Luận án nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Với xu thế phát triển kinh tế biển đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ, các hoạt
động kinh tế xã hội khu vực ven biển đang hàng ngày xả ra môi trường một lượng
chất thải lớn, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường cũng như hệ sinh thái ven biển.
Trong đó, hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những nguồn ô nhiễm đáng
quan tâm, cần được kiểm soát chặt chẽ.
Tổng diện tích ni trồng thuỷ sản nước lợ trên tồn quốc tính đến năm 2019
vào khoảng 720 nghìn ha, sản lượng đạt khoảng 750 nghìn tấn. Trong đó, diện tích
ni tơm theo hình thức thâm canh và bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha, chiếm
30% tổng diện tích ni cả nước và sản lượng đạt 450 nghìn tấn, chiếm 62% tổng
sản lượng nuôi tôm cả nước [1]. Hiện nay, tôm Việt Nam đã được xuất khẩu đến 90
quốc gia và vùng lãnh thổ, kim ngạch xuất khẩu đạt trên 3,36 tỷ đô la Mỹ. Theo dự
báo, kim ngạch xuất khẩu tơm của nước ta có thể đạt trên 8,4 tỷ USD vào năm 2025
và đạt trên 12 tỷ USD vào năm 2030. Những dự báo như vậy vừa là tin vui nhưng
cũng đặt ra nhiều thách thức cho ngành nuôi trồng thủy sản ở nước ta.
Cùng với đó, lượng chất thải phát sinh từ các cơ sở nuôi trồng thủy sản có
thể lên tới hàng trăm ngàn tấn mỗi năm, trong đó chỉ 25% lượng đạm trong thức ăn
được chuyển hố thành sinh khối trong khi đó khoảng 75% lượng đạm cịn lại sẽ
thải ra mơi trường [2], nếu khơng có biện pháp quản lý và xử lý thích hợp nguồn
thải này sẽ là nguy cơ trực tiếp dẫn đến ô nhiễm môi trường.
Hải Phòng, thành phố biển với đường bờ biển dài hơn 250 km, có điều kiện
thuận lợi cho phát triển ngành nuôi trồng thuỷ sản nước lợ, mặn. Diện tích ni
trồng thuỷ sản nước lợ và nước mặn của thành phố năm 2021 khoảng 32.000 ha.
Trong đó, có khoảng 3.286 ha là ni tơm nước lợ với sản lượng khoảng 4.512 tấn.
Lượng chất thải phát sinh từ hoạt động nuôi trồng thủy sản đang là một trong những
nguyên nhân đe dọa đến chất lượng môi trường vùng ven biển Hải Phòng [3].
Kết quả điều tra, đánh giá mơi trường vùng ven biển Hải Phịng cho thấy sức
chịu tải của vùng biển Hải Phòng đang ở ngưỡng cảnh báo, trong đó nguồn thải
đáng chú ý nhất ra khu vực ven biển Hải Phòng hiện nay là từ hoạt động nuôi trồng

thủy sản. Do vậy, việc tăng cường quản lý các hoạt động nuôi trồng thủy sản ven


2
biển, giảm thiểu phát sinh chất thải ra các vùng biển ven bờ đang được thành phố
đặt ra như một yêu cầu cấp thiết [4].
Một trong những giải pháp quan trọng để quản lý hiệu quả môi trường nuôi
trồng thủy sản ven biển, khắc phục tình trạng gây ơ nhiễm môi trường của các vùng
ven biển là phát triển và ứng dụng các công nghệ nuôi trồng thủy sản tiên tiến, thân
thiện môi trường. Công nghệ nuôi trồng thuỷ sản hồn lưu (RAS) là một trong
những giải pháp cơng nghệ có thể giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường một cách triệt để
nhất. Với hệ thống ni tuần hồn hồn lưu, tồn bộ nước ni sẽ được xử lý đảm
bảo u cầu để có thể cấp lại cho hệ thống ni mà khơng thải ra ngồi mơi trường.
Áp dụng cơng nghệ RAS là một trong những giải pháp công nghệ phù hợp giúp giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thủy sản.
Tuy nhiên, một trong thách thức lớn nhất của cơng nghệ RAS là tìm ra các
giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý ammonia và nitrite. Trong hệ thống nuôi, các vi
sinh vật sẽ phân hủy thức ăn và chất thải của con ni và hình thành nên hợp chất
NH4+/NH3. Dưới hoạt động của nhóm vi khuẩn nitrate hóa, qua giai đoạn 1 của
q trình nitrate hóa, các hợp chất này sẽ được chuyển sang N-NO2-, sau đó bước
sang giai đoạn 2 của q trình nitrate hóa, hợp chất N-NO2- sẽ được chuyển sang
N-NO3-.
Việc xử lý ammonia và nitrite gặp khó khăn do q trình nitrate hố bị giới
hạn vì tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hoá được đánh giá là chậm hơn rất
nhiều so với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm
vi khuẩn này dễ bị ức chế trong điều kiện môi trường không thuận lợi như thiếu khí
và nguồn chất hữu cơ dồi dào.
Các biện pháp xử lý ammonia và nitrite trong nước hiện nay thường cho hiệu
quả thấp, chi phí xử lý cao dẫn đến việc ứng dụng công nghệ RAR hiện nay chưa
được phổ biến. Việc nghiên cứu cải thiện hiệu quả xử lý ammonia và nitrite của hệ

thống là điều kiện tiên quyết ảnh hưởng đến sự thành công của công nghệ RAS, giúp
công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong ni trồng. Chính vì những lý do trên,
nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài nghiên cứu: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý
nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển" với mong muốn
nghiên cứu đưa ra các giải pháp nhằm xử lý lượng nitơ vơ cơ trong nước tuần hồn


3
của hệ thống ni thủy sản, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường,
nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm của ngành nuôi trồng thủy sản.
2.Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá ứng dụng vào hệ thống ni trồng thuỷ sản
hồn lưu vùng ven biển để xử lý hiệu quả các hợp chất nitơ vô cơ.
3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
3.1. Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi không gian: tập trung vùng ven biển Hải Phòng.
Phạm vi thời gian: 5 năm (2017– 2022).
3.2. Đối tượng nghiên cứu:
Hệ vi sinh vật nitrate hoá bản địa vùng ven biển Hải Phịng
Vật liệu sẵn có trong nước có tiềm năng sử dụng làm nguồn nguyên liệu sản
xuất giá thể dính bám vi sinh vật (đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes,
xốp bọt biển, xơ dừa).
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hố từ
môi trường ven biển.
Nội dung 2: Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá trên giá thể nhằm định hướng
ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ.
Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hố
trong hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mô 1m3.
Nội dung 4: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá

trong hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ 100m3.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1 Ý nghĩa khoa học
Xác định được cơ sở khoa học và xây dựng quy trình tạo ra chế phẩm nitrate
hoá bản địa, tạo màng nitrate hố ứng dụng hiệu quả vào hệ thống NTTS hồn lưu
khu vực ven biển.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Cải thiện được hiệu quả xử lý TAN và nitrite của hệ thống RAS, nhờ đó làm
giảm chi phí đầu tư, nâng cao hiệu quả kinh tế và góp phần phát triển bền vững
ngành NTTS.


4
Cơng nghệ NTTS tuần hồn được ứng dụng rộng rãi ở vùng ven biển sẽ góp
phần tiết kiệm tài nguyên đất, nguồn nước và bảo vệ môi trường vùng NTTS ven biển.
6. Điểm mới của luận án
Đây là cơng trình nghiên cứu tương đối hệ thống và hoàn chỉnh để phát triển
màng nitrate hoá ứng dụng trong NTTS ven biển. Trong đó có 03 điểm nghiên cứu
mang tính mới như sau:
(1) Xây dựng quy trình làm giàu đa bước để nhân ni thành cơng nhóm
quần xã vi khuẩn nitrate hố từ hệ vi sinh vật bản địa trong rừng ngập mặn Phù
Long, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng, tạo ra chế phẩm nitrate hóa bản địa.
(2) Tạo màng lọc nitrate hố từ nhóm quần xã vi khuẩn đã được làm giàu
trong quy trình đa bước và các loại giá thể sẵn có.
(3) Đánh giá hiệu xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hố trong hệ
thống RAS ni cá rô phi và tôm thẻ chân trắng ở quy mơ thí nghiệm và quy mơ
pilot (1 m3, 100 m3).
7. Bố cục của Luận án
Bố cục của luận án, gồm các phần sau:
Mở đầu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết luận và khuyến nghị
Tài liệu tham khảo
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của tác giả
Phụ lục


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUANVẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới và Việt Nam
1.1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới
Ni trồng thủy sản nói chung và nghề ni tơm nói riêng đã và đang tạo ra sự
chuyển đổi hiệu quả và mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều quốc gia, cải thiện cuộc
sống và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người nuôi trồng. Nuôi trồng thủy sản sẽ
tiếp tục là động lực thúc đẩy tăng trưởng sản lượng thủy sản toàn cầu, kéo dài xu
hướng đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Sản lượng nuôi trồng thủy sản được dự báo sẽ
đạt 109 triệu tấn vào năm 2030, tăng 32% (26 triệu tấn) so với năm 2018 [5].
Tại các nước châu Á, sản lượng tôm nuôi liên tục tăng nhanh trong giai đoạn
từ 2003 – 2016. Năm 2011, sản lượng tôm nuôi đạt 3,7 triệu tấn, năm 2014 là 4,0
triệu tấn, năm 2016 đạt khoảng 4,5 triệu tấn, năm 2018 đạt 4,2 triệu tấn vào năm
2018 và đến năm 2019 đạt khoảng 4,6 triệu tấn với hình thức ni chủ yếu là thâm
canh và siêu thâm canh [5].
Trái ngược với nhiều dự báo trước đó, sản lượng tơm thế giới năm 2016 có xu
thế giảm. Mặc dù ngành tơm Thái Lan phục hồi và đẩy mạnh thu hoạch tôm tại
Ecuado vẫn không bù đắp được sản lượng sụt giảm của các quốc gia khác. Tại Trung
Quốc năm 2016, sản lượng tôm giảm từ 30 – 40% do ảnh hưởng của thiên tai, dịch
bệnh. Tại Mexico dịch bệnh đã ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng nuôi tôm, các quốc
gia khác ở Trung và Nam Mỹ sản lượng tôm cũng không được cải thiện nhiều [6].

Một trong những nguyên nhân chính làm giảm sản lượng tôm là do dịch bệnh
và ô nhiễm môi trường. Trên thực tế 85% sản lượng tôm được thu hoạch từ phương
thức nuôi thâm canh, đặc trưng nhất của phương thức này là nuôi với mật độ dày và
siêu tải trọng thức ăn, 40% các ao nuôi sẽ phải thay nước hàng ngày để làm giảm các
chất ô nhiễm độc hại [7]. Việc thay nước không những gây ơ nhiễm mơi trường xung
quanh mà cịn gây nguy cơ bùng phát dịch bệnh cho ao nuôi do nguồn nước cấp
không đảm bảo chất lượng. Nghiên cứu cho thấy, tùy thuộc vào mật độ nuôi tôm mà
tổng số các chất ô nhiễm hữu cơ của phosphor, nitrogen và chất rắn lơ lửng lên tới
321; 668 và 215.000 kg/ha tương ứng. Khi nước bị ô nhiễm, các hợp chất ammonia
tổng số tăng nhanh theo thời gian, trong khi đó để tơm sinh trưởng thì u cầu nồng
độ NH3 phải nhỏ hơn 0,1 ppm tương đương với 1,33 – 1,53 mg/l TAN ở pH=8 và
nhiệt độ 28 – 30oC trong nước ao nuôi [7].


6
1.1.2. Tình hình NTTS nước lợ ở Việt Nam và Hải Phịng

1.2.2.1.Tình hình ni trồng thủy sản nói chung
Từ khi Nghị quyết số 09/2000/NQ-CP ra đời, cho phép các tỉnh ven biển ưu
tiên chuyển đổi các diện tích hoang hóa, nông nghiệp và làm muối kém hiệu quả
sang nuôi trồng thủy sản, thì diện tích ni tơm tăng đột biến, từ 280.000 ha (2005)
tăng lên đến 605.000 ha (2015) [1]. Việc mở rộng diện tích ni được tiến hành chủ
yếu trên các vùng ven biển ngập nước như các thủy vực nước mặn trên các vùng cát
trũng và một phần diện tích từ canh tác nơng nghiệp kém hiệu quả [8].
Diện tích ni tơm nước lợ của Việt Nam năm 2019 đạt 720 nghìn ha, năm
2020 đạt khoảng 750 nghìn ha. Trong đó, diện tích ni tơm theo hình thức thâm
canh, bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha, chiếm 30% tổng diện tích ni cả nước
và sản lượng đạt 450 ngàn tấn, chiếm 62% tổng sản lượng tuôi tôm cả nước [1]. Tơm
Việt Nam đã có mặt trên 90 quốc gia và vùng lãnh thổ, đạt kim ngạch xuất khẩu trên
3,36 tỷ đô la Mỹ; Năm 2020 đã chững lại vào quý I do ảnh hưởng của dịch Covid – 19

nhưng sau đó hy vọng sẽ phục hồi và đạt 3,5 tỷ đô la Mỹ. Dự kiến đến năm 2025 đạt
trên 8,4 tỷ đô la Mỹ và đến năm 2030 đạt trên 12 tỷ đô la Mỹ [9]. Đây vừa là cơ hội,
vừa là thách thức không nhỏ đối với ngành ni tơm Việt Nam.
Tại Hải Phịng, theo số liệu của Chi cục Thủy sản - Sở Nông nghiệp và Phát
triển nơng thơn, diện tích ni trồng thủy sản cộng dồn cả năm 2021 đạt 11.430,3 ha
bằng 98,01% so với kế hoạch. Sản lượng thủy sản nuôi trồng thu hoạch tháng
12/2021 ước đạt 6.722,3 tấn, bằng 101,48% so cùng kỳ năm 2020; Ước sản lượng
cả năm 2021 bằng 75.423,7 tấn đạt 102,8% so với cùng kỳ năm trước. Diện tích
ni tơm các loại năm 2021 đạt 2.838,0 ha. Trong đó: diện tích ni tơm sú đạt
1.888,1 ha; diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng đạt 401,4 ha. Sản lượng sản xuất và
tiêu thụ tôm các loại năm 2021 đạt 6.767,9 tấn. Trong đó: sản lượng sản xuất và tiêu
thu tôm sú đạt 520,4 tấn; tôm thẻ chân trắng đạt 5.289,8 tấn. Phương thức nuôi
trồng hiện nay khoảng 80% tổng sản lượng ni theo hình thức thâm canh, 17 -18%
ni quảng canh, phần rất nhỏ khoảng 2-3% ni theo hình thức nuôi tôm công
nghệ cao [3].
Áp lực về bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề lớn đang đặt ra đối
với hoạt động nuôi trồng thủy sản tại Hải Phịng. Với thực tế các cơ sở ni trồng
thủy sản của thành phố Hải Phịng chủ yếu ni theo hình thức thâm canh cải tiến,


7
diện tích vùng ni lớn nhưng năng lực đầu tư kém, khơng bố trí diện tích cho xử lý
nước thải, và bùn thải, do vậy, phần lớn chất thải không được xử lý, xả thẳng ra môi
trường và chỉ được được xử lý qua khả năng tự làm sạch tự nhiên. Việc xả nước
thải, bùn thải chứa thức ăn dư thừa, xác, phân thải của động vật ni, các hóa chất,
thuốc thủy sản, chất xử lý môi trường đang là vấn đề thực sự đáng lo ngại từ các cơ
sở ni trồng thủy sản.
Tại vùng biển ven bờ Hải Phịng, theo báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi
trường, các nguồn thải từ lục địa ra biển chiếm từ 60 - 70%. Trong đó, hệ thống
sơng Thái Bình đổ ra biển qua cửa Cấm và Bạch Đằng đóng góp khoảng 53 - 63%,

các chất hữu cơ, dinh dưỡng nitơ và phốt pho chiếm khoảng 27% - 48%. Báo cáo đã
xác định, hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những ơ nhiễm nguồn lớn
đang góp phần xả chất thải ra khu vực ven biển [4].
Theo số liệu quan trắc môi trường trong các vùng nuôi trồng thủy sản tại Hải
Phịng từ năm 2017 đến nay, ni trồng thủy sản ước tính sử dụng 1 năm khoảng
100 tấn diệt tạp, 10.000 tấn vôi bột, 200 tấn chlorine và 3,5 tấn thuốc tím trong q
trình sản xuất để xử lý, cải tạo mơi trường, ước tính lượng chất thải phát sinh một
năm là 180 triệu m3 nước thải và gần 40.000 tấn bùn thải [3].
Như vậy có thể thấy hoạt động ni trồng thủy sản của Việt Nam nói chung
và Hải Phịng nói riêng đang phát triển ngày càng lớn về quy mơ, có đóng góp quan
trọng trong nền kinh tế, tuy nhiên đây cũng là những nguồn gây ô nhiễm đáng quan
tâm cần có các giải pháp xử lý, khắc phục phù hợp.

1.2.2.2. Tình hình ni trồng thủy sản hồn lưu
Cơng nghệ ni trồng thuỷ sản hồn lưu (RAS) là một trong những giải pháp
công nghệ nuôi trông tiên tiến hiện nay. Hệ thống nuôi bao gồm 2 thành phần chính
là bể ni, và hệ thống xử lý nước để hồn lưu. Trong đó, hệ thống xử lý nước hồn
lưu là thành phần cốt lõi quyết định chất lượng nguồn nước cho bể nuôi. Hiện nay,
phần lớn các hệ thống xử lý nước tuần hoàn được thiết kế với nguyên lý lọc sinh
học, có các mương sinh học chia làm nhiều ngăn, các ngăn được bố trí xen kẽ hở
trên và dưới để giúp cho đường nước đi dài nhất. Hiệu quả xử lý của vật liệu lọc và
hiệu quả hoạt động các vi sinh vật sẽ quyết định chất lượng nước tuần hoàn.
Khi hệ thống xử lý nước tuần hồn hoạt động đảm bảo, tồn bộ nước ni sẽ
được xử lý đảm bảo yêu cầu để có thể cấp lại cho hệ thống nuôi mà không thải ra


8
ngồi mơi trường. Áp dụng cơng nghệ RAS là một trong những giải pháp công nghệ
phù hợp giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thủy sản.
Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ RAS chưa được phổ biến trong ngành ni

trồng thủy sản của Hải Phịng nói riêng và Việt Nam nói chung. Trên quy mơ của
Hải Phịng hiện nay mới chỉ có khoảng 1-2 cơ sở nuôi trồng thủy sản bằng công
nghệ này, với quy mô nuôi trồng khoảng 10 - 20 tấn/năm. Trên quy mô cả nước, số
cơ sở nuôi trồng bằng công nghệ này cũng không nhiều với số lượng cơ sở nuôi
trồng khoảng hơn 10 cơ sở ở quy mô nhỏ.
Một trong những đặc điểm của môi trường nước nuôi trồng thủy sản bằng
công nghệ RAS là các chỉ tiêu nitơ vô cơ trong nước ni ln có xu hướng tăng
cao do sự phân hủy của thức ăn dư thừa và chất thải từ vật nuôi. Việc xử lý
ammonia và nitrite lại thường gặp khó khăn do q trình nitrate hố bị giới hạn vì
tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hố được đánh giá là chậm hơn rất nhiều so
với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm vi khuẩn
này dễ bị ức chế trong điều kiện môi trường không thuận lợi như thiếu khí và nguồn
chất hữu cơ dồi dào. Hiệu quả xử lý nước để tuần hoàn trong hệ thống RAS đang là
vấn đề quyết định tính phổ biến của cơng nghệ này.
1.2. Ơ nhiễm các hợp chất nitơ vơ cơ trong ni trồng thuỷ sản nước lợ
Ơ nhiễm từ các hợp chất của nitơ vô cơ đang là một trong những điểm nóng của
ngành ni trồng thủy sản ở nước ta do tình trạng lạm dụng thức ăn để nâng cao năng
suất. Ơ nhiễm ao ni tơm chủ yếu là do thức ăn thừa và các chất bài tiết của tôm tích
tụ đáy ao gây ơ nhiễm hữu cơ [10]. Q trình tích tụ các chất ơ nhiễm nitơ vơ cơ trong
ni trồng thủy sản được thể hiện tại hình 1.1.
Trung bình 1 ha mặt nước hồ ao ni 1 vụ 6 tháng sẽ tạo ra một lượng chất thải
khoảng 18.000 kg chất hữu cơ/ha, 1 ha ni tơm sú có năng suất 6 - 8 tấn/vụ sẽ thải ra
khoảng 3,6 - 4,8 tấn chất thải. Do vậy, 1 ha nuôi tôm sú sẽ thải ra môi trường khoảng
22 tấn chất thải (gồm cả sinh khối tảo chết). Các chất thải này phần lớn tích tụ ở đáy ao
gây ơ nhiễm chất hữu cơ tùy thuộc vào phương thức nuôi tôm [11].
Nghiên cứu đánh giá về q trình tích tụ các hợp chất nitrogen trong nền đất
của các ao nuôi tôm tại Quảng Ninh [12] đã được tiến hành với chỉ tiêu quan trắc là
nồng độ NH4+ và N-NO2- ở các tầng đất 30cm, 60 cm, 90 cm, đối với các loại ao có
thời gian bắt đầu đưa vào ni tơm khác nhau (năm 2002, 2004, 2006) tại các thời

9
điểm khác nhau (năm 2008, 2014). Kết quả cho thấy hàm lượng NH4+ và N-NO2trong đất ao nuôi tôm dao động trong khoảng 1,28 – 9,64 mg/kg. Trong năm 2014, tại
hầu hết các ao nuôi tôm cho kết quả hàm lượng N-NH4+ và N-NO2- trong đất đều cao
hơn so với lần quan trắc năm 2008. Đồng thời, kết quả quan trắc chỉ tiêu N-NH4+ và NNO2- trong đất ở các ao có thời gian ni dài hơn đều cao hơn.

Hình 1.1. Sự tích tụ chất ơ nhiễm nitơ vơ cơ trong đầm nuôi tôm
Biến động giá trị N-NH4+ và N-NO2- trong đất ao nuôi thể hiện rõ: trong thời
gian dài ni tơm, chất thải từ hoạt động ni tích tụ và gây ảnh hưởng đến nền đáy
ao nuôi là rất đáng kể.
Trong các hợp chất của nitrogen, hợp chất độc hại nhất cho tôm và cá là
nitrite ammonia. Đặc biệt là NH3, nồng độ NH3 là 0,09 mg/l có thể làm giảm sinh
trưởng, tại nồng độ 0,1 mg/l có thể gây chết tơm. N-NO2- có thể ảnh hưởng đển sức
khỏe của tôm trong dài hạn tại nồng độ thấp đến 0,45 mg/l. Nitrate không gây độc
trực tiếp đối với vật ni nhưng sự có mặt của nitrate với nồng độ cao sẽ kích thích
sự nở hoa của tảo, có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vật nuôi như cá chình,
mực và tơm [13-14-15].
Độc tính của ammonia mạnh hay yếu cịn tùy vào yếu tố như cỡ tơm, độ
mặn, nhiệt độ và pH trong ao. Đối với tôm giai đoạn nhỏ, giống lúc mới thả thì
nhạy cảm hơn so với tôm lớn. Các ao nuôi thâm canh với mật độ dày dễ xảy ra tình
trạng ngộ độc nhiều hơn các ao nuôi với mật độ thấp. Đối với các ao ni có độ
mặn thấp, nhiệt độ cao, pH cao là các nguyên nhân dẫn đến tình trạng ngộ độc
ammonia cấp tính. Đối với các hệ thống ni kín, cần tránh nhiệt độ tăng cao trên


10
34oC, pH trên 8.0, lúc này tôm rất nhạy cảm và dễ dẫn đến tôm chết hàng loạt, đôi
lúc tỉ lệ chết lên đến 100% đối với các ao ngộ độc nặng và xử lý không đúng tác
nhân. Nghiên cứu về mức độ an toàn về hàm lượng NH3 đối với tôm he P.monodon
cho thấy: LC50 sau 96 giờ cho ấu trùng là 0,13 mg NH4+-N/l (hoặc 0,01 mg NH3N/l) và ở mức an tồn đối với tơm P.paulensis là 0,03 mg NH3-N/l [15].

Nitrite được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonia và q trình khử nitrate
khơng hồn tồn. Đối với vật nuôi, phơi nhiễm với nitrite gây ra các tổn thương
mang và phù nề ở cơ xương cá, nhưng tác động chính của nó là đến hơ hấp. Khi
nitrite đã bị hấp thụ vào máu, nitrite kết hợp với hemoglobin hoặc hemocyanin ở
lồi khơng xương sống để tạo thành methemoglobin hoặc met-hemocyanin không
kết hợp với oxy. Tỷ lệ phần trăm methmoglobin hoặc met-hemocyanin trong máu
của động vật thủy sinh tăng lên khi nồng độ nitrite trong máu tăng lên, do đó làm
cho máu giảm khả năng vận chuyển oxy đến các mô. Cụ thể, khi ao nuôi tôm bị
nhiễm N-NO2- làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu dẫn đến tơm bị stress
và tình trạng này kéo dài sẽ gây chết tôm. Tác động của nitrite đến hơ hấp đặc biệt
rõ rệt khi nồng độ oxy hịa tan trong nước ao ni thấp. Do vậy, nitrite có trong
đầm ao nuôi gây độc cho tôm cá, làm giảm khả năng sinh trưởng... [16]
Nghiên cứu cho thấy, LC50 96 giờ (gây chết 50% sinh vật thí nghiệm trong
96 giờ) của N- NO2- điển hình trong khoảng 10,00 - 30,00 mg/l trên các lồi
khơng xương sống nước ngọt và 0,25 - 100,00 mg/l trên cá. Phạm vi tương ứng
trên các lồi sinh vật biển điển hình trong khoảng 10 – 300 mg/l và 100 – 1.000
mg/l. Đối với nhiều loài tôm cá giá trị LC50 sau 48 giờ là 12,1mM, đối với cá
M.rosenbergii là 0,1 mM, đối với ấu trùng cá 10-14 ngày tuổi sau 96 giờ là 8,6 mg
NO2-/l [15].
Nitrate được hình thành bởi q trình oxy hóa nitrite trong các đầm ao nuôi,
tuy không trực tiếp gây độc cho tôm cá bởi hàm lượng tạo thành thường thấp hơn
tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên, khi hàm lượng lớn hơn 50 mg/l gây hiện tượng nở
hoa làm giảm oxy hịa tan trong mơi tường nước [16].
Có thể thấy, các hợp chất nitơ là chỉ tiêu ô nhiễm luôn đi cùng với ngành
nuôi trồng thủy sản và là nguy cơ lớn gây ra tình trạng ơ nhiễm và dịch bệnh [17].
Nghiên cứu và xử lý thành công các hợp chất nitơ trong nước là một trong những
yêu cầu cấp thiết, quyết định sự sống cịn của ngành ni trồng thủy sản.


11

1.3. Vai trị của vi sinh vật trong q trình chuyển hố các chất ơ nhiễm nitơ vơ cơ
1.3.1. Chu trình chuyển hố nitơ sinh học trong đầm ni thuỷ sản nước lợ
Các hợp chất nitơ vô cơ tồn tại trong nước dưới 3 dạng gồm NO3-, NO2-, NH3.
Trong đó hợp chất nitrate có cơng thức hóa học là NO3-, hợp chất này là liên hợp của
axit nitric, gồm một nguyên tử nitơ trung tâm bao quanh bởi ba nguyên tử oxy giống
hệt nhau trong xếp trên một mặt phẳng tam giác. Nitrate được tạo ra tự nhiên từ nitơ có
trong trái đất. Q trình hình thành nên chúng là một trong các giai đoạn khơng thể
thiếu trong vịng tuần hoàn của nitơ ngoài tự nhiên. Khi vi sinh chuyển hóa các hợp
chất nitơ và phân hủy xác động, thực vật cũng hình thành nên nitrate. Q trình nitrate
hóa sẽ chuyển đổi amoni thành các nitrate nhờ vào những vi khuẩn sống trong đất với
nhóm vi khuẩn nitrate hóa Pseudomonas là chủ yếu. Chúng sẽ chuyển đổi amoni thành
nitrite, sau đó từ nitrite sang nitrate. Hợp chất nitrite có cơng thức hóa học là NO2-.
Nitrite trong nước bắt nguồn từ NH4+/NH3 qua giai đoạn 1 của q trình nitrate hóa
chuyển sang NO2-. hoặc do nguồn NO2-. có sẵn trong nguồn nước; khi hàm
lượng NH3 trong môi trường cao vật nuôi sẽ tăng bài tiết nitrite, do NH4+/NH3 liên tục
được bổ sung từ thức ăn và chất thải của tôm, tiếp theo là q trình nitrate hóa tạo
thành nitrite. Hợp chất ammoniac có cơng thức là NH3. Ammoniac là hợp chất của
Nito (N) và Hydro (H) có cơng thức hóa học là NH3. Đây là một hợp chất vô cơ được
cấu tạo từ 1 nguyên tử Nito và 3 nguyên tử Hydro tạo thành một liên kết kém bền. Là
một hydride nhị phân ổn định và hydride pnictogen đơn giản nhất, ammonia là một
chất khí khơng màu, có mùi hăng đặc trưng (mùi khai). Nó là một chất thải nitơ phổ
biến, đặc biệt là giữa các sinh vật sống dưới nước. Hợp chất ammoniac do nhiều yếu tố
tạo ra như thức ăn dư thừa, xác động thực chết, phân bón hữu cơ bị vi khuẩn phân hủy
thành khí NH3. Kế tiếp phải kể đến việc thải ra NH3 trong quá trình tiêu hóa của động
thực vật và sự biến dưỡng của các thủy sinh vật khác, mà nhất là sự thủy phân của các
hợp chất protein. Trong mơi trường nước, ngồi ammoniac thì cịn có một dạng liên
hợp là ammonium (NH4+), nhưng khơng độc bằng NH3 nên ít được nhắc tới. Số liệu
thường đo được là tổng nitơ gọi chung là TAN, tức là tổng nồng độ NH3 và nồng độ
NH4+ trong ao. Khi TAN cao kết hợp với pH cao sẽ làm nồng độ NH3 tăng cao gây hại
cho vật ni [18].

Chu trình nitơ là một trong những chu trình quan trọng nhất của hệ sinh thái
bởi nitơ là nguyên tố chính cấu thành các hợp chất hữu cơ chính của sự sống như
protein và axit nucleic. Trong nhiều hệ sinh thái tự nhiên, nitơ là một trong các
nguyên tố cần thiết cho sự sống của sinh vật, do vậy, nguồn cung cấp nitơ giới hạn
có thể làm giảm năng suất sơ cấp của hệ sinh thái. Trong một số hệ sinh thái khác
như hệ sinh thái đồng ruộng canh tác nơng nghiệp, sơng ngịi và ven biển, do chịu
ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các hoạt động của con người mà nguồn nitơ trong các hệ
sinh thái này thường dư thừa (eutrophication) và có ảnh hưởng tiêu cực đến sự cân


12
bằng của hệ sinh thái.
Sự chuyển hoá giữa các hợp chất nitơ ở các trạng thái ơxy hố khác nhau
trong hệ sinh thái được thực hiện thông qua các phản ứng ơxy hố khử dưới tác
động của nhiệt động học và xúc tác bởi enzyme của vi sinh vật. Trong hầu hết các
hệ sinh thái tự nhiên, nhờ có vi sinh vật mà sự tồn tại của nitơ ở các trạng thái ơxy
hố khác nhau được cân bằng một cách chủ động để giúp cho hệ sinh thái được duy
trì ổn định và có thể thích ứng được với những thay đổi của môi trường xung quanh.
Cách đây vài thập niên, các nhà khoa học mới chỉ phát hiện ra một số nhóm vi
sinh vật tham gia vào chu trình nitơ của hệ sinh thái (hình 1.2), đó là nhóm cố định
nitrogen (nitrogen fixation), ammonium hố (ammonification), nhóm nitrate hố
(nitrification) và nhóm phản nitrate hố (denitrification). Nhưng trong những năm gần
đây, nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực sinh học phân tử và các kỹ thuật nuôi cấy vi
sinh vật hiện đại, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều con đường chuyển hoá các
chất nitrogen mới và nhiều nhóm vi sinh vật mới cũng được phát hiện ra (hình 1.2).

Hình 1.2 Chu trình nitơ vi sinh vật trong hệ sinh thái tự nhiên. (A): chu trình
nitơ truyền thống; (B): chu trình nitơ hiện đại.
Nguồn: Kazuo Isobe và Nobuhito Ohte, 2014

13
Các nhóm vi khuẩn mới được phát hiện bao gồm nhóm vi khuẩn lam đơn bào
cố định khí nitrogen (unicellular N2 fixing cyanobacteria), nhóm vi khuẩn ơxy hố
nitrite quang tự dưỡng (phototrophic nitrite oxidation), nhóm vi khuẩn phản nitrate
hố phụ thuộc CH4 (CH4-dependent denitrification), nhóm vi khuẩn khử N2O (N2O
reduction), nhóm vi khuẩn cổ ơxy hố ammonia hiếu khí (archaeal NH3 oxidation),
nhóm vi khuẩn ơxy hố ammonia kị khí (anammox).
1.3.2. Q trình nitrate hố
1.3.2.1. Q trình nitrate hố của vi khuẩn tự dưỡng
Nitrate hố là q trình ơxy hố hai bước, bước thứ nhất là nitrite hố - ơxy hố
ammonia thành nitrite và bước tiếp theo là nitrate hoá - ơxy hố nitrite thành nitrate
(hình 1.3).


Nitrite hố
Q trình nitrite hố được xúc tác bởi enzyme ammonia mono oxygenase của vi
khuẩn ơxy hố ammonia.

Cơ chế hố học của q trình này đã được nghiên cứu từ lâu và được tổng hợp
trong sơ đồ sau:

Hình 1.3. Sơ đồ giai đoạn nitrite hóa
Đầu tiên ammonia bị ơxy hố thành hydroxylamine (NH2OH) nhờ enzyme
ammonia monooxygenase.
NH3 + O2 + 2e- + 2H+ → NH2OH + H2O


14
Q trình này khơng giải phóng năng lượng ở dạng ATP, nhưng lại đòi hỏi

nguồn điện tử để tạo thành hydroxylamine. Nguồn điện tử đó có được khi ơxy hố
NAHD2 thành NAD+ và truyền qua cytochrom P460. Một phần nguồn điện tử trong
q trình ơxy hố ammonia thành hydroxylamine đi vào chuỗi truyền điện tử trong
nitrosomonas, phần còn lại dùng để ơxy hố hydroxylamine thành nitrite trong
phương trình phản ứng.
NH2OH + O2 → NO2 + H2O + H+
Trong quá trình ơxy hố hydroxylamine này có sự tạo thành sản phẩm trung
gian NOH do enzyme hydroxylamine oxydase xúc tác (NOH là một hợp chất kém
bền vững). Hai điện tử giải phóng từ sự ơxy hố NOH thành NO2- được sử dụng để
chuyển hoá P460 trở lại thành dạng khử. Dạng khử P460 lại ơxy hố các phân tử
NH3 tiếp theo.
Điều đáng chú ý là trong q trình nitrite hố, cơ chất của enzyme ammonia
monooxygenase là NH3 chứ không phải là NH4+, bởi vậy q trình ơxy hố
ammonia xảy ra mạnh nhất ở pH trung tính hoặc kiềm (7,5 - 8,5) khi mà TAN tồn
tại ở dạng khơng ion (NH3) nhiều hơn.
Ngồi ra cần nhấn mạnh là hầu như toàn bộ vi khuẩn ơxy hố ammonia thành
nitrite là vi khuẩn hiếu khí, tự dưỡng bắt buộc, chúng không lấy năng lượng từ sự
ơxy hố chất hữu cơ mà tự tổng hợp chất hữu cơ từ CO2.
Một số đại diện đặc trưng của nhóm là các chi Nitrosomonas, Nitrosococcus,
Nitrosospira, Nitrosolobus. Trong số đó chi Nitrosomonas và đặc biệt là loài
Nitrosomonas europaea được nghiên cứu nhiều nhất. Chúng là những vi khuẩn hình
bầu dục, nhỏ bé kích thước khoảng 0,4 - 0,6 x 1,0 - 1,8 m, khơng có khả năng sinh
bào tử, có thể có tiêm mao khá dài, có khả năng tích luỹ nhiều chất nhầy quanh tế
bào. Điều kiện tối ưu cho sự phát triển của Nitrosomonas là nhiệt độ khoảng 28 30oC, pH = 7,0 - 8,6. Cơ chất ôxy hố của Nitrosomonas là ammonia, ure, guanin và
chúng khơng sử dụng cơ chất hữu cơ làm nguồn ơxy hố.


Nitrate hố
Đó là giai đoạn ơxy hố nitrite thành nitrate do enzyme nitrite oxydase và

cytochrom oxydase xúc tác.
NO2- + H2O → NO3- + 2H+ + 2eMặt khác một số điện tử sinh ra khí ơxy hố NO2- lại đi vào mạch truyền điện tử


15
tới cytochrom a, cytochrom c đến cytochrom oxydase (aa3) và kết hợp với ôxy phân
tử để tạo thành nước trong nguyên sinh chất theo sơ đồ sau:

Hình 1.4. Sơ đồ giai đoạn nitrate hoá

Ghi chú: NSC từ viết tắt của nguyên sinh chất
Các thành phần mạch truyền điện tử đó được phân bổ trên màng nguyên sinh
chất. Sự dịch chuyển điện từ qua màng đó đã dẫn đến hình thành thế điện hoá bao
gồm 2 thành phần: điện thế và gradient H+ và là động lực để tổng hợp ATP (khi H+
chuyển ngược từ ngoài vào trong màng nguyên sinh chất).
Tác nhân của q trình này là các lồi vi khuẩn như: Nitrobacter,
Nitrosococcus, Nitrospira. Cũng như các loài vi khuẩn tự dưỡng khác, vi khuẩn
nitrate hoá dùng năng lượng sinh ra để khử CO2 của khơng khí và tạo nên các chất
hữu cơ cần thiết cho cơ thể chúng. Loài vi khuẩn nitrate hố điển hình nhất là
Nitrobacter sp. Chúng là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng 0,8 x
1,0m, Gram âm, khơng sinh bào tử. Hai lồi Nitrobacter chủ yếu là N. vinogradxki
(không di động) và N. agilic (di động). Cơ chất ơxy hố duy nhất của Nitrobacter là
nitrite, nitrobacter cũng có thể sinh trưởng và phát triển trên các mơi trường có
chứa chất hữu cơ, hoặc chất hữu cơ kích thích sự sinh trưởng và phát triển cũng như
hoạt tính chuyển hố của chúng [18].


16
Năng lượng thu được từ q trình ơxy hố NH4+ sẽ được các vi khuẩn sử
dụng để tổng hợp vật chất của tế bào từ CO32-. Do chỉ nhận được rất ít năng lượng

từ q trình ơxy hố nên tốc độ phát triển của vi khuẩn ơxy hố ammonia và ôxy
hoá nitrite tự dưỡng rất chậm. Thời gian thế hệ là 0,5 - 2,5 ngày đối với
Nitrosomonas và 0,3 - 1,5 ngày đối với Nitrobacter. Sản lượng tế bào (g tế bào
khơ/g N ơxy hố) là 0,29 đối với Nitrosomonas và 0,08 g đối với Nitrobacter.
1.3.2.2. Nitrate hoá ở vi khuẩn dị dưỡng
Trong những năm gần đây, ngoài các vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc người ta đã
phát hiện ra một số vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxy hoá ammonia và các hợp
chất hữu cơ chứa nitơ thành nitrite và nitrate như: Methylomonas methanica,
Methylosinus trichosprium, methyloccus capsulata, Pseudomonas methanicus,
Thiosphaera pantotropha, Thiobacillus novellus. Cơ chế hoá sinh của quá trình
nitrate hố do các vi khuẩn dị dưỡng vẫn chưa hồn tồn sáng tỏ. Có lẽ sự ơxy hố
xảy ra theo 2 con đường vô cơ và hữu cơ như sơ đồ trình bày ở dưới:

Q trình nitrate hố nhờ vi khuẩn dị dưỡng có tầm quan trọng đặc biệt bởi
nó dễ sinh trưởng và phát triển ở mọi loại môi trường, cả ở những nơi giàu hay
nghèo chất hữu cơ. Trong khi đó các vi khuẩn tự dưỡng thường có mặt ở những nơi
có ít chất hữu cơ. Mặc dù khả năng ơxy hố ammonia của vi khuẩn dị dưỡng ít hơn
từ 103 - 104 lần khả năng ơxy hoá ammonia của vi khuẩn tự dưỡng nhưng bù lại
chúng có khả năng phát triển nhanh hơn rất nhiều lần. Hơn nữa, ngồi khả năng ơxy
hố ammonia các chủng vi khuẩn dị dưỡng cịn có cả enzyme khử nitrate (nitrate
reductase) thành nitơ phân tử, ngay cả trong điều kiện có ôxy, bởi vậy chúng là những
vi khuẩn lý tưởng trong xử lý môi trường bị nhiễm bởi ammonia, nitrite và nitrate. Khả
năng chuyển hóa các hợp chất nitơ của nhóm vi khuẩn dị dưỡng có ưu điểm vượt trội so
với các nhóm vi khuẩn tự dưỡng đã và đang được khẳng định thơng qua các nghiên cứu
gần đây. Đã có nghiên cứu phân lập được chủng Bacillus sp có kiệu quả loại bỏ 71,1%
COD với hàm lượng ban đầu là 500 mg/l và 74,7% N- NH4 hàm lượng 45 mg/l [19].


17
1.3.3. Q trình khử nitrate

Trong tự nhiên có hai loại khử nitrate:
- Q trình đồng hố (ammonia hố nitrate) tức là quá trình khử nitrate thành
ammonia, quá trình này xảy ra ở một số vi khuẩn như Bacillus, E. coli, Aerobacter.
- Q trình dị hố (phản nitrate hố) là q trình khử nitrate hoặc nitrite thành
nitrogen phân tử.
Hai quá trình khử nitrate này có chung giai đoạn đầu.

Q trình khử nitrate thành khí nitơ là q trình phản nitrate hồn tồn. Mức độ
ơxy hố của các hợp chất trung gian trong q trình phản nitrate hố như sau:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
Mức độ ơxy hố +5 +3 +2 +1 +0
Q trình phản nitrate hố (NO3- đến N2) xảy ra qua 4 giai đoạn, mỗi giai đoạn
do một enzyme xúc tác.
Giai đoạn 1: khử nitrate thành nitrite

Giai đoạn này do enzyme Nitrate reductase xúc tác
Giai đoạn 2: khử nitrite thành oxit nitơ (NO)


18
Giai đoạn này do enzyme nitrite reductase xúc tác
Giai đoạn 3: khử oxit nitơ thành oxit đinitơ (N2O)

Do enzyme oxit dinitơ reductase xúc tác
Nitrate reductase tham gia quá trình khử nitrate nối với mạch truyền điện tử
ở cytochrom b. Mạch truyền điện tử đó bao gồm tất cả các loại chất mang điện tử
nối với màng: flavoloid, quinon, cytochrom loại b và c.
Khi vận chuyển điện tử NO3- có hai vùng hình thành thế điện hố (trong khi
điện tử đến ơxy có 3 vùng). Thế điện hố là động lực tạo ATP. Như vậy để q trình
phản nitrate hố xảy ra cần chất hữu cơ và kéo theo quá trình tổng hợp chất cao

năng cần cho quá trình sống của vi sinh vật.
Tất cả vi khuẩn phản nitrate hoá là hiếu khí hoặc hiếu khí tuỳ tiện và có
chuỗi hơ hấp hoàn chỉnh, chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng gồm một số
đại

diện

như

Pseudomonas,

Alcaligenes,

Azospirillum,

Rhizobium,

Rhodopseudomonas, Propionibacterium, Achromobacter, Micrococcus, Paracoccus,
Bacillus v.v. Ngồi ra cịn một số vi khuẩn lưu huỳnh cũng có khả năng này như
Thiobacillus denitrificans, Sulfomonas denitrificans. Bên cạnh các vi khuẩn dị
dưỡng cịn có các vi khuẩn tự dưỡng như Thiobacillus denitrificans hoặc tự dưỡng
không bắt buộc khác. Các vi khuẩn này là các vi khuẩn kị khí tuỳ tiện trong môi
trường đủ ôxy các vi khuẩn phản nitrate hố ơxy hố các hợp chất hữu cơ giống như
vi khuẩn hiếu khí bình thường, khi mơi trường thiếu ôxy chúng mới tiến hành khử
nitrate [20].
Quá trình phản nitrate hố có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí, nhưng đặc
biệt mạnh trong điều kiện thiếu ôxy. Các vi khuẩn phản nitrate hố là các tác nhân
có hại cho sản xuất nơng nghiệp vì làm mất một lượng lớn chất đạm vô cơ ở dạng
NO3- dành cho thực vật. Tuy nhiên, chúng lại là tác nhân quan trọng trong xử lý
nước thải và nước sinh hoạt vì chúng loại bỏ nguồn nitơ liên kết đối với môi trường

sinh thái.


19
Cần chú ý một tới một số loài vi khuẩn như Alcaligens, Escherichia,
Aeromonas,

Enterobacter,

Bacillus,

Flavobacterium,

Nocardia,

Spirillum,

Staphylococcus và Vibrio, chúng chỉ chuyển hoá NO3- thành NO2- và do đó gây độc
cho nguồn sử dụng.
Ngồi ra nitrate và nitrite thường tồn dưới dạng muối của các kim loại kiềm
(Na, K) và kiềm thổ (Mg, Ca). Trong quá trình phân giải các muối kali, natri, calci
v.v. Các muối carbonate và kiềm được tạo thành. Vì thế, q trình phản nitrate hố
thường kèm theo sự kiềm hố mơi trường.
Độ pH tối ưu cho q trình phản nitrate xảy ra là từ 6,0 – 8,0. Ở pH này sự
hình thành nitrite chiếm ưu thế, nitrite rất nhạy cảm với các enzyme phân giải nên
rất nhanh chóng chuyển thành NO và N2O và sau đó tạo thành N2. Trong đất ở
pH<6 sự tích luỹ NO xảy ra đồng thời với sự xuất hiện NO2- và đặc biệt là khi NO3tồi tại trong đất với hàm lượng cao. Điều này xảy ra do sự phân huỷ NO2- không
sinh học ở pH thấp. Bình thường q trình phản nitrate hố xảy ra ở khoảng nhiệt
độ từ 5 – 60oC. Khi nhiệt độ tăng tốc độ phản nitrate hoá tăng và đạt cực đại tại 60 –
75oC, sau đó nhanh chóng giảm xuống. Khi nhiệt độ xuống thấp hơn 5oC, tốc độ

phản nitrate hố cũng giảm nhanh và dừng lại hồn tồn ở nhiệt độ < 2 oC. Hàm
lượng ơxy hồ tan khơng được lớn hơn 0,1mg/l [20-21].
Như vậy, có thể thấy, quá trình xử lý ammonia và nitrite bởi vi sinh vật khó
khăn do q trình nitrate hố bị giới hạn vì tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate
hố được đánh giá là chậm hơn khoảng 5-10 lần so với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn
nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm vi khuẩn này dễ bị ức chế trong điều kiện
môi trường không thuận lợi như độ pH khơng phù hợp, thiếu khí và nguồn chất hữu
cơ dồi dào.
Các đặc tính nêu trên của q trình phân hủy các hợp chất nitrogen bằng vi
sinh vật là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu làm giàu và sử dụng vi sinh vật để
thúc đẩy nhanh quá trình xử lý nitrogen trong mơi trường nước.
1.3.4 Q trình tạo màng nitrate hóa
1.3.4.1 Ngun lý tạo màng
Trong mơi trường sống của vi sinh vật, khi có giá thể vi sinh vật sẽ dính bám
trên bề mặt giá thể sinh trưởng và phát triển tạo thành lớp màng nhầy. Quá trình


20
sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và
làm sạch nước thải.
Q trình dính bám của giá thể vi sinh có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1-Kết dính ban đầu: Là q trình vi sinh bám vào bề mặt của giá
thể tạo thành lớp màng. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,
cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.
Giai đoạn 2-Phát triển: Vi sinh vật bắt đầu phát triển trên lớp màng bắt đầu
quá trình phân hủy sinh học
Giai đoạn 3-Trưởng thành: Là giai đoạn vi sinh đã phát triển, lớp màng đã
dày lên, hiệu suất phân hủy sinh học cao nhất. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho
quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị
mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối.

Giai đoạn 4-Phân tán: Sau khi phát triển đến độ dày nhất định, lớp màng
không dày lên nữa và trở nên ổn định. Vi sinh sẽ tróc ra khỏi bề mặt của giá thể. Sự
trao đổi chất diễn ra để phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và nước. Lượng vi sinh vật
không thay đổi do chiều dày lớp màng hiệu quả khơng thay đổi và khơng có sự gia
tăng sinh khối trong giai đoạn này. Lượng cơ chất phải đủ cho q trình trao đổi chất,
nếu khơng vi sinh sẽ thiếu dinh dưỡng và bắt đầu phân hủy nội bào để cân bằng với
cơ chất và sinh khối.
Các giai đoạn trên sẽ diễn ra cùng lúc xen kẽ với nhau giúp quá trình phân
hủy sinh học diễn ra liên tục. Quá trình phân hủy nội bào và quá trình trao đổi chất
sẽ diễn ra đồng thời với nhau. Khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ
suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào.
1.3.4.2 Giá thể sinh học
Vi khuẩn nitrate hố tự dưỡng bắt buộc có đặc điểm sinh trưởng chậm và rất
nhạy cảm với các yếu tố mơi trường. Do đó, hiệu quả xử lý ammonia và nitrite
thường khơng như mong đợi nếu bón trực tiếp chế phẩm nitrate hố vào ao ni. Vi
khuẩn ở trạng thái tự do (suspended) thường dễ bị rửa trôi do thay nước trong q
trình ni trồng thuỷ sản do đó làm giảm hiệu quả hiệu quả xử lý. Hơn nữa, vi
khuẩn trong chế phẩm thường mất thời gian dài để thích ứng với môi trường mới
cũng dẫn đến hiệu quả xử lý khơng cao. Giải pháp cho vi khuẩn nitrate hố bám dính
vào giá thể trong hệ thống lọc tuần hồn có thể khắc phục được tình trạng trên nhờ


21
duy trì được mật độ và hoạt lực của nhóm vi khuẩn này. Vi khuẩn nitrate hố ở trạng
thái dính bám vào giá thể có hiệu quả xử lý ammonia cao thậm trí ở mật độ thấp. Vi
khuẩn khi ở trạng thái dính bám thập chí có thể ít nhạy cảm với các yếu tố môi trường
như các yếu tố dinh dưỡng.
Đối với q trình chuyển hóa nitơ, giá thể dính bám cho vi khuẩn nitrate hố
có vai trị rất quan trong trong việc cải thiện khả năng xử lý chất ô nhiễm nitrogen
vô cơ. Theo nghiên cứu, các chủng vi khuẩn Nitrosomonas sp. và Nitrobacter sp. đã

được phân lập từ trầm tích của rừng ngập mặn khi cố định trên giá thể là các hạt
bentonite, CaCO3, amberlite có hoạt tính cao hơn rất nhiều so với các chủng vi khuẩn
này ở trạng thái sống tự do. Hơn nữa vi khuẩn khi cố định trên giá thể có khả năng
sống sót trong điều kiện kị khí trong rất nhiều tuần trong khi vi khuẩn sống tự do
chỉ có thể sống sót được vài ngày trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt. Nhiều nghiên
cứu khác cũng cho thấy hoạt tính của vi khuẩn nitrate hoá được cải thiện đáng kể
nếu được cố định trên các giá thể thích hợp như zeolite, mẩu gỗ vụn [22].
Theo nguyên lý, vi sinh sẽ dính bám trên bề mặt giá thể tạo thành lớp màng
nhầy có tác dụng phân hủy sinh học. Sự phát triển của màng vi sinh vật sẽ tiêu thụ
cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải.
Các vi sinh vật khi dính bám vào giá thể sẽ có một số ưu điểm như lưu giữ
sinh khối lâu hơn trong hệ thống, mật độ tế bào vi sinh vật cao, tốc độ tăng trưởng
và tỷ lệ trao đổi chất của vi sinh vật được tối ưu hóa, bảo vệ khỏi các hợp chất ức
chế và điều kiện bất lợi. Sự cố định đã được chứng minh là làm tăng tốc độ loại bỏ
nitrogen sinh học vốn dĩ rất chậm do sự phát triển khiêm tốn của vi sinh vật [22].
Shan và Obbard đã có nghiên cứu [23] về khả năng loại bỏ TAN của vi khuẩn
nitrate hóa cố định trong xử lý nước ao nuôi tôm. Trong nghiên cứu này, các chủng vi
khuẩn oxy hóa ammonia được cố định trên giá thể là đất sét có thể kích hoạt ngay lập
tức, nồng độ TAN trong nước ao giảm từ 6 mg.L-1 trong ngày đầu tiên xuống còn 0,2
mg.L-1 trong ngày thứ 3. Liều lượng 0,2 g (trọng lượng ướt) gỗ của cây Ailantus
altissima (kích thước 300 - 1500 µm) được cố định bởi tổ hợp vi khuẩn nitrate hóa
trong 20 L nước biển đạt tốc độ loại bỏ TAN 2,4 mg.L-1 trong vịng ba ngày [98] tốc độ
nitrate hóa của bông lọc Polyetylen (PFC) được cố định bởi vi khuẩn oxy hóa ammonia
đạt 0,035 mg N.cm-3.h-.


22
Khả năng loại bỏ TAN và nitrite của tổ hợp vi khuẩn nitrate hóa cố định
cũng được đánh giá ở các quy mơ thí nghiệm khác nhau. Kummar và cộng sự đã
kích hoạt bể phản ứng sinh học tầng đóng gói (PBBR) với đế 30 cm2 và chiều cao

tổng thể là 45 cm bằng cách cố định tổ hợp vi khuẩn oxy hóa ammonia
(AMONPCU-1) và nitrite oxy hóa (NIONPCU-1), tương ứng. Các bể phản ứng sinh
học sau khi kích hoạt được tích hợp vào hệ thống trại giống đã dẫn đến việc loại bỏ
ammonia đáng kể (P <0,01) lên đến mức không thể phát hiện được. Manju và cộng
sự đã thiết lập thí nghiệm ở các chế độ mặn 10, 20 và 32 ‰. Quy mơ thí nghiệm là
12 bể, mỗi bể chứa 24 L nước lợ hoặc nước biển để ni tơm (P. monodon với trọng
lượng bình qn 15 g / con). Các bể thí nghiệm đã được thêm 3 g (trọng lượng ướt)
của chất liên kết nitrate hóa cố định. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả loại bỏ
TAN trong các bể thử nghiệm cao hơn hai lần so với trong các bể đối chứng.
Dựa vào nguyên lý hoạt động của giá thể vi sinh người ta thường sử dụng giá
thể trong xử lý nước thải để tăng hiệu suất của quá trình phân hủy sinh học, giảm
thiểu được lượng bùn sinh ra. Tăng hiệu quả và sự vận hành ổn định của hệ thống.
Giảm thiểu mùi hôi do sự phân hủy sinh học của các hợp chất hữu cơ.
Như vậy, vai trò và hiệu quả của giá thể trong quá trình xử lý các hợp chất nitơ
vô cơ đã được đánh giá khá cụ thể ở các nghiên cứu đã có [22-24]. Tuy nhiên, các
nghiên cứu đã có mặc dù đã đánh giá được hiệu quả của một số loại giá thể nhưng mỗi
nghiên cứu chỉ tiến hành trên 1 loại giá thể, chưa có nghiên cứu nào đánh giá đồng thời
nhiều giá thể trên cùng một chủng vi sinh vật để có số liệu so sánh.
Các kiểu vật liệu làm giá thể bám cho nuôi trồng thuỷ sản trên thế giới hiện
nay rất đa dạng và phong phú, tuỳ điều kiện của mỗi quốc gia và từng trại sản xuất.
Nhưng nhìn chung, các vật liệu phổ biến đang được sử dụng là đá và đá cuội, đất
sét, zeolite, hạt nhựa kaldnes, đá san hô chết, tấm đệm sợi lưới, tấm đệm Brillo, tấm
đệm dạng tấm cố định, mảnh vụn gỗ, v.v.
Với mỗi loại giá thể, ngồi hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ vơ cơ, cần đảm
bảo các tiêu chí về kỹ thuật cụ thể đảm bảo hiệu quả kinh tế khi sử dụng giá thể.
Tuy nhiên, hiện nay, chưa có nghiên cứu nào đánh giá và so sánh về các tiêu chí
này. Do vậy, việc đánh giá các tiêu chí kỹ thuật để lựa chọn loại giá thể vừa có hiệu
quả xử lý cao, vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong quá trình vận hành là
một trong những điểm mới của luận án.

23
Trong nghiên cứu tại luận án này, tác giả sẽ tiến hành thử nghiệm 5 loại vật
liệu khác nhau gồm đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển,
xơ dừa trên cùng 1 quần thể vi khuẩn được làm giàu và đánh giá, so sánh hiệu quả
của 5 loại vật liệu này trong điều kiện tương đồng.
Đây là 5 loại giá thể đã được thử nghiệm ở một số nghiên cứu đã có [7-1019-21-22-23], trong đó các loại giá thể này được sử dụng trong các hệ thống lọc để
xử lý nước trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản, hoặc trong các hệ thống xử lý
nitơ bằng phương pháp sinh học. Đồng thời, 5 loại giá thể cũng đã được sử dụng
nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải tại Việt Nam trong đó nhiều nhất là trong
các hệ thống xử lý bằng phương pháp vi sinh hiếu khí. Kết quả cho thấy, 5 loại giá
thể này đang được sử dụng phổ biến, và đều mang lại hiệu quả xử lý tích cực. Tuy
nhiên, mức độ phổ biến của từng loại giá thể là khác nhau, trong đó được sử dụng
nhiều nhất là hạt kaldnes, đá sỏi vì đây là các loại vật liệu dễ kiếm và tiện dụng.
Mặc dù vậy, các các công trình trên mới chỉ tập trung vào việc ứng dụng, thử
nghiệm các loại giá thể, chưa có nghiên cứu nào phân tích về các đặc điểm kỹ thuật
của từng loại giá thể. Đồng thời, ở cả quy mô quốc tế và trong nước, chưa có nghiên
cứu nào đánh giá đồng thời 5 loại giá thể này một cách toàn diện trên cùng 1 chủng
loại vi sinh vật nitrate hóa được làm giàu bằng phương pháp làm giàu tự nhiên theo
hướng nghiên cứu của luận án.
Hướng nghiên cứu được triển khai trong luận án này sẽ tập trung vào việc so
sánh, đánh giá để lựa chọn loại vật liệu sử dụng làm chất mang cố định tổ hợp vi
khuẩn nitrate hóa từ 5 loại vật liệu phổ biến hiện nay như đã phân tích ở trên. Vật liệu
nào thích hợp nhất với đặc tính của chủng vi sinh vật, tạo được lớp màng vi sinh vật
nitrate hóa hiệu quả nhất đồng thời vẫn đảm bảo các tiêu chí về kinh tế và kỹ thuật sẽ
được chọn để áp dụng cho RAS.
Để lựa chọn loại vật liệu làm giá thể, yêu cầu quan trọng nhất là vật liệu đó
cần có hoạt lực dính bám cho vi sinh vật, đảm bảo điều kiện tốt nhất để vi sinh vật
có thể sinh trưởng, phát triển tốt nhất trên bề mặt. Ngoài ra, vật liệu làm giá thể cần
phải đáp ứng các nhóm tiêu chí kỹ thuật khác gồm: (1) tiếp diện bề mặt riêng cao;

độ rỗng lớn nhằm tăng diện tích bám dính của vi sinh vật trên vật liệu; (2) đường
kính lối đi tự do lớn để đảm bảo sự lưu thông của dòng nước, giảm sức cản thủy
lực; (3) cấu trúc vật chất trơ, sức bền cơ học cao nhằm tạo độ bền, đảm bảo thời


24
gian vận hành lâu dài; (4) trọng lượng nhẹ, linh hoạt trong tồn bộ hình dạng bể
chứa để có thể dễ dàng đặt trong các bể xử lý; (5) dễ bảo dưỡng, tiêu thu năng
lượng thấp, ít nhạy cảm với ánh sáng và dễ thấm ướt để dễ duy trì trong q trình
vận hành. Việc đáp ứng các tiêu chí này là vô cùng quan trọng để loại vật liệu được
lựa chọn đáp ứng yêu cầu “Tốt, bền, rẻ, tiện lợi” đảm bảo mang lại hiệu qủa ứng
dụng các về mặt kinh tế cũng như khả thi trong quá trình duy tu và vận hành.
1.4. Các giải pháp xử lý chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong nuôi thuỷ sản nước lợ
bằng vi sinh vật
Đã có nhiều giải pháp được phát triển trong những năm gần đây để kiểm soát
nồng độ TAN, N-NO2-, N-NO3- trong đầm nuôi thuỷ sản. Trong Luận án này, tác
giả sẽ tập trung đánh giá 03 nhóm giải pháp cơng nghệ gồm: (1) giải pháp tăng
cường sinh học (Bioaugmentation), (2) giải pháp kích thích sinh học
(Biostimulation) và (3) giải pháp lọc sinh học (biofilters). Đây là những giải pháp
có liên quan trực tiếp đến việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ xử lý nitơ vô
cơ trong nuôi trồng thủy sản do luận án tiến hành.
1.4.1. Giải pháp tăng cường sinh học

1.4.1.1. Thông tin chung
Giải pháp tăng cường sinh học là việc sử dụng các chủng vi khuẩn nitrate
hố và phản nitrate hố có hoạt tính sinh học cao đã được làm giàu (Chế phẩm sinh
học) để bổ sung vào các đầm nuôi nhằm tăng khả năng tự loại bỏ các chất ô nhiễm
TAN, N-NO2- và N-NO3- [21]. Như vậy, bản chất của phương pháp này là dựa vào
hiệu quả xử lý của các chủng vi sinh vật được làm giàu. Việc ứng dụng các chế
phẩm sinh học là giải pháp nền tảng, cốt lõi cho tất cả các công nghệ xử lý ô nhiễm

bằng phương pháp sinh học.
Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy việc sử dụng các chủng vi khuẩn nitrate
hoá, phản nitrate hố trong ni tơm cơng nghiệp có thể xử lý hiệu quả TAN và NNO2-, N-NO3- và các chất hữu cơ, ức chế sự phát triển của các loài Vibrio phát
quang và góp phần làm ổn định sự phát triển của tảo [25].
1.4.1.2 Các phương pháp làm giàu và phân lập vi khuẩn
Các phương pháp làm giàu và phân lập vi khuẩn gồm có: Phương pháp làm
giàu từ các chủng vi khuẩn thuần khiết riêng biệt và phương pháp làm giàu từ các


25
quần hợp vi khuẩn trong tự nhiên. Sự khác nhau giữa 2 phương pháp này được thể
hiện qua các quy trình làm giàu. Cụ thể như sau:
Phương pháp làm giàu từ các chủng vi khuẩn thuần khiết riêng biệt sẽ thực
hiện việc lựa chọn và phân lập các chủng vi sinh vật để có nhóm vi sinh vật thuần
khiết sau đó mới tiến hành ni cấy và phát triển nhóm vi sinh vật thuần thiết này
để đạt được khối lượng theo yêu cầu.
Phương pháp làm giàu từ các chủng vi khuẩn thuần khiết riêng biệt gặp nhiều
khó khăn trong việc phân lập và lưu giữ. Vi khuẩn nitrate hóa sinh trưởng rất chậm,
thời gian thế hệ dao động trong khoảng từ 12 đến 32 giờ do đó rất khó phân lập
được chủng thuần khiết. Đồng thời, đây là nhóm vi khuẩn hóa tự dưỡng nên việc
chuẩn bị mơi trường khơng có chất hữu cơ để ni và phân lập cũng không dễ dàng.
Hơn nữa, vi khuẩn này thường bám vào các tinh thể như CaCO3 trong môi trường
cũng là rào cản để phân lập. Các chế phẩm được tạo ra từ các chủng vi khuẩn thuần
khiết thường có hiệu quả xử lý chất ô nhiễm TAN và N-NO2- thấp khi ứng dụng vào
thực tế.
Rất nhiều nghiên cứu hiện nay đã tập trung chế tạo và sử dụng chế phẩm
nitrate hóa từ các chủng vi khuẩn thuần khiết riêng biệt [19-20-26]. Tuy nhiên tính
ứng dụng chưa cao do hiệu quả thấp cũng như quá trình làm giàu gặp nhiều rủi ro.
Phương pháp làm giàu từ các quần hợp vi khuẩn trong tự nhiên là phương
pháp làm giàu từ các nhóm vi sinh vật trong tự nhiên mà không qua phân lập. Với

phương pháp này, các nhóm vi sinh vật tự nhiên sẽ được nuôi cấy và phát triển với
các điều kiện phù hợp để kích thích sự phát triển vượt trội của các loại vi sinh vật
hữu ích cần ni cấy (vi sinh vật đích). Thơng qua q trình ni cấy, bằng việc
điều chỉnh các điều kiện về môi trường nuôi phù hợp sẽ thu một quần thể vi sinh vật
phát triển từ quần thể vi sinh vật tự nhiên nhưng có khối lượng lớn lượng vi sinh vật
đích. Với phương pháp này quy trình ni cấy sẽ khơng phải thực hiện việc phân
lập và lưu giữ các chủng vi sinh vật.
Phương pháp làm giàu từ các quần hợp vi khuẩn trong tự nhiên sẽ khắc phục
các nhược điểm của các phương pháp làm giàu từ nhóm vi sinh vật phân lập được
chủng thuần khiết như đã trình bày ở trên, hướng nghiên cứu tạo ra các vi sinh vật
được làm giàu tự nhiên từ nhóm vi sinh vật bản địa là hướng nghiên cứu bắt đầu
được chú ý trên thế giới.