiên cứu mơ hình phú dưỡng hồ Washington Mơ hình nghiên cứu mối tương quan dinh dưỡng phức tạp hồ Washington, Hoa Kỳ sử dụng để thử nghiệm kế hoạch quản lý thay bao gồm: chu kỳ nguyên tố (như C, N, P, Si, O), thực vật phù du (tảo cát, tảo lục, tảo lam), động vật phù du nhóm coi cần thiết Mơ chất dinh dưỡng động học thực vật phù du hồ Bắc Mỹ Bushra (2021) mô tả cung cấp công thức để dùng phần mềm MINLAKE2020 mô thực vật phù du không ổn định (được định lượng cách sử dụng nồng độ chlorophyll-a), động vật phù du chất dinh dưỡng cho giai đoạn có nước bình thường đóng băng Các nghiên cứu xây dựng mơ hình mô nuôi trồng thủy sản Việt Nam Trieu Minjiao Lu (2013) nghiên cứu mơ hình mô ni tơ phốt thải từ điểm khác (nuôi ao nuôi bè), thải liên tục (nuôi bè) thải gián đoạn (nuôi ao) sông Mekong |Trang N.V.A Tuấn cộng (2016) ứng dụng mơ hình Mike 11 mơ q trình lan truyền chất nhiễm nuôi trồng thủy sản số sông lớn tỉnh Quảng Trị |Trang CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM 2.1 Thí nghiệm, thu mẫu phân tích thơng số mơi trƣờng ao ni Bố trí thí nghiệm P, độ ẩm, đạm thơ, protein tiêu hóa Nước Thức ăn Nước cấp vào BOD, COD, BOD, COD, - TSS, H S, NO - - Bùn đáy TSS, H S, NO , - Khối lượng cá, độ đạm, FCR, độ ẩm 2.1.P,Sơ đồ bố TN, TP 2 BOD, COD, TSS, - - H S, NO , NO , Hình trí thí nghiệm, thu mẫu phân2 tích 2mơi trường Nghiên cứu đo đạc thơng số môi trường thông qua nuôi thử nghiệm cá Tra thực từ tháng đến tháng 11 năm 2016 ao ni với diện tích ao 200 m2, sâu 2,5 m Trang trại thủy sản mẫu (dự án SUPA) quận Cái Răng – Cần Thơ Thí nghiệm gồm nghiệm thức thức ăn có khơng có bổ sung enzyme phytase Mỗi nghiệm thức lặp lại lần bố trí ao nuôi Thức ăn sử dụng thức ăn cho cá tra có hàm lượng protein thơ 28% 22% Phương pháp thu mẫu phân tích Hàm lượng đạm thô, ẩm độ hàm lượng phốt mẫu thức ăn mẫu cá phân tích theo phương pháp từ Hiệp hội phân tích hóa học AOAC, 2000 Ẩm độ: xác định cách sấy mẫu tủ sấy nhiệt độ 105oC khối lượng không đổi (khoảng 4-5 giờ) Các mẫu thu thập điểm cầu cho ăn, nơi cá cho ăn lần Độ pH, nhiệt độ DO đo đo trực tiếp ao ngày (lúc sáng chiều) máy phân tích HANNA Các mẫu |Trang thông số khác COD, BOD, TSS, H2S, TAN, P-PO43-, TKN, TP, NNO2-, N-NO3- thu trước nuôi (L1) 10 ngày lần vào buổi sáng (tổng cộng 13 lần) Mẫu nước bảo quản phân tích tuân theo hướng dẫn tiêu chuẩn (APHA et al, 1995) 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thiết lập mơ hình Từ nghiên cứu trước mơ hình ao/hồ, mơ hình cấu trúc trình sinh học diễn ao ni cá Tra xây dựng sau: Hình 2.2 Mơ hình cấu trúc diễn ao ni cá Tra Mơ hình khái niệm Mơ hình gồm 13 biến trạng thái gồm: thực vật phù du (3 nhóm: Diatoms, Greens, Cyanobacteria); tổng chất hữu dạng hạt (POC); tổng chất hữu hòa tan (DOC); tổng Nito hữu cơ; tổng Photpho hữu cơ; chất vô (NH4+, NO3-, PO43-); nồng độ oxy hòa tan (DO); số lượng cá; sinh khối cá ao 10 biến phụ gồm: biến phụ hàm lượng N P nhóm thực vật phù du; biến phụ khác: tổng Nito hữu hòa tan (DON), |Trang ∑ () ( ) ( ) ∑ ( ) () () ( ) ( ( )( ( ) () ( )( ( ) () ∑ ( ) ( )) () () ( ) ) Oxy hịa tan (DO): Phương trình mơ tả biến đổi ơxy hồ tan ao ni cá: ( ) ∑ ( ( ( ) ( ( ) ∑ ( ) ∑ ) ( ) () ( ) () ( ) ) ( ) () ( ) ( () () ) ( )( ( ) ( )) ( )( ( ) ( )) ( ) ( ) ( )) Phương pháp giải hệ phương trình vi phân Phương pháp giải hệ phương trình vi phân thuật tốn Runge Kutta bậc Số hóa phương trình Các phương trình tốn giải phương pháp số sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab 2019 11 |Trang Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu khảo sát biến động môi trƣờng ao nuôi 3.1.1 Biến động Nhiệt độ, pH, DO đối chứng thí nghiệm Trong ao đối chứng (Control Pond - CT), thông số vào buổi sáng buổi chiều dao động phạm vi nhiệt độ 29,3-33,3oC, pH 6,8-8,5, DO 1,6-8,3 mg/L Trong ao thí nghiệm (Experiment Pond - ET), thông số dao động phạm vi nhiệt độ 29,5-33,1oC, pH 7,0-8,0 DO 2,0-8,5 mg/L DO (mg/L) CT-sang ET-sang CT-chieu 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian (ngày) 90 100 110 120 130 Hình 3.1 Biến động DO ao ni cá Tra thời gian khác 3.1.2 Biến động BOD COD Giá trị COD biến động mẫu thu ao đối chứng (CT) ao thí nghiệm (ET) thêm phytase COD trước tăng ET là: 35,5 ± 1,36 mg/L CT 23,5 ± 2,04 mg/L (P> 0,05) COD sau thu hoạch ET 57,6 ± 4,53 CT 20,8 ± 2,26 mg/L (P < 0,05) Tại ET, COD dao động khoảng 28.8-156 mg/L, giá trị trung bình COD giai đoạn 62,4 ± 33,2 mg/L cao CT (COD 20,8-119 mg/L, giá trị trung bình 47,5 ± 30,6 mg/L) 12 |Trang COD mg/L mgCOD/g cá 180 160 140 120 100 80 60 40 20 120 CT ET 100 CT ET 80 60 40 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) Hình 3.2 Biến động COD ao nuôi cá Tra thời điểm khác BOD mg/L 25 20 CT ET mg BOD/g 35 cá 30 25 15 CT 20 10 ET 15 10 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 Hình 3.3 Giá trị BOD ao nuôi cá Tra thời điểm khác 3.1.3 Biến động TSS Giá trị TSS khơng có khác biệt đáng kể ao đối chứng (CT) ao thí nghiệm (ET) thêm phytase (p> 0,05) Trong CT, giá trị TSS 26,5 222 mg/L, trung bình 118 ± 60,5 mg/L Trong ao thí nghiệm, TSS 35,0 - 208 mg/L, trung bình 116 ± 67,0 mg/L Giá trị TSS nghiên cứu có xu hướng tăng theo thời gian nuôi (L1 - L9) 13 |Trang TSS mg/L 250 mg TSS/ g cá CT 200 150 ET 150 CT ET 100 100 50 50 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 Hình 3.4 Hàm lượng TSS ao ni cá Tra thời điểm khác 3.1.4 Biến động TAN, NH3 NH4+ Giá trị TAN ao thể hình Trong ao đối chứng CT, trung bình TAN 1,78 ± 0,035 mg/L (0,172 - 1,1 mg/L) giá trị trung bình ao thí nghiệm 1,83 ± 0,047 mg/L (0,16 – 3,04 mg/L) TAN tăng nhanh từ mẫu thứ đến mẫu thứ năm giảm dần vào cuối kỳ Những kết tương tự với nghiên cứu khác Nguyễn Thanh Phương et al (2012) [118] với TAN ao khoảng 2,86 – 4,06 mg/L TAN mg/L 3.5 mgTAN/ g cá CT 3.0 ET 2.5 3.0 2.5 CT 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 Thời gian (ngày) 0.0 0.5 ET Thời gian (ngày) 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.5 Dao động TAN ao nuôi cá Tra thời điểm khác 14 |Trang TAN tổng giá trị NH3 NH4+, NH3 khí độc cho cá NH3 ao đối chứng CT khoảng 0,005 – 0,25 mg/L, trung bình 0,043 ± 0,067 mg/L; ao thí nghiệm ET 0,002 – 0,172 mg/L, trung bình 0,042 ± 0,050 mg/L 3.1.5 Biến động TP Giá trị TP ao đối chứng ao thí nghiệm ngày tăng, đặc biệt từ mẫu thứ 8, giá trị TP ao thí nghiệm thấp đáng kể (p < 0,05) so với ao đối chứng Điều thể rõ mẫu thứ 13, nồng độ TP ao thí nghiệm có thêm phytase (1,82 mg/L 3,14 mg/L) thấp nhiều so với ao đối chứng (3,49 mg/L 3,47 mg/L) Do đó, việc bổ sung phytase vào thức ăn tạo kết tốt hơn, giảm TP cải thiện điều kiện môi trường ao nuôi cá Tra 5.0 4.0 3.0 2.0 mg TP/g cá TP mg/L 1.5 CT CT ET ET 1.0 2.0 0.5 1.0 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0.0 0.0 Hình 3.10 Giá trị TP ao nuôi cá Tra thời điểm khác 15 |Trang 3.1.6 Biến động TN, TP bùn đáy ao mgTP/L bùn (a) mgTP/L bùn/g cá CT CT ET ET Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 Hình 3.11 Biến động TP bùn ao cá Tra thời điểm khác Nồng độ P-PO43- tăng từ đầu đến cuối giai đoạn nuôi ao đối chứng CT ao thí nghiệm ET Giá trị trung bình P-PO43- ao đối chứng: 1,15 ± 1,07 mg/L (dao động từ 0,045 – 3,16 mg/L) cao ao thí nghiệm: 0,816 ± 0,68 mg/L (dao động từ 0,07 – 1,88 mg/L) (p > 0,05) mgTN/L bùn (b) mg 4.5 TN/L bùn/g 4.0 cá CT ET 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Thời gian (ngày) 0.5 CT ET Thời gian (ngày) 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.12 Hàm lượng TN bùn ao cá Tra thời điểm khác 16 |Trang 3.1.7 Đánh giá ảnh hưởng bổ sung enzime phytase lên hiệu sử dụng thức ăn môi trường ao nuôi cá Tra Đánh giá tốc độ tăng trƣởng, tỉ lệ sống hiệu sử dụng thức ăn cá Tra thí nghiệm Kết thí nghiệm cho thấy tăng trưởng tuyệt đối (DWG) cá nghiệm thức bổ sung phytase điều thể cao có ý nghĩa thống kê (P