- Ô nhiễm có nguồn gốc từ khí quyển
b. Chất dinh dưỡng hòa tan
Theo Middlen và Redding (1998), các chất dinh dưỡng hòa tan thường được xem xét trong hoạt động nuôi trồng thủy sản là các hợp chất của nitơ và phospho dưới nhiều dạng. Đây là các thành phần dinh dưỡng quan trọng đối với thực vật trong môi trường thủy sinh. Sự gia tăng của nó trong thủy vực có thể có ảnh hưởng quan trọng đến cân bằng của hệ sinh thái tự nhiên. Không được xem xét là một thành phần dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng về mặt sinh thái như nitơ và phospho nhưng lưu huỳnh cũng là một thành phần quan trọng khi xem xét đến tác động môi trường của hoạt động nuôi trồng thủy sản.
Box 2.5. Mức độ gây ô nhiễm nước từ hoạt động nuôi trồng thủy sản do nitơ, phospho và chấthữu cơ nói chung
Theo Cát và cộng sự (2008), thành phần dinh dưỡng trong ao nuôi có nguồn gốc chủ yếu từ phân bón và thức ăn; một dạng chất hữu cơ khác là sản phẩm từ quá trình quang hợp của tảo một phần cũng có nguồn gốc từ thức ăn. Quá trình chuyển hóa thức ăn tổng hợp trong ao nuôi được tổng kết như sau:
- 90 – 95% lượng thức ăn được cá, tôm sử dụng; 5 – 10% bị hao phí (mất mát trực tiếp). Lượng mất mát này bị phân hủy tạo ra ammonia, phosphat và CO2.
- 10 – 20% lượng thức ăn được sử dụng bị thải ra dưới dạng phân (thành phần không tiêu hóa được). Phân sẽ bị phân hủy tạo ra ammonia, phosphat và CO2.
- 80 – 90% lượng thức ăn được sử dụng sẽ được hấp thu vào cơ thể; 75 – 80% lượng này được sử dụng cho hô hấp tạo năng lượng, phần còn lại (20 – 25%) dùng để tăng trưởng cơ thể. Trong quá trình hô hấp, hoạt động cơ thể tạo ra các chất bài tiết. Amonia, phosphat và CO2được sinh ra từ quá trình hô hấp này và từ sự phân hủy các chất bài tiết.
- Trong ao nuôi cá rô phi có năng suất 2.179 kg/ha sử dụng phân bón với lượng 120 kg N/ha, 75 kg P2O5/ha (33 kg P/ha). Số liệu khảo sát chỉ ra rằng lượng nitơ hữu ích chiếm 42,5%; phosphore hữu ích là 51,5%. Điều cho thấy 57,5% N và 49,5% P tồn tại trong ao dưới dạng không hữu ích được xem là chất thải gây ô nhiễm môi trường.
- Trong ao nuôi sử dụng thức ăn tổng hợp, nghiên cứu cho thấy kết quả sau: đối với cá da trơn, hiệu quả sử dụng thức ăn (chuyển hóa thành sản phẩm tươi) là 2.0, tỷ lệ khối lượng của cá khô là 23% và thức ăn là khoảng 92% (8% độ ẩm); tỷ lệ mất mát của thức ăn là 87,5%; của nitơ và phosphore là 79,6%; của carbon là 84,9%. Đối với ao nuôi tôm thâm canh, tỷ lệ mất mát thức ăn 81,6%; nitơ 57,4%; phosphore 78,7% và carbon là 88,5%. Trong ao nuôi tôm thâm canh sử dụng thức ăn có chất lượng cao (30 – 40% protein thô), tỷ lệ hao hụt nitơ thậm chí còn lớn hơn so với ao nuôi bán thâm canh. Trong ao nuôi sử dụng thức ăn tổng hợp, quá trình quang hợp của tảo cũng xảy ra không kém hơn các ao bón phân. Một đánh giá cho thấy để sản xuất 1.000 kg cá da trơn tươi bằng thức ăn, lượng chất dinh dưỡng (N<P) thải ra đủ để hình thành 2.000 kg tảo khô (Cát và cộng sự,2008). Trường hợp tương tự cũng xảy ra với ao nuôi tôm.
- CO2, N, P từ thức ăn dư thừa, phân, các chất bài tiết chính là nguyên liệu để tảo quang hợp tạo nên các tế bào (chất hữu cơ). Khi chết lắng xuống đáy ao chúng được phân hủy trở lại các nguyên liệu và chúng đã sử dụng.
Nước và bùn trong ao nuôi, do vậy, chứa tất cả các tạp chất ở dạng tan và không tan, là những tác nhân gây ô nhiễm.
Một đánh giá cho rằng ô nhiễm do nguồn nước thải từ các ao nuôi cá da trơn chỉ chiếm 3.1% C; 28,5% N và 7% P so với lượng thức ăn đã sử dụng (dẫn theo Cát và cộng sự, 2008).
- Phospho
Để đánh giá tác động của phospho được giải phóng từ hoạt động nuôi trồng thủy sản, động thái của phospho trong môi trường thủy sinh phải được hiểu rõ.
Theo Boyd (1995; dẫn theo Middlen và Redding, 1998), thành phần phospho đi vào một hệ thống nước tĩnh (ao, hồ), cuối cùng đa số đều gắn kết trong trầm tích dưới dạng khó hòa tan ở điều kiện thường. Dạng phospho hòa tanđược hấp thụ bởi thực vật hoặc phản ứng với sắt III (Fe3+), nhôm (Al3+), calci (Ca2+) hoặc keo đất, ở dạng gắn kết chặt chẽ. Một nguồn phospho quan trọng là đất ao. Hơn một nửa phospho đầu vào (P) cuối cùng gắn kết trong đất ở dạng tương đối khó hòa tan. Đo đạc tổng số phospho ở các nguồn khác nhau trong hệ thống đất – nước ở các ao nước ngọt cho thấy 99,81% phospho được gắn kết trong đất. Khả năng hấp thụ phospho của đất là đáng kể nhưng ngay cả như vậy cũng có thể bị bão hòa và giảm khả năng hấp thụ của đất. Thêm vào đó, đất giàu thành phần hữu cơ sẽít có khả năng hấp thụ phospho vì các phân tử khoáng mà phospho gắn kết chiếm một tỷ lệ nhỏ trong đất và các ion sắt III (Fe3+), nhôm (Al3+), calci (Ca2+) trong dung dich nước mao mạch (nước nằm bên dưới các hạt đất, trong các kẽ đất) ở dạng phức hợp hữu cơ.
Phospho gắn kết mạnh với chất khoáng chỉ trong điều kiện bão hòa oxy. Tình trạng sẽ thay đổi đáng kế nếu lớp nước nằm dưới đất trở nên thiếu oxy. Trong điều kiện kỵ khí, phosphate sắt III không hòa tan chuyển thành dạng phosphate sắt II hòa tan. Thông thường, nước kẽ của đất thường thiếu khí và giảm mạnh nếu đất giàu thành phần hữu cơ. Khi phosphat và các ion sắt phân tán từ đất vào khu vực hiếu khí của mặt tiếp xúc bùn đất, chúng sẽ nhanh chóng lắng dưới dạng phức hợp phosphat sắt III và (lắng) trờ lại bề mặt đất. Nếu lớp nước nằm dưới thiếu oxy, dạng phosphat này vẫn ở trong dung dịch.
Thức ăn 1,68 kg Mưa chảy tràn 0,0001 kg Cá thu hoạch 0,52 kg
Nước chảy vào 0,035 kg Nước chảy ra 0,12 kg
Thấm 0,015 kg
Nước
Gắn kết trong đất 0,97 kg
Hình 2.3. Quỹ phospho đối với 0,04 ha ao cá da trơn (Chanel catfish) tại Auburn, Alabam, USA
(Nguồn: Boyd, 1995; dẫn theo Midlen và Redding, 1998)
Phospho ion hóa trong nước thành orthophosphate, trong đó có một số dạng khác nhau cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng (H2PO4
-
, HPO42- 2-
, PO43- 3-
). Tỷ lệ tương đối của mỗi dạng phospho khác nhau có mặt trong vực nước tự nhiên bao gồm phospho hữu cơ, chúng có thể bị chuyển dạng thành orthophosphate bởi hoạt động của vi sinh vật, và phospho có mặt như là hợp phần của các phospho hữu cơ và vô cơ.
- Nitơ
Nitơ xuất hiện trong hệ thống nuôi trồng thủy sản ở dạng vô cơ lẫn hữu cơ. Đầu vào hữu cơ là phân và thức ăn. Đầu vào vô cơ là phân hóa học, acid nitric trong nước mưa, nitơ vô cơ tồn tại trong hệ thống cung ứng nước.
Nitơ hữu cơ được phân giải bởi vi sinh vật thành ammonia (NH3), một quá trình được đề cập như khoáng hóa hữu cơ. Nitrat hóa là quá trình 2 giai đoạn nhờ đó ammoni-N được chuyển hóa (oxi hóa) thành nitrat, được thực hiện bởi vi khuẩn hóa tự dưỡng. Những vi khuẩn này tổng hợp vật chất hữu cơ từ carbon dioxide như thực vật nhưng thu nhận năng lượng từ phức hợp hữu cơ mà không phải từ mặt trời. Trong điều kiện kỵ khí nitrate có thể chuyển thành khí nitơ, một quá trìnhđược gọi là phản nitrat hóa.
Nitơ vô cơ tồn tại nhiều dạng. Khi xem xét hoạt động nuôi trồng thủy sản và vấn đề ô nhiễm môi trường, 4 dạng nitơ được xem là có ý nghĩa: nitrate, nitrite và 2 dạng của ammonia.
Ammonia: Tổng nitơ ở dạng ammonia gồm: + NH4+- ammonia được ion hóa (ammonium) + NH3 - ammonia không được ion hóa (UIA)
Hai dạng nàyở trạng thái cân bằng trong môi trường nước, sự cân bằng này phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của nước. Ở pH thấp (nước mang tính acid) phần trăm dạng không ion hóa thấp hơn khi ở trong nước mang tính kiềm. Phần không ion hóa có tính chất độc hơn đối với đời sống thủy sinh vật. Các giá trị được đề nghị sau đây là nồng độ an toàn của dạng ammonia không ion hóa đối với ác nuôi mặc dù có sự biến thiên lớn giữa các loài (Poxton, 1991; dẫn theoMidlen và Redding, 1998):
•Nhóm cá hồi: 0,002 mgNH3/l •Các nhóm cá khác: 0,01 mg NH3/l •Cá biển: 0, 05 mgNH3/l
Nitrite: Nitrite (NO2 -
) là một sản phẩm trung gian của quá trình oxy hóa ammonia thành nitrate (NO3-) được thực hiện bởi vi sinh vật – quá trình nitrat hóa. Trong phần lớn các thủy vực tự nhiên và các hệ thống nuôi trồng thủy sản nitrite có mặt ở nồng độ rất thấp. Tuy nhiên trong các hệ thống tuần hoàn nó có thể đạt đến mức gây độc khi hệ thống lọc sinh học không hoạt động hiệu quả (Poxton và Allouse, 1987; dẫn theoMidlen và Redding, 1998).
Nitrate: Nitrate (NO3-) là sản phẩm cuối cùng của quá trình nitrat hóa. Nitrate khôngđộc đối với cá trừ phi có mặt rất cao (>100 mg/l) (Poxton, 1991; dẫn theo Midlen và Redding, 1998) mặc dù có thể có sự thay đổi về khả năng chịu đựng giữa các loài. Trong hệ thống tuần hoàn,
nitrate có thể bị đào thải khỏi nước bởi sự trao đổi liên tục (khoảng 5% một ngày), nó vẫn là một thành phần dinh dưỡng quan trọng đối với tảo nước mặn.
Nitrate hóa là một quá trình gồm hai giai đoạn, Giai đoạn 1 được thực hiện bởi vi khuẩn
Nitrosomonas – oxy hóa ammonium thành nitrite (Lawson, 1995; dẫn theo Middlen và Redding, 1998). Do vậy:
NH4+ + 1/2O2 NO2- + 2H+ + H2O
Giai đoạn 2 được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrobacter – oxy hóa nitrite thành nitrate. Do vậy: NO2- + 1/2O2 NO3-
Phản nitrate hóa trong điều kiện yếm khí nitrate có thể biến đổi thành khí nitơ. Một lần nửa các phản ứng này được thực hiện bởi các vi sinh vật. Chúng sử dụng oxy của các phức hợp được oxy hóa thay thế oxy khí quyển để hô hấp. Do vậy nitrate chuyển thành nitrite rồi thành hyponitrite (H2N2O2) và hyponitrite thành khí nitơ theo nhiều con đường khác nhau. Sự phân hủy hiếu khí của ammonia-N thành nitrate là con đường phổ biến nhất và đưa đến kết quả giải phóng thành phần dinh dưỡng cho thực vật nàyvào nước. Ở hàm lượng đủ lớn (đặc biệt trong nước biển) điều này có thể kích thích sự tăng trưởng nhanh của thực vật phù du. Trong nước ngọt, sự phát triển của thực vật phù du phụ thuộc nhiều vào hàm lượng phospho.
- Lưu huỳnh
Lưu huỳnh là một nguyên tố rất đáng quan tâm trong nuôi trồng thúy sản bởi vì sự quan trọng của nó trong trầm tích thiếu oxy. Trong điều kiện hiếu khí hợp chất lưu huỳnh hữu cơ phân hủy thành sulphide và sulphide được oxy hóa thành sulphate. Sulphate tan rất tốt trong nước và do vậy dần phân tán khỏi trầm tích. Sự oxy hóa sulphite được thực hiện bởi vi sinh vật trong trầm tích mặc dù nó có thể xảy ra hoàn theo các quá trình hóa học (Boyd, 1995; dẫn theoMidlen và Redding, 1998).
Trong điều kiện kỵ khí, sulphate có thể được sử dụng thay thế oxy trong chuyển hóa của vi sinh vật. Quá trình này dẫn đến sự tạo thành khí hydro sulphide (H2S). Khí này thường thoát ra từ trầm tích thiếu oxy dưới các lồng cá. Nó tan mạnh trong nước và được cho là nguyên nhân gây ra sự phá hủy mang và các bệnh khác ở cá (Beveride, 1987; dẫn theo Midlen và Redding, 1998).
Sự tạo ra khí hydro sulphite do vi sinh vật là đặc trưng của các trầm tích chứa nhiều hữu cơ thiếu oxy bên dưới các lồng cá. H2S được tạo ra bởi một loạt các phản ứng (Boy, 1995; dẫn theo Midlen và Redding, 1998). Do vậy:
H2SO4 + 2 H+ H2SO3 (Sulphite) + H2O H2SO3 + 2 H+ H2SO2 (Sulpholate) + H2O H2SO2+ 2 H+ H4SO2(Sulphur hydrate) H4SO2 + 2 H+ H2S + 2H2O
4.2.Đặc trưng ô nhiễm
Các thông số chất lượng nước đặc trưng cho sự ô nhiễm đối với một vài trường hợp nuôi trồng thủy sản được trình bày qua các bảng dưới đây.
Bảng 2.9. Đặc trưng ô nhiễm (trung bình và khoảng biến thiên)ở 25 ao nuôi cá da trơn tại Alabama (Hoa Kỳ) trong thời gian 2 năm
Thông số Mùa đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu
(1,90– 17,50) (2,10– 21,86) (2,60 – 20,33) (1,28– 35,54) Cặn lơ lửng (mg/l) 53,2 (0,7– 202,1) 53,3 (6,3– 256,4) 86,25 (10,0 – 239,4) 85 (14,0– 320,0) Hữu cơ không
tan (mg/l) 32,7 (0,2– 162,3) 25 (2,3– 88,4) 26,2 (3,2– 208,0) 27,4 (2,1– 85,7) Phosphore tổng (mg/l) 0,16 (0,0– 0,571) 0,196 (0– 0,390) 0,283 (0,01 -0,710) 0,346 (0,06– 1,48) Phosphore hòa tan (mg/l) 0,013 (0– 0,048) 0,06 (0– 0,052) 0,01 (0– 0,042) 0,012 (0– 0,097) TKN (mg/l) 2,78 (0,58– 9,19) 3,95 (1,47– 10,64) 4,7 (1,57 – 11,26) 6,23 (1,98– 14,04) Ammonia (mg/l) 0,48 (0,029– 2,476) 0,92 (0,008– 4,077) 1,32 (0,050 – 4,708) 1,81 (0,092– 7,713) Nitrite (mg N/l) 0,025 (0,001– 0,116) 0,097 (0,001– 1,370) 0,081 (0,002 – 0,530) 0,058 (0,005– 0,302) Nitrate (mg N/l) 0,938 (0,183– 6,307) 0,737 (2,90– 13,40) 0,486 (2,60 – 13,00) 0,632 (4,30– 16,80) Oxy hòa tan
(mg/l) 10,14 (1,9– 15,3) 7,49 (2,9– 13,0) 5,32 (2,6– 13,0) 9,14 (4,3– 16,8) pH 8,6 (7,7– 9,5) 8,3 (7,8– 8,6) 7,8 (6,0– 8,9) 8,3 (7,2– 9,3) (Nguồn: dẫn theo Cát và cộng sự, 2008)
Bảng 2.10. Chất lượng nước thải từ ao nuôi tôm ở các mật độ khác nhau Mật đô nuôi (cá thể/m2) Thông số 30 40 50 60 70 Nitrite (mg N/l) 0,02 0,01 0,06 0,08 0,08 Nitrate (mg N/l) 0,07 0,06 0,15 0,15 0,15 Ammonia (mg N/l) 0,98 0,98 0,36 7,87 6,50 Tổng nitơ (mg N/l) 3,55 4,04 14,9 20,9 17,1 Tổng phosphore (mg/l) 0,18 0,25 0,53 0,49 0,32 BOD (mg/l) 10,0 11,4 26,9 33,9 28,8 Chất lơ lửng (mg/l) 92 114 461 797 498 Mật độ tảo (µg/l Chlorophyll a) 70 110 360 460 360 (Nguồn: dẫn theo Cát và cộng sự, 2008)
Bảng 2.11. Ô nhiễm đặc trưng của nước nuôi tôm thâm canh
Thông số Khoảng biến thiên
Độ muối (‰) 10– 36 Nhiệt độ (0C) 22– 31 pH 7,5– 9,0 Phosphore tổng (mg/l) 0,05– 0,40 Nitơ tổng (mg N/l) 0,5– 5,0 Ammonia (mg N/l) 0,05– 1,0
Oxy hòa tan (mg/l) 4– 12
BOD (mg O2/l) 5– 20
Mật độ tảo(µg/l Chlorophyll a) 20 – 260
Chất rắn lơ lửng (mg/l) 30 – 190
(Nguồn: dẫn theo Cát và cộng sự, 2008)
4.3. Hậu quả môi trường của sự phú dưỡng
Chất thải từ các hệ thống nuôi thủy sản thâm nhập vào hệ sinh thái bao quanh và đóng góp vào các tiến trình sinh thái. Các nghiên cứu được thực hiện trong nhiều năm gần đây đưa đến sự khái quát hóa về các ảnh hưởng có thể có của sự thâm nhập này đối với các hệ sinh thái thủy sinh. Việc khái quát hóa này không thể đưa ra một cách chính xác các ảnh hưởng vì mỗi trường hợp tương tác giữa hoạt động nuôi thủy sản và môi trường là riêng biệt. Điểm qua một cách giới hạn các công trình nghiên cứu đã cho thấy sự thay đổi lớnvề chất thải từ hoạt động nuôi trồng thúy sản đưa ra môi trường vàảnh hưởng của các chất này. Vấn đề cần quan tâm là cơ chế tương tác qua lại giữa hoạt động nuôi thủy sản và môi trường.
Suy giảm oxy hòa tan
Phần lớn hậu quả của hoạt động nuôi trồng thủy sản có liên quan đến sự đưa thêm vào nước các thành phần vật chất. Nhưng một ngoại lệ đáng chú ý là sự suy giảm oxy hòa tan gây ra bởi:
- Hô hấp của các động vật nuôi,
- Sự gia tăng hoạt động của vi sinh vật trong nước và cả trong trầm tích do sự giải phóng carbon hữu cơ từ hoạt động nuôi trồng thủy sản.
Mỗi quá trình này được xác định khác nhau và được đề cập theo cách khác nhau. Suy giảm oxy hòa tan do hô hấp của vật nuôi được xác định bằng cách đo trực tiếp hàm lượng trong thủy vực (DO). Sự giảm oxy hòa tan do hoạt động của ví khuẩn được xác định qua nhu cầu oxy sinh học (BOD). Chỉ số BOD thường được xác định bằng cách ủ mẫu nước thải ở 20oC trong 5 ngày (BOD5). Đồng thời xác định hàm lượng oxy hòa tan ở thời điểm ban đầu và cuối cùng. Sự khác biệt giữa hai kết quả chỉ ra đặc tính tiêu thụ oxy tương đối của thủy vực. Điều này phụ thuộc vào:
- Hoạt động chuyển hóa oxy của vi khuẩn. - Lượng chất hữu cơ có mặt,
- Hoạt động chuyển hóa của rong tảo và động vật phù du.
Yếu tố cuối cùng thường được loại bỏ bằng cách lọc mẫu nước thải trước khi ủ. Hoạt động chuyển hóa của vi khuẩn gây ra sự giảm sút DO phụ thuộc vào chất hữu cơ thực tế có mặt trong thức ăn (Vi khuẩn tăng số lượng rất nhanh vì vậy qua thời gian 5 ngày số cá thể ban đầu dường như không giới hạn nhu cầu tổng số oxy suốt thời gian ủ).