2.4.1. Nitơ
3.4.1.1. Chu trình Nitơ trong ao nuôi thủy sản
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 amôn hóa và quá trình nitrate hóa diễn ra nhờ 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 tiết ra [26].
Quá trình amôn hóa
Amôn hóa là quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp tạp thành NH3dưới tác dụng của vi sinh vật. Dưới tác dụng của enzyme phân hủy protein (enzyme proteolytic, thường gọi là enzyme protease) 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 trực tiếp phân giải tạo ra ; ; (nếu các acid amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác[26],[25].
Trong nước, sẽ được chuyển hóa thành theo phương trình sau: + 0 → + (1)
Quá trình nitrat hóa
Dưới tác dụng của một số vi khuẩn thì được hình thành từ quá trình amôn hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành (nitrite) rồi thành (nitrate). Trước hết được chuyển thành bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để chuyển hóa thành . 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 ( ) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí như
Pseudomonas. Các quá trình chuyển hóa đều cần sự tham gia của oxy và độ kiềm của nước. Quá trình nitrat 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) [26].
Giai đoạn nitrit hóa: Đây là quá trình chuyển hóa thành do nhóm vi khuẩn nitrit hóa. Phản ứng xảy ra như sau:
+1½ +2 + 0 (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 chuyển hóa thành 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 , khi hàm lượng trong nước giảm phương trình phản ứng (1) sẽ dịch chuyển theo chiều thuận dẫn đến làm hàm lượng trong nước, làm giảm khả năng gây độc của đối với tôm cá [26].
Trong tự nhiên, vi khuẩn nitrit hóa tồn tại nhiều nhóm: Nitrosococus, Nitrosococuseanus (phân - proteobacteria), Nitrosomonas sp. Và Nitrosopira sp.(phân lớp β- proteobacteria), Nitrosocystis, Nitrosolobus. Tất cả các vi sinh vật này đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa nhưng 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 [25].
- Giai đoạn nitrate hóa: Đây là quá trình chuyển thành do nhóm vi khuẩn nitrate hóa. Phản ứng xảy ra như sau:
+ ½ → (3)
Sau quá trình nitrite hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrate hóa sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hóa thành ( là sản phẩm cuối của quá trình nitrate 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 loài khác nhau) là
Nitrobacter agilis, Nitrobacter vinogradskii (phân lớp - proteobacteria); và Nitrococus mobilis, Nitrospina gracili ( phân lớp β-proteobacteria)[25].
Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra trong điều kiện nước có đầy đủ oxy lúc đó thì nồng độ của không vượt quá 0,5 mg/l, nhưng trong nước thiếu oxy thì sẽ tồn tại nhiều và gây độc cho tôm. Trong một số nghiên cứu thì quá trình nitrate hóa trong các ao hồ nuôi thủy sản xảy ra không mạnh do vi sinh vật phát triển chậm, khả năng nitrate hóa khoảng 25- 50 g/ /ngày[25].
2.4.1.2. Cân bằng Nitơ trong ao nuôi thủy sản
Cân bằng Nitơ bao gồm sự cân đối giữa đầu vào và đầu ra trong một hệ thống dưới tác động của nhiều yếu tố. Theo kết quả đã được nghiên cứu trên ao nuôi tôm thẻ chân trắng 1 ha, nguồn Nitơ đầu vào chủ yếu từ thức ăn, chiếm đến 90,68% , giống 0,01% , nước cấp 9,31% và Nitơ đầu ra tích lũy ở tôm đạt 27,63%, thải ra môi trường nước 57,47%. Kết quả cân bằng Nitơ Nguyễn Duy Quỳnh Trâm và ctv (2014) được trình bày chi tiết ở bảng 2.1
Bảng 2.1. Cân bằng Nitơ trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng (tính cho 1 ha)
Yếu tố đánh giá Khối lượng (kg N) Tỷ lệ (%)
Yếu tố đầu vào Tôm giống 0,01 0,01 Thức ăn 435,61 90,68 Nước cấp 44,75 9,31 Tổng đầu vào 480,37 100 Yếu tố đầu ra Nước ao 276,05 57,47 Bùn đáy 57,90 12,05
Tôm thu hoạch 132,73 27,63
Đầu ra không xác định 13,69 2,85
Tổng đầu ra 480,37 100
Nguồn: Nguyễn Duy Quỳnh Trâm và ctv (2014) [25].
Việc tích tụ Nitơ trong nước và bùn đáy ao làm cho động thái ao nuôi thay đổi. Chu trình Nitơ tự nhiên là quá trình giảm độc cho vật nuôi trong ao [26].
2.4.2. Phốt pho
2.4.2.1. Chu trình Phốt pho trong ao nuôi thủy sản
Hàm lượng Phốt pho trong nước ao thấp. Phốt pho được đưa vào ao qua phân bón để kích thích thực vật phù du nở hoa, làm tăng sinh vật làm thức ăn tự nhiên và làm tăng năng suất nuôi. Trong ao có cho ăn, một phần Phốt pho trong thức ăn không được đồng hóa bởi sinh vật nuôi đi vào nước làm tăng năng suất thực vật phù du [26].
Khi phốt phát được cung cấp qua phân bón hóa học, hàm lượng sẽ giảm nhanh về mức ban đầu. Một số Phốt pho mất trong nước do thực vật và vi khuẩn hấp thụ. Thực vật phù du nở hoa quá mức có thể hấp thụ một lượng lớn Phôt pho sẽ bị
hấp thụ trong đất. Ngay cả Phốt pho ban đầu được thực vật phù du hấp thụ cuối cùng cũng bị khoáng hóa từ vật chất hữu cơ đi vào [26].
Lượng Phốt pho đi vào ao từ nguồn tự nhiên, bao gồm giải phóng từ đất thì thường khá nhỏ ngay cả trong ao năng suất cao. Phốt pho được cung cấp qua phân bón để duy trì năng suất. Phốt pho trong phân hữu cơ được giải phóng khi phân được phân hủy bởi vi khuẩn. Lượng Phốt pho trong phân hữu cơ được giải phóng khi nhân được phân hủy bởi vi khuẩn. Lượng Phốt pho thu hoạch từ động vật thủy sinh thường thấp hơn 1/3 lượng Phốt pho cung cấp vào ao. Tuy nhiên, sinh khối động vật thu hoạch từ ao nuôi là mất Phốt pho nhiều nhất trong hệ sinh thái. Hầu hết Phốt pho đưa vào ao giữ lại trong ao ở dạng hợp chất phốt phát không hòa tan trong đất. Không may, phốt pho trong đất không thể dùng được đối với loài thực vật không có rễ trong ao [26].
Phốt pho vô cơ trong đất hoặc bùn xuất ở dạng phốt phát canxi, phốt phát sắt hay phốt phát nhôm. Trong đất phèn, ion nhôm xuất hiện nhiều ở hàm lượng khá cao và phản ứng với phốt phát để tạo thành phốt phát nhôm không hòa tan theo phản ứng:
+ → + 2 (4)
Ở cùng điều kiện pH, ion nhôm xếp trước ion sắt vài bậc trong bùn hiếu khí. Vì vậy, phốt phát đầu tiên phản ứng với nhôm, nhưng sự tồn tại của phốt phát sắt cho thấy một số phốt phát nhôm được chuyển thành phốt phát sắt. Khi bùn trở nên yếm khí, phốt phát sắt hòa tan và nước yếm khí ở đáy ao có thể có nhiều phốt phát. Vì vậy, khi nước trở nên hiếu khí trở lại thì phốt phát sắt sẽ kết tủa. Khi pH đất ao tăng, hàm lượng ion nhôm giảm, do đó, ít phốt phát kết tủa dưới dạng phốt phát nhôm. Nơi nào có pH từ 6-7, sự kết tủa của phốt phát nhôm là nhân tố chi phối loại phốt phát trong nước. Khi pH trong đất tăng và phốt phát kết tủa dạng phốt phát canxi. Thời gian dài, phốt phát canxi bị chuyển hóa thành dạng khống apatic (đá phốt phát) không hòa tan. Khi pH và hàm lượng canxi cao apatic có thể kết tủa trực tiếp từ trong nước. Bùn cũng chứa phốt pho hữu cơ. Sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vi sinh vật sẽ giải phóng phốt phát mà sẽ tham gia phản ứng với nhôm, sắt và canxi [26].
Thực vật phù du có thể hấp thụ nhanh phốt phát từ trong nước, vì vậy một tỉ lệ lớn của phốt pho cung cấp cho ao có thể đi vào tế bào thực vật phù du và thúc đẩy sinh trưởng. Tế bào tảo có thể được tiêu thụ bởi động vật thủy sinh, nhưng hầu hết thì chết và lắng tụ xuống đáy. Các nghiên cứu cho thấy khoảng 70% phốt phát cung cấp vào ao qua phân bón hay thức ăn cuối cùng tìm thấy chúng trong bùn.
Phốt pho trong đất đáy ao thì cân bằng với phốt pho trong nước, nhưng mặc dù vậy, hàm lượng Phốt pho trong nước rất thấp. Vì vậy, trầm tích ao dường như là chất lắng hơn là nguồn Phốt pho [26].
2.4.2.2. Cân bằng Phốt pho trong ao nuôi
Cân bằng Phốt pho là cân bằng giữa đầu vào và đầu ra trong một hệ thống do nhiều yếu tố tác động. Điều này cũng xảy ra tương tự cân bằng Nitơ. Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Duy Quỳnh Trâm và ctv (2014) cho thấy chỉ 8,35% Phốt pho cung cấp được tích lũy trong tôm thẻ chân trắng, gần 92% thải ra môi trường: trong đó Phốt pho trong nước thải chiểm 24,17%, Phốt pho trong bùn đáy chiếm 41,18%. Có thể việc dư thừa Phốt pho sẽ làm thay đổi chu trình Phốt pho tự nhiên và quá trình tích tụ phốt pho, là chất thải rắn, ảnh hưởng chất lượng nước ao nuôi [25]. Kết quả cân bằng Phốt pho trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng của Nguyễn Duy Quỳnh Trâm và ctv (2014) được tóm tắt ở bảng 2.2
Bảng 2.2. Cân bằng Phốt pho trong ao nuôi tôm thẻ chân trắng (tính cho 1 ha)
Yếu tố đánh giá Khối lượng (kg P) Tỷ lệ (%)
Yếu tố đầu vào Tôm giống 0.002 0.01 Thức ăn 106,172 94,62 Nước cấp 6,024 5,36 Tổng đầu vào 112,198 100 Yếu tố đầu ra xác đinh Nước ao 27,122 24,17 Bùn đáy 46,206 41,18
Tôm thu hoạch 9,366 8,35
Đầu ra không xác định 29,504 26,30
Tổng đầu ra 112,198 100
2.5. MỘT SỐ VI KHUẨN TRONG MÔI TRƯỜNG AO NUÔI TÔM THẺ
Dưới đây là một số nhóm vi khuẩn tiêu biểu trong ao nuôi tôm thẻ thương phẩm:
2.5.1. Vi khuẩn Bacillus
Hệ thống phân loại Bacillus: Giới : Eubacteria Ngành : Firmicutes Lớp : Bacilli Bộ : Bacillates Họ : Bacillaceae Chi : Bacillus Loài : Bacilus spp
Hình 2.4. Hình thái vi khuẩn Bacillus
Vi khuẩn Bacillus là nhóm trực khuẩn, tế bào hình que và thẳng, kích thước 0,5 – 2,5 x 1,2 – 10 μm, di động bằng chu mao, bắt màu Gram dương.
Các loài thuộc chi Bacillus đặc trưng cho trực khuẩn sinh bào tử mà vẫn giữ nguyên hình que khi mang bào tử, trong một số trường hợp chỉ hơi phình to lên một chút. Mỗi tế bào sinh dưỡng thường chỉ hình thành một nội bào tử. Nội bào tử của vi khuẩn được sinh ra không phải để sinh sôi nảy nở mà để chịu đựng với các điều kiện bất lợi. Bào tử có màng nhiều lớp, chứa ít nước tự do và do đó có thể chịu đựng tốt với nhiều tác động bất lợi có thể làm chết các tế bào dinh dưỡng [14].
Vi khuẩn dinh dưỡng theo kiểu hóa dưỡng hữu cơ, hiếu khí hoặc kỵ khí tùy tiện nhưng trong điều kiện hiếu khí hoạt động mạnh hơn. Các tế bào thường có hoạt tính catalase dương tính. Nhiều loài Bacillus có khả năng kháng nhiệt, các pH cực trị, điều kiện khô hạn, tính mặn, chất khử và các phân tử có hại khác (Gordon, 1973).
Chi Bacillus rất đa dạng về sinh lý và sinh thái. Một số chủng là hiếu khí bắt buộc nhưng một số khác lại là kị khí tùy tiện. Các chủng của một số loài sinh trưởng tốt trong môi trường chứa glucose, amonium sulphate và một vài muối khoáng nhưng các chủng khác lại cần nhân tố sinh trưởng. Về điều kiện pH, đa số các chủng sinh trưởng tốt ở pH 7 như B. alealophilus thì ở pH 9 – 10 và B. acidocaldarius ở
pH 2 – 6. Về nhiệt độ, các vi khuẩn ưa nóng sinh trưởng thích hợp ở 45 – 750C hoặc cao hơn, còn các vi khuẩn ưa lạnh sinh trưởng tốt từ (-5 - 250C) (Gordon, 1973).
Vi khuẩn Bacillus phân bố rộng rãi trong đất, nước và không khí do có khả năng hình thành nội bào tử và đời sống hiếu khí, một số loài còn thấy trong khoang miệng, trong đường ruột của người và động vật. Tất cả các loài Bacillus đều có khả năng phân giải hợp chất hữu cơ chứa nitơ, protein khá mạnh nhờ sinh ra enzym protease ngoại bào. Ngoài ra, chúng còn có khả năng sinh ra amylase làm loãng tinh bột, biến chất này thành chất dễ hòa tan và thủy phân tiếp theo thành các dextrin và các loại đường hợp thành. Một số chủng thuộc loài Bacillus subtilis, B. mesenstericus., có thể có khả năng sinh ra enzym xenlulase và hemixenlulase phân
hủy xenlulose, hemixenlulose.Sử dụng môi trường Luminescent Bacteria (LB) để phân lập chủng vi khuẩn Bacillus [14].
2.5.2. Vi khuẩn LactobacillusHệ thống phân loại: Hệ thống phân loại: Giới : Eubacteria Ngành : Firmicutes Lớp : Bacilli Bộ : Bacillates Họ : Lactobacilleae Chi : Lactobacillus Loài : Lactobacillus spp
Hình 2.5. Hình thái vi khuẩn Lactobacillus
Lactobacillus là một trong số loài của vi khuẩn lactic, mặc dù nhóm vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái, song về mặt sinh lý chúng tương đối đồng nhất với nhau. Chúng là vi khuẩn bắt màu Gram dương, có kích thước lớn (0,5 - 0,7 × 2 - 8 μm), đại bộ phận các loài không di động, không sinh bào tử, có dạng hình que hay hình cầu. Chúng có những nhu cầu về dinh dưỡng phức tạp và làm lên men hoàn toàn, hiếu khí hay kị khí, ưa axit. pH tối ưu: 5,5 - 6,8. Nhiệt độ tối ưu: 30 - 350C. Khuẩn lạc của Lactobacillus thường có hình tròn, màu trắng hay đục sữa.
Lactobacillus được đặc trưng bởi khả năng sản xuất axit lactic là một sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa cacbonhydrat. Chúng được tìm thấy trong các môi trường sống có chứa nhiều cacbonhydrat và phân bố rộng khắp trong thức ăn, thức ăn ủ chua, phân bón, sữa và các sản phẩm sữa và trong đường ruột người, động vật thủy sản.
Trong nuôi cấy gặp khá nhiều khó khăn bởi nhu cầu dinh dưỡng phức tạp của chúng như cacbonhydrat, peptone, chiết thịt, chiết nấm men., Người ta thường sử dụng môi trường de Man-Rogosa-Sharpe (MRS) để phân lập chủng vi khuẩn Lactobacillus (Môi trường nuôi cấy thích hợp là MRS có bổ sung nước ép cà chua).
Lactobacillus được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản hiện nay với một số chức năng quan trọng như: Chúng có chức năng phân hủy hợp chất hữu cơ từ thức ăn thừa và uế thải nhờ khả năng tổng hợp enzim phân hủy hữu cơ như protease, amylaza. Góp phần cải thiện môi trường nước và ổn định nền đáy, giảm thiểu khả năng ô nhiễm môi trường, cải thiện hệ vi sinh vật có lợi trong ao, giúp gia tăng khả năng tiêu hóa thức ăn của vật nuôi và ức chế các vi sinh vật có hại trong đường ruột của động vật thủy sản. Chúng còn có khả năng tổng hợp chất kháng khuẩn làm giảm số lượng vi sinh vật gây bệnh phát triển quá mức như Vibrio, Aeromonas., do chất lượng nước nuôi bị giảm. Hiện nay, vi khuẩn Lactobacillus chủ
yếu được sử dụng dưới dạng các chế phẩm sinh học để đưa vào ao nuôi như: Chế phẩm EM, Bokashi trầu, Pond Clear.,
2.5.3. Vi khuẩn Coliform
Hình 2.6. Hình thái vi khuẩn Coliforms
Coliform là nhóm vi khuẩn rất phổ biến, có thể tìm thấy ở mọi nơi trong đất, nước ao hồ hay các loại thực phẩm., các vi khuẩn Coliform có hình que gram âm, có khả năng phát triển nên môi trường có muối mật hoặc các chất hoạt tính bề mặt khác có tính chất ức chế tương tự, có khả năng lên men đường lactose để sinh gas ở nhiệt