Công nghệ nuôi trồng thủy sản tuần hoàn – Phần I. Khởi động bộ lọc sinh học

Tóm tắt: Lọc sinh học là một trong các quy trình vận hành cấp thiết của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn. Vật liệu lọc không ăn mòn có rất nhiều bề mặt để tạo ra chỗ cho các tế bào vi khuẩn nitrat hóa chiếm cứ. “Khởi động” bộ lọc sinh học có nghĩa là quản lý liều giống vi khuẩn trên vật liệu/giá thể. Vi khuẩn có thể được đưa qua nước hoặc vật liệu lọc sinh học từ một hệ thống đang hoạt động, với trầm tích lấy từ ao hoặc với lượng nhỏ động vật/loài nuôi “khởi động”. Sử dụng các chế phẩm vi khuẩn nuôi cấy thương mại giúp rút ngắn quá trình khởi động và rất cần thiết cho bộ lọc sinh học trong điều kiện nuôi nước lợ hoặc nước biển.

Các tế bào vi khuẩn nitrat hóa mọc trên mọi bề mặt vật liệu lọc sinh học, cũng như các bề mặt ẩm ướt của hệ thống nuôi.

Lọc sinh học là một trong các quy trình vận hành quan trọng trong bộ phận lọc của một hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS). Lọc sinh học tạo ra chỗ để cho vi khuẩn nitrat hóa có thể cư trú và là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa sinh học trong hệ thống RAS.

Vi khuẩn nitrat hóa sử dụng các chất thải có nitơ hòa tan do các sinh vật thủy sinh được nuôi bài tiết ra. Tất cả các sinh vật nuôi, động vật có xương sống hoặc không xương sống, cá có vây hoặc động vật có vỏ tiết ra chất thải đều là kết quả của quá trình ăn. Cá có vây bài tiết ra amoniac, chủ yếu là từ mang, amoniac hòa tan vào trong nước cũng là nơi cá sinh sống. Chất thải này gây độc cho cá và là một yếu tố gây căng thẳng cho môi trường, làm giảm sự thèm ăn, giảm tốc độ tăng trưởng và tiềm năng gây chết ở nồng độ cao.

Vi khuẩn nitrat hóa

May mắn là vi khuẩn trong tự nhiên có thể oxy hóa amoniac, sử dụng nó cho nhu cầu tăng trưởng và chuyển đổi nó thành nitơ nitrit. Đây là một quá trình hiếu khí tiêu thụ oxy hòa tan trong nước. Vi khuẩn thuộc giống Nitrosomonas chuyển đổi amoniac thành nitrit. Giống như amoniac, nitrit được sản sinh bởi nhóm vi khuẩn này gây độc cho sinh vật thủy sinh và phải được oxy hóa lần nữa thành một dạng của nitơ ít gây độc. Quá trình này được hoàn tất nhờ vi khuẩn có trong tự nhiên thuộc giống Nitrobacter. Những vi khuẩn này chuyển hóa và oxy hóa nitrit, sau đó chuyển đổi nó thành nitrat. Oxy cũng được tiêu thụ trong quá trình tạo ra nitrat. Sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển đổi amoniac và nitrit là nitrat, tương đối không độc hại khi ở mức 50 – 200 mg/L và thường có trong một hệ thống RAS.

Độc giả có thể tìm đọc một bài thảo luận rất hay và chi tiết về vi khuẩn nitrat hóa và quá trình nitrat hóa trong một bài báo của Daniel Hagopian và John Riley “Closer Look at the Bacteriology of Nitrification” (Cái nhìn gần hơn trong nghiên cứu vi khuẩn về quá trình nitrat hóa) được công bố vào tháng 10 năm 1998 trên tạp chí Kỹ thuật Thủy sản.

Khái niệm cơ bản lọc sinh học

Vật liệu lọc sinh học được làm từ vật chất không bị ăn mòn như nhựa, sợi thủy tinh, gốm sứ, đất sét hoặc đá với rất nhiều diện tích bề mặt để các tế bào vi khuẩn nitrat hóa có thể chiếm cứ. Để làm cho bộ lọc sinh học nhỏ gọn hơn, người ta thường chọn vật liệu có nhiều diện tích bề mặt tính trên mỗi đơn vị thể tích. Đơn vị đo thường được gọi là diện tích bề mặt vật liệu riêng (SSA).

Đơn giản là diện tích bề mặt càng sẵn có nhiều thì càng nhiều tế bào vi khuẩn có thể mọc, và có thể đạt được năng suất nitrat hóa cao hơn, nghĩa là khả năng lượng thức ăn trong hệ thống cao hơn. Vật liệu lọc sinh học có diện tích bề mặt riêng càng lớn mà càng nhỏ gọn thì lưu ý rằng một số vật liệu lọc sinh học có diện tích bề mặt riêng lớn hơn có thể bị tắc với vi khuẩn. Vì vậy, vật liệu/giá thể có diện tích bề mặt riêng lớn phải cân xứng với bộ lọc sinh học hoạt động đáng tin cậy có tính năng tự làm sạch.

Các tế bào vi khuẩn nitrat hóa phát triển trên mọi bề mặt của vật liệu lọc sinh học, cũng như trên mọi bề mặt ẩm ướt của hệ thống, chẳng hạn như bên trong các đường ống và thành bể. Quá trình nitrat hóa do vi khuẩn nằm ngoài bộ lọc sinh học thường được gọi là “quá trình nitrat hóa thụ động,” có thể góp 10% vào tổng nitrat hóa trong hệ thống RAS. Vi khuẩn đi theo một chu trình liên tục là mọc, sinh sôi, trưởng thành và chết, sau đó bong/tróc ra khỏi vật liệu/giá thể và được thay thế bởi các tế bào mới.

Khởi động lọc sinh học

“Khởi động” một bộ lọc sinh học nghĩa là quản lý và kiểm soát liều giống các tế bào vi khuẩn nitrat hóa trong vật liệu lọc sinh học. Một bộ lọc sinh học được khởi động bằng cách đưa vi khuẩn vào hệ thống và có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Vi khuẩn nitrat hóa có thể được đưa vào bằng nước hoặc vật liệu lọc sinh học từ một hệ thống đã hoạt động, trầm tích lấy từ một ao hoặc với lượng nhỏ động vật/loài nuôi “khởi động”. Những loài động vật này phải vượt qua được sự khắc nghiệt của nồng độ amoniac và nitrit tăng cao và trong lúc đó các tế bào vi khuẩn sinh sản và chiếm cứ giá thể lọc sinh học. Ngoài ra, chế phẩm vi khuẩn thương mại có thể tạo được sự khởi động phù hợp.

Luôn luôn có nguy cơ xâm nhập của mầm bệnh/tác nhân gây bệnh khi áp dụng bất kỳ phương pháp nào để đưa vi khuẩn vào hệ thống. Việc đánh giá lựa chọn phương pháp là một phần trong công việc quản lý toàn diện cơ sở và kế hoạch an toàn sinh học.

Sẵn có một số chế phẩm hỗn phối nuôi cấy vi khuẩn nitrat hóa từ các nhà cung cấp dùng cho cả nước ngọt và nước biển. Các sản phẩm này ở dạng bột khô hoặc dịch lỏng cô đặc. Các sản phẩm có thể ở dạng nuôi cấy lạnh kèm theo các hóa chất vô cơ cần thiết để làm dinh dưỡng ban đầu cho đến khi hình thành ổn định.

Mặc dù không cần thiết, nhưng các chế phẩm vi khuẩn này có thể rút ngắn thời gian để thiết lập hệ thống lọc. Khi sử dụng các chế phẩm này nên làm theo các khuyến nghị của nhà sản xuất.

Một số báo cáo của cơ sở vận hành và theo kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu, hỗn hợp nuôi cấy vi khuẩn rất cần thiết để khởi động các bộ lọc sinh học trong điều kiện nước lợ hoặc nước biển có độ mặn trên 15 ppt.

Khởi động lạnh

Chiến lược để khởi động một bộ lọc sinh học, đôi khi được gọi là phương pháp “khởi động lạnh”, liên quan đến việc thả nuôi 1 loài dự định bán ra thị trường mà bộ lọc sinh học chưa được kích hoạt. Cách thực hành này mang tính rủi ro, và các cơ sở nuôi phải được chuẩn bị để đối phó với sự gia tăng nhanh của nồng độ amoniac và nitrit qua việc thay nước. Phải giảm hoặc ngưng cho ăn cho đến khi kích hoạt xong bộ lọc sinh học.

Phương pháp khởi động lạnh có lợi thế sử dụng vi khuẩn đưa vào hệ thống cùng lúc loài nuôi đầu tiên được thả, khi đó vi khuẩn chắc hẳn đã thích nghi tốt với các điều kiện từ nơi mà loài nuôi đó đưa vào. Tuy nhiên, quá trình kích hoạt lọc sinh học thụ động này có thể chậm và gây căng thẳng cho các loài nuôi và người vận hành hệ thống.

Một phương pháp được mong muốn nhiều hơn là phát triển vi khuẩn nitrat hóa ngay trong bộ lọc sinh học trước khi thả giống. Cấy nuôi liều giống vi khuẩn nitrat hóa ban đầu sẽ giúp giảm căng thẳng cho đàn mới thả, rút ngắn vụ nuôi với lượng thức ăn cao hơn từ ngày đầu tiên thả giống và tạo ra chất lượng nước tốt hơn nhằm cải thiện sức khỏe, tốc độ tăng trưởng và tỉ lệ sống.

Ghi chú: Bài viết này dựa theo Tờ Thông tin “Làm thế nào để khởi động một bộ lọc sinh học,” do các tác giả xuất bản trên tạp chí Trung tâm Nuôi trồng Thủy sản Khu vực miền Nam – Bộ Nông nghiệp Mỹ (SRAC Publication 4502, 2012).

BioAqua.vn

Nguồn: Tiến sĩ Thomas M. Losordo, nhà khoa học cấp cao và kỹ sư trưởng, Pentair Aquatic Eco-Systems, Inc., 1791 Varsity Drive, Suite 140, Raleigh, North Carolina 27606 USA – Dennis P. DeLong, MSM, Giám đốc Dịch vụ Hỗ trợ Khách hàng, Pentair Aquatic Eco-Systems, Inc.