Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG
SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ
TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG
SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ
TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ
Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học
Mã số: 60420107
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thế Hải

Hà Nội, 2016

Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và
sâu sắc đến TS. Phạm Thế Hải – Giảng viên Khoa Sinh học, Trường Đại Học Khoa
Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đã định hướng, giúp đỡ và chỉ
bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Đồng thời tôi xin được chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Thị Thu Thủy, Phòng
Vi Sinh Vật môi trường, KTV. Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi Sinh
Vật Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ Phòng Thí Nghiệm Sinh
Học thực nghiệm của Viện Ứng dụng Công nghệ Nacentech đã hướng dẫn và giúp
đỡ tôi nhiệt tình trong quá trình thực hiện đề tài.
Thêm vào đó, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể các Thầy,
Cô trong Khoa Sinh học đã tạo điều kiện học tập và truyền đạt cho tôi những tri
thức khoa học hết sức bổ ích giúp tôi hoàn thiện đề tài cũng như hình thành thế
giới quan khoa học của mình.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân trọng đến gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã sát cánh bên tôi, luôn ủng hộ, tin tưởng và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Nghiên cứu trình bày trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển
khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106-NN.042015.23.
Hà nội, tháng 12 năm 2016

Vũ Thị Thùy Linh


MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt...........................................................................................
Danh mục hình vẽ ....................................................................................................
Danh mục bảng ........................................................................................................
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 3
1.1. Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở
Việt Nam ............................................................................................................ 3
1.1.1. Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay........... 3
1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay...... 5
1.2. Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản .......... 6
1.2.1. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD) ...... 6
1.2.2. Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH4+)............................................. 7
1.3. Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ................... 10
1.3.1. Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) ............................ 10
1.3.2. Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) .............. 11
1.3.3. Sử dụng ô - zôn (O3) ........................................................................... 13
1.3.4. Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi ........................................... 13
1.3.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa ....................................................... 14
1.3.6. Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở
Việt Nam ....................................................................................................... 15
1.4. Các mô hình sinh điện hóa ....................................................................... 15
1.4.1. Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa ........................... 15
1.4.2. Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment
bioelectrochemical system) .......................................................................... 18
1.4.3. Vi sinh vật ở điện cực đáy: Tính đa dạng và sự biến đổi của quần xã .. 19
1.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) trong xử lý ô
nhiễm ao nuôi thủy sản .................................................................................... 23
1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng SBES ................................................ 23
1.5.2. Tiềm năng sử dụng SBES để xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản nước lợ ..... 25
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 26
2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................... 26


2.1.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ........................................... 26

2.1.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu ....................................... 28
2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 28
2.2.1. Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES .............................................. 28
2.2.2. Phương pháp truyền thống để phân lập và nuôi cấy vi khuẩn .......... 34
2.2.3. Phương pháp nhuộm Gram và quan sát kính hiển vi ........................ 35
2.2.4. Phương pháp tách DNA tổng số ........................................................ 35
2.2.5. Phương pháp DGGE .......................................................................... 36
2.2.6. Phương pháp giải và phân tích trình tự gen 16S rARN ..................... 39
2.2.7. Phương pháp đo COD với mẫu nước có hàm lượng clo cao và mẫu bùn 40
2.2.8. Phương pháp đo TN và amoni. .......................................................... 42
2.2.9. Phương pháp tính toán và xử lí số liệu .............................................. 44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 45
3.1. Xây dựng mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ có lồng ghép SBES ............ 45
3.2. Kết quả làm giàu vi khuẩn điện hóa .......................................................... 45
3.2.1. Dòng điện phát sinh trong giai đoạn làm giàu vi khuẩn điện hóa .... 45
3.2.2. Các kết quả phân tích quần xã VSV ở điện cực đáy - anode ............ 47
3.3. Sơ bộ các kết quả đánh giá hoạt động xử lí ô nhiễm hữu cơ của hệ SBES.......... 58
3.3.1. Kết quả xử lí COD ................................................................................. 58
3.3.2. Kết quả xử lí ammonium (NH4+) ........................................................ 60
3.3.3. Kết quả xử lí N tổng (TN) ................................................................... 61
3.3.4. Tóm lược các kết quả xử lí ô nhiễm của hệ........................................ 62
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 64
KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 66
PHỤ LỤC ................................................................................................................


Danh mục các từ viết tắt
Từ

Tên Tiếng Anh

Tên Tiếng Việt

BESs

Microbial bioelectrochemical

Hệ thống sinh điện hóa

systems
BOD

Biochemical Oxygen demand.

Nhu cầu oxy sinh hóa

BTN

-

Bể thí nghiệm – Mô hình SBES

BĐC

-

Bể đối chứng – Mô hình đối chứng

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học

DGGE

Denaturing gradient gel

Điện di gradient gel biến tính

electrophoresis
EBA

Electrochemically active

Vi khuẩn có hoạt tính điện hóa

bacteria
INO

Inoculum

Quần xã bùn tự nhiên

MEC

Microbial electrolysis cells

Tế bào điện phân vi sinh

MFC

Microbial fuel cell

Pin nhiên liệu vi sinh vật

PCR

Polymerase Chain Reaction

Phản ứng chuỗi trùng hợp

SBES

Sediment bioelectrochemical

Hệ thống sinh điện hóa với điện

system

cực ở đáy.


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL ................................. 4
Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá . ................................................................... 7
Hình1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) ............................ 11
Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm ............................................ 12
Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm ........................................... 14

Hình 1.6: Ví dụ minh họa về BESs (i) MFCs tạo ra điện năng và (ii)MECs tiêu
thụ điện năng tạo ra Hiđro. ................................................................................... 16
Hình1.7: Nguyên lý hoạt động của một MFC .................................................... 17
Hình1.8: Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) ................. 18
Hình1.9: Mô hình vận hành của một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở
đáy ....................................................................................................................... 19
Hình 1.10: Tổng quan các ứng dụng của SMFC ................................................. 24
Hình 2.1:Các vật liệu cấu tạo điện cực. ............................................................... 26
Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý nước và
đáy ao nuôi nước lợ. ............................................................................................. 29
Hình 2.3 : Mô hình thiết kế bể thí nghiệm với điện cực ở đáy ............................ 31
Hình 2.4: Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm ......................................... 33
Hình 3.1: Mô hình các bể kính làm thí nghiệm ................................................... 45
Hình 3.2: Dòng điện của SBES sau 30 ngày làm giàu ......................................... 46
Hình 3.3: Dòng điện của các quần xã bùn TN và ĐC trong SBES ống nghiệm ..... 47
Hình 3.4: Ảnh các khuẩn lạc thu được trên LB 1,5% NaCl ở nồng độ pha loãng 10-3.... 48
Hình 3.5: Các chủng phân lập từ 3 quần xã vi khuẩn .......................................... 50
Hình 3.6: Khuẩn lạc và hình thái tế bào của các chủng cần quan tâm................. 51


Hình 3.7: Tương quan giữa các quần xã nghiên cứu ........................................... 52
Hình 3.8: Kết quả khuếch đại trình tự gen16S rRNA của các đơn chủng
với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số ................ 53
Hình 3.9: Kết quả khuếch đại trình tự gen 16S rRNA của các mẫu với cặp mồi
P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số. ............................................... 56
Hình 3.10: Kết quả PCR khuếch đại trình tự gen16S rRNA dùng cho phân tích
DGGE bằng cặp mồi (P338F & P518R). ............................................................. 56
Hình 3.11: Kết quả điện di DGGE quần xã anode của SBES và các đơn chủng
chiếm ưu thế ......................................................................................................... 57
Hình 3.12: Kết quả so sánh tốc độ phân giải COD của hệ SBES khi vận hành ở

các chế độ cho ăn khác nhau ................................................................................ 58
Hình 3.13: Kết quả NH4+ của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau...... 60
Hình 3.14: Kết quả NH4+ của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau ........ 60
Hình 3.15: Kết quả TN của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau ......... 61
Hình 3.16: Kết quả TN của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau ........... 62


Danh mục bảng
Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010 ................... 3
Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao nuôi
tôm ......................................................................................................................... 8
Bảng 1.3: Các vi khuẩn được sử dụng trong MFC .............................................. 20
Bảng 2.1: Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm tương đương ao nuôi
thực tế .................................................................................................................. 32
Bảng 2.2: Môi trường LB 1.5% NaCl .................................................................. 35
Bảng 2.3: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn
1400 bp gen 16S rRNA ....................................................................................... 37
Bảng 2.4: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn
200bp gen 16S rRNA .......................................................................................... 38
Bảng 2.5: Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60% ............................... 39
Bảng 2.6: Thành phần “Working solutions” ........................................................ 39
Bảng 3.1: Số lượng các vi khuẩn thu được sau phân lập bằng LB agar 1.5%NaCl
.............................................................................................................................. 48
Bảng 3.2: Kết quả phân tích các trình tự gen 16S rRNA của các đơn chủng quan
tâm ....................................................................................................................... .54



MỞ ĐẦU
Hiện nay, nuôi trồng thủy sản nước lợ là một lĩnh vực quan trọng đem lại

nhiều lợi ích cho con người: cung cấp thực phẩm, đem lại lợi nhuận không nhỏ
cho nền kinh tế quốc dân, góp phần tăng tích lũy vốn, xuất khẩu thu về ngoại tệ
cho nhà nước, cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp và ngành y, dược,
tạo điều kiện việc làm cho hàng triệu lao động [11].
Vì vậy, vấn đề nâng cao sản lượng và chất lượng trong nuôi trồng thủy sản
nước lợ đang được rất nhiều nhà khoa học và người nuôi trồng thủy sản quan tâm.
Một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề này là cải thiện tình trạng ô nhiễm
môi trường nuôi thủy sản. Tình trạng ô nhiễm môi trường đang xảy ra nghiêm
trọng trong quá trình nuôi trồng do phần lớn các chất hữu cơ dư thừa thức ăn, phân
và các rác thải khác đọng lại dưới đáy ao nuôi. Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh
được sử dụng trong quá trình nuôi trồng cũng dư đọng lại mà không được xử lí.
Việc hình thành lớp bùn đáy tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi
sinh sống của các vi sinh vật gây mùi khó chịu, các vi sinh vật gây bệnh như: các
vi khuẩn Vibrio, Aeromonas, E.coli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus …
cùng nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [1].
Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng ô nhiễm môi
trường nuôi, xử lí các nguồn bệnh trong môi trường: chọn và kiểm soát giống nuôi
tốt, giống sạch bệnh, quản lí thức ăn tốt, thường xuyên thay nước và sục khí, xử lý
nước bằng các hệ thống riêng biệt, sử dụng hóa chất kết hợp với chế phẩm sinh
học …[106]. Tuy nhiên, các phương pháp trên ít nhiều còn có những hạn chế nhất
định nên chưa cho phép đưa ra những giải pháp toàn diện, hiệu quả, bền vững để
giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản.
Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems) để xử lí ô
nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận hoàn toàn mới.
Nguyên lí hoạt động của một mô hình sinh điện hóa là tạo ra dòng điện từ sự chênh
lệch điện thế giữa bề mặt nước có nhiều ôxi hòa tan và phần bùn đáy thiếu oxi,
nhằm xử lí tại chỗ COD (nhu cầu oxi hóa học) của ao nuôi thủy sản nước lợ. Theo

1

đó, anode của hệ thống sẽ được tích hợp vào bùn đáy ao nuôi và cathode sẽ được
đặt trên bề mặt nước. Tại anode, các vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong
bùn đáy và nước, tạo ra electron và proton. Electron sẽ được chuyển từ anode sang
cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode và
kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước [87]. Nhờ tác dụng kích thích rất lớn
của sự chênh lệch thế ôxi hóa khử giữa anode và cathode, sự phân giải chất hữu cơ
tại anode ở đáy sẽ diễn ra nhanh và mạnh hơn nhiều so với sự phân giải kị khí
thông thường. Do đó, việc ứng dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy hứa
hẹn là một cách tiếp cận hiệu quả để xử lý tại chỗ ô nhiễm ao nuôi thủy sản. Đã có
những công trình nghiên cứu khẳng định hiệu quả của cách tiếp cận này trên hệ
thống ao nuôi thủy sản nước ngọt, nhưng hiện chưa có nghiên cứu tương tự nào
với các hệ thống ao nuôi thủy sản nước lợ.
Chính vì những lí do trên mà chúng tôi lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu phát
triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi
thủy sản nước lợ”.

2


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản
nước lợ ở Việt Nam
1.1.1. Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ
Ở Việt Nam hiện nay, nuôi trồng thủy sản là ngành có tiềm năng rất lớn. Theo
Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so
sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm ngoái.
Trong đó, giá trị nuôi trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng và giá trị khai
thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng [8].
Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010[8]

Năm 2013

Năm 2014

So sánh

(tỷ VNĐ )

(tỷ VNĐ)

2014/2013

Giá trị sản xuất thủy sản

176.548,0

188.083,9

106,5

Nuôi trồng thủy sản

106.570,1

115.060,6

108,0

Khai thác thủy sản

69.977,9

73.023,3

104,4

Chỉ tiêu

Qua các giá trị thống kê (Bảng 1.1) có thể thấy sản lượng của ngành nuôi
trồng thủy sản và nhất là nuôi trồng thủy sản nước lợ (Hình 1.1) thường lớn hơn
nhiều so với ngành khai thác thủy sản. Chính vì vậy việc tập trung phát triển
ngành này là rất có ý nghĩa với nền kinh tế Việt Nam. Thêm vào đó, việc Chính
phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã ban hành những văn bản định hướng đẩy
mạnh phát triển thủy sản như Đề án tái cơ cấu ngành thủy sản theo hướng nâng
cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững, Nghị định 67/2014/NĐ-CP về một số
chính sách phát triển thủy sản, Nghị định 36/2014/NĐ-CP về nuôi, chế biến và
xuất khẩu sản phẩm cá tra…cũng là một động lực để những người nuôi trồng
thủy sản đẩy mạnh sản xuất [8].

3


Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL (1995-2011) [12]
Mặc dù tiềm năng của ngành nuôi trồng thủy sản là rất lớn, như đã trình bày
ở trên, hiện nay ngành nuôi trồng thủy sản vẫn gặp phải một số những khó khăn
nhất định. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hằng năm, diện tích tôm
nuôi bị thiệt hại là rất lớn, lên đến hàng nghìn ha. Cụ thể, tổng diện tích nuôi tôm
bị thiệt hại năm 2014 là 59.585 ha (trong đó thiệt hại do dịch bệnh là 31.514 ha);
năm 2015 là 53.928 (dịch bệnh là 16.278 ha); trong 8 tháng đầu năm 2016 là 53.523
ha (dịch bệnh là 7.438 ha). Như vậy, mặc dù tổng diện tích do dịch bệnh gây ra có

giảm nhiều, nhưng tổng diện tích bị thiệt hại (chủ yếu do môi trường và thời tiết)
tăng cao qua các năm [2].
Sự suy giảm của ngành nuôi tôm xuất phát từ nhiều nguyên nhân: sự xuất
hiện và gia tăng một số bệnh, dịch lây lan trong môi trường, môi trường bị xuống
cấp, suy thoái, chất lượng nguồn nước kém, do quản lí lỏng lẻo của các cơ quan
chức năng … Theo khảo sát của trung tâm nghiên cứu nông nghiệp Australia
(ACIAR) tại tỉnh Cà Mau thuộc đồng bằng sông Cửu Long, bệnh tôm là nguyên
nhân chủ yếu gây thiệt hại cho các hộ nuôi tôm ở vùng [74]. Và vấn đề về bệnh
tôm lại chủ yếu xuất phát từ sự ô nhiễm môi trường trong các ao nuôi [72].

4


1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay
Trong quá trình nuôi trồng thủy sản, môi trường nước và bùn đáy là những
yếu tố không thể bỏ qua. Thông thường các yếu tố môi trường nước có ảnh hưởng
đến nuôi trồng thủy sản là: các yếu tố thủy lý hóa như nhiệt độ nước, độ sâu, độ
trong, độ mặn, độ kiềm, pH, DO, CO2, NH3, NO2 và H2S … Sự thay đổi bất thường
của các yếu tố này vì bất kì một nguyên nhân nào đều gây hại đến thủy sản hoặc
tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển, ngoài ra một số trường hợp ngộ độc do kim
loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm trong nuôi
trồng thủy sản. Mặt khác, các yếu tố thủy sinh như sinh vật phù du cũng là nguyên
nhân làm biến đổi mầu nước, hàm lượng DO, độ pH của nước … Môi trường bùn
đáy như: pH, thế oxi hóa – khử, thành phần cơ giới đất, cacbon hữu cơ, nitơ,
photpho, các kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng cũng là các yếu tố
ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản [1, 20, 86].
Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, quá trình ô nhiễm môi trường nuôi
trồng thủy sản xảy ra chủ yếu do một lượng lớn các chất dinh dưỡng trong thức ăn
tôm, cá không được hấp thụ vào cơ thể chúng để tạo sinh khối mà bị thải ra ngoài
môi trường xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải. Các kết quả

nghiên cứu cho thấy 48,0 – 87,3 % Ni-tơ (N) và 75,0 – 94,0 % Phốt pho (P) đầu
vào trong các ao nuôi tôm không được hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối tôm
mà bị thải ra ngoài môi trường thông qua thay nước, xả thải khi thu hoạch, lắng
đọng trong bùn đáy ao nuôi ….[20, 86, 99]. Sự lắng đọng của các chất trong ao
nuôi dẫn đến sự gia tăng hàm lượng Ni-tơ và hàm lượng chất hữu cơ (được đánh
giá bằng các chỉ số BOD, COD, N tổng số và NH4+ ) ở lớp bùn đáy, khiến cho vi
sinh vật có thể phát triển mạnh trong môi trường nuôi và trở thành nguồn gây bệnh
cũng như gây độc cho thủy sản [88].
Ngoài ra, các chất dinh dưỡng dư thừa này làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự
nhiên của thủy vực như: gây ra hiện tượng phát triển quá mức của thực vật phù du
hay còn gọi là hiện tượng tảo “nở hoa” và làm thay đổi các mắt xích trong chuỗi

5


thức ăn của thủy vực; hoặc tích tụ ở nền đáy, phân hủy làm tiêu tốn nguồn ôxy
trong thủy vực, khiến cho quá trình phân giải yếm khí diễn ra mạnh tạo ra các
khí độc làm ảnh hưởng đến khu hệ động vật đáy trong thủy vực [93].
Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp để hạn chế được vấn đề ô nhiễm (đặc biệt
là ô nhiễm bùn đáy) trong ao nuôi thủy sản sẽ góp phần rất quan trọng trong việc
nâng cao sản lượng và chất lượng thủy sản.
1.2. Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản
Chính vì những ảnh hưởng tiêu cực của ô nhiễm môi trường ao nuôi đến chất
lượng và sản lượng thủy sản nên việc xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản có ý
nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng của thủy sản. Để
đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực người ta thường quan tâm đến các chỉ số
quan trắc: oxi sinh hóa BOD5, oxi hóa học (COD), tổng lượng chất rắn lơ lửng
(TSS), nitơ tổng (TN), tổng ammonia (TAN), H2S, NH3, phospho tổng … Trong
đó, các chỉ số quan trọng nhất chỉ thị mức độ ô nhiễm hữu cơ và nguy cơ với động
vật thủy sản là COD, BOD, nitơ tổng (TN), và nitơ-NH4+.

1.2.1. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD)
Tỉ lệ oxy tiêu thụ bởi phiêu sinh vật và vi khuẩn trong mẫu nước ao được đo
để xác định nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD). Ao nuôi thủy sản điển hình có giá
trị BOD từ 5 -20 mg/l, BOD càng cao khi mức độ giàu vật chất hữu cơ càng lớn.
Mặc dù BOD thường được đo trong nước ao nhưng khoảng thích hợp thì không
xác định rõ. Oxy giảm đến mức nguy hiểm trong ao không sục khí khi BOD
quá 20 mg/l [18].
Nhu cầu oxy hóa học (COD) được hiểu là lượng oxy cần thiết để oxy hóa
hoàn toàn các chất hóa học trong nước. Theo Boyd, giá trị COD trong ao nuôi có
thể biến động từ 10 – 200 mg/l, thông thường là từ 40-80 mg/l [27, 28].
BOD và COD được dùng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực.
Chính vì vậy khảo sát thông số BOD và COD sẽ giúp chúng tôi đánh giá được hiệu
quả hoạt động của điện cực trong mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy.

6


1.2.2. Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH4+)
Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp
chất vô cơ, hữu cơ, hòa tan hay không hòa tan. Các hợp chất vô cơ hòa tan quan
trọng của nitơ là NO2-, NO3-, NH4+, NH3 [27].
Dạng N2 có được chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào hay do quá trình
phản nitrat hóa trong thủy vực gây ra. Các dạng hợp chất nitơ hòa tan có được là
do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine, dưới
tác động của vi sinh vật, albumine sẽ được chuyển hóa thành dạng ammonia (NH3)
và ammonia sẽ hòa vào nước và hình thành nên ammonium (NH4+) (Hình 1.2).
NH3 và muối của nó sẽ được chuyển hóa thành nitrite (NO2-) và nitrate
(NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Thực vật thủy sinh và
vi sinh vật có thể hấp thu cả 4 dạng hợp chất nitơ nói trên nhưng hấp thu NO3và NH4+ là tốt nhất. Tuy nhiên một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng đồng
hóa nitơ phân tử [3].

Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá [27].
 Ammonia (NH3) và ammonium (NH4+)
Tổng hàm lượng ammonia (NH3) và ammonium (NH4+) được gọi là tổng đạm
amôn (TAN). Ammonia trong các thủy vực được hình thành từ việc phân hủy bình
thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật
hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ, trong đó nguồn NH3 chủ yếu từ sự bài tiết trực tiếp
của động vật thủy sinh [24].

7


NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ sống và sinh trưởng với
thủy sinh vật. Theo Boyd (1900), tác dụng độc của NH3 với thủy sinh vật là do
hàm lượng chất này cao làm thủy sinh vật khó bài tiết NH3 từ máu ra môi trường
ngoài. NH3 trong máu và các mô tăng làm pH máu tăng dẫn đến rối loạn những
phản ứng xúc tác bởi enzym và độ bền của màng tế bào, làm thay đổi áp suất thẩm
thấu của tế bào, sinh vật chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối với
môi trường ngoài. NH3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxi của mô, giảm vận chuyển
oxy của máu [18]. Quá trình hình thành NH3 nhiều hay ít còn phụ thuộc vào pH và
nhiệt độ của môi trường ao nuôi. Vì vậy quản lý pH ao nuôi tốt là gián tiếp hạn
chế được lượng NH3 gây độc cho tôm [27].
Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao
nuôi tôm
Chỉ số

Đơn vị

Hàm lượng

Tài liệu tham khảo

cho phép
COD

mg/l

≤ 150

(QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT)

NH3

mg/l

≤ 0,3

[19, 98]

NH4+

mg/l

0,2 – 2,0

[20, 22]

NO2-

mg/l

1,0

[20]

NO3-

mg/l

0,2 – 0,3

[20]

Theo Boyd (1998) nước dùng cho nuôi trồng thủy sản thì hàm lượng TAN
tốt nhất là không được vượt quá 2 mg/L, và hàm lượng NH3 thích hợp phải thấp
hơn 0,02 mg/L. Đối với ao nuôi tôm, Boyd (1998) cũng cho rằng hàm lượng NH3
nên được ổn định ở mức từ 0,1 – 0,3 mg/L là tốt nhất (Bảng 1.2).
Ammonium (NH4+) không độc và là nguồn thức ăn quan trọng cho các thủy
sinh vật. Tuy nhiên, nếu hàm lượng NH4+ lớn hơn 2,0 mg/L ao sẽ giàu dinh dưỡng

8


và tảo trong ao sẽ phát triển rất mạnh, không có lợi cho thủy sinh vật (do thiếu oxy,
pH dao động …).
Theo Boyd (1998) và Chanratchakool (2003) thì hàm lượng NH4+ thích hợp
hợp cho ao nuôi tôm dao động trong khoảng 0,2 – 2,0 mg/L[20, 22] . Môi trường
nước không ô nhiễm thường có hàm lượng NH4+ nhỏ hơn 0,1 mg/L và trong nước
mặt tự nhiên NH4+ thường hiện diện ở mức <0,2 mg/L [23].
 Nitrit (NO2-)

Nitrite trong nước có thể do các nguồn ô nhiễm xâm nhập vào hoặc là hợp
chất trung gian của quá trình phân hủy sinh ra từ ammoniac thành nitrat. Nó cũng
là tác nhân gây độc đối với động vật thủy sinh. Trong thuỷ vực tự nhiên tính độc
của nitrite trong ao sẽ giảm xuống nếu có mặt ion Ca2+ và Cl- [27].
Hàm lượng NO2- được hình thành chủ yếu bởi quá trình nitrite hoá từ TAN.
Do đó khi hàm lượng NH4+ trong ao thấp thì hàm lượng NO2- sẽ thấp. Theo
Timmons et al. (2002) và Boyd et al. (2000) đã chỉ ra rằng hàm lượng NO2- trong
ao nuôi thuỷ sản phải nhỏ hơn 1,0 mg/L (Bảng 1.2).
 Nitrat (NO3 -)
Nitrat trong thủy vực là sản phẩm của quả trình nitrat hóa nhờ hoạt động của
vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina, Nitrosococus
(nước lợ,mặn):
NO2- + ½ O2  NO3- + 24 kcal
Nitrat còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp, phản ứng tạo thành
nitrat như sau:
N2 + 2O2  2NO2
2 NO2 + H2O  HNO2 + HNO2
Theo Boyd (1998), nitrate không độc nhưng với hàm lượng quá cao cũng
không có lợi cho tôm cá, khi hàm lượng nitrate trong nước cao sẽ làm tảo phát

9


triển quá mức. Theo nhận định của ông thì hàm lượng NO3- thích hợp trong ao nuôi
thuỷ sản từ 0,2 - 3,0 mg/L (Bảng 1.2).
Như vậy, trong ao nuôi một lượng lớn nitơ đi vào ao qua thức ăn và một
lượng lớn ammonia đi vào nước từ sinh vật nuôi và từ quá trình phân hủy thức ăn
thừa và phân (động vật) [27]. Vì vậy mối quan tâm lớn trong các ao nuôi chính là
hàm lượng ammonia dư thừa. Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo loại bỏ nitơ hiệu
quả trong SMFC khi xử lý nước thải [44, 87, 88, 94]. Vì những lí do trên, TN và

Ammonium là hai chỉ số quan trọng để đánh giá chính xác chất lượng nước và bùn
đáy trong các mô hình thí nghiệm.
1.3. Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ
Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp xử lí ô
nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản tuy nhiên đối với các ao nuôi thủy sản nước lợ
thì các công trình nghiên cứu còn hạn chế [33]. Các giải pháp hóa lí, cơ học và
sinh học được sử dụng trong xử lí nước thải thông thường cũng được áp dụng trong
các hệ thống nuôi trồng thủy sản [13]. Về cơ bản, các giải pháp có thể được chia
thành hai nhóm: (i) xử lý nước ao nuôi ở một hệ thống riêng biệt (ví dụ bể kị khí
kiểu đệm bùn dòng chảy ngược, bể xử lý nước thải thông thường với chi phí cao
hoặc đầm lầy kiến tạo …); (ii) xử lý tại chỗ nước ao nuôi (ví dụ sử dụng ô-zôn
hoặc sục khí nhân tạo …).
1.3.1. Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB)
Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) là một trong những công
nghệ xử lý nước thải phổ biến nhất theo kiểu kị khí (Hình 1.3). Theo công nghệ
này, nước thải được đưa từ ao nuôi sang bể xử lý. Khi đi vào bể xử lý, nước thải
được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân
hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kị khí. Hệ thống tách pha phía trên bể làm
nhiệm vụ tách các pha rắn - lỏng - khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn
sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ được đưa ra ngoài. Một trong những lợi
thế của công nghệ này đó là đơn giản và chi phí vận hành thấp [5].

10


Hình 1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) [105]
Nghiên cứu của Mirzoyan và các cộng sự năm 2010 về việc xử lý nước thải
nuôi trồng thủy sản nước lợ với bể UASB cho kết quả khả quan, cụ thể là hiệu quả
loại bỏ các chất dễ bay hơi là hơn 92%, đối với COD là 99% và TSS là 81% [61].
Dù vậy, công nghệ này cũng còn nhiều hạn chế như khó khăn để duy trì các điều

kiện thủy lực thích hợp (dòng chảy ngược và tỉ lệ lắp ráp phải cân bằng), thời gian
khởi động dài, khả năng xử lí có thế không ổn định với sự biến đổi thủy lực và tải
trọng hữu cơ, cần duy trì nguồn điện liên tục, các vật liệu cấu tạo thường không
sẵn có và đặc biệt là luôn cần có chuyên gia giám sát thiết kế và thi công [97].
Với những hạn chế như vậy, công nghệ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy
ngược (UASB) sẽ rất khó để áp dụng với các hộ nuôi trồng thủy sản qui mô vừa
và nhỏ phổ biến ở Việt Nam.
1.3.2. Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands)
Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) do Lin và cộng sự
đề xuất tỏ ra là một hệ thống đơn giản hơn với chi phí khá hợp lý [46].
Vùng đất ngập nước là hệ thống xử lý tự nhiên dựa trên sự cộng sinh giữa vi
sinh vật và thực vật, xử lý nước thải qua các quá trình phân hủy hiếu khí, kỵ khí

11


của vi sinh vật, quang hợp của thực vật dưới nước. Phương pháp sử dụng hệ thống
này có nhiều cải tiến trong khoảng 20 năm gần đây và thu được nhiều kết quả tốt.
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại chảy
tự do trên mặt đất (free surface slow) và loại chạy ngầm trong đất (subsurface
slow). Loại chảy tự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn
loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có
thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển [6]. Loại chảy ngầm
phân ra làm hai loại: chảy ngang (Hình 1.4 A) và chảy đứng (Hình 1.4 B)
A

B

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm
Ghi chú: A. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang

(theo Vymaza 1997); B. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều
đứng (theo Cooper, 1996).

12


Về cơ bản hệ thống này cũng sẽ không phù hợp với các hộ nuôi trồng vừa và
nhỏ do không kinh tế vì luôn cần chi phí cho năng lượng để bơm nước từ ao vào
hệ thống và chi phí vận hành hệ thống [88].
1.3.3. Sử dụng ô - zôn (O3)
Phương pháp sử dụng khí ô-zôn để lọc nước và nước thải đã được áp dụng
từ cách đây hơn 100 năm (lần đầu tiên là vào năm 1893 ở Oudshoorn, Hà Lan).
Trong nuôi trồng thủy sản, ô-zôn là chất oxy hóa cực mạnh, được đưa trực tiếp vào
ao nuôi để làm sạch nước, oxy hóa nitrit và các hợp chất hữu cơ hòa tan khó phân
hủy, cũng như loại bỏ các chất rắn. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu không đánh
giá cao việc áp dụng ô-zôn để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ, mặn, vì khi
ở trong môi trường này, ô-zôn sẽ sinh ra các hợp chất độc hại, gây rủi ro đối với các
giống nuôi [5].
1.3.4. Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi
Từ những năm 1980, các hệ thống sục khí nhân tạo đã được đề xuất để tăng
hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và nitơ trong các ao nuôi thủy sản thâm
canh [20]. Thông thường, ôxy nhanh chóng bị cạn kiệt gần đáy ao (nơi các vi khuẩn
đang sử dụng ôxy để phân hủy các chất hữu cơ). Do đó, hệ thống sục khí không
chỉ đơn giản là bổ sung Oxi hòa tan cho mọi hoạt động của tôm trong ao, mọi hoạt
động của các sinh vật khác trong thủy vực (vi khuẩn, tảo, …) mà còn xáo trộn các
tầng nước, đồng nhất chất lượng nước nhằm ổn định sức khỏe và nâng cao năng
suất – hiệu quả nuôi trồng thủy sản.
Các hệ thống sục khí này so với các hệ thống UASB, đất ngập nước và xử lí
ozon có ưu điểm là: không chỉ xử lí tại chỗ nước ao nuôi mà còn xử lí được cả
phần bùn đáy ao, làm thúc đẩy quá trình phân giải các chất hữu cơ tồn đọng bên

dưới đáy ao. Theo các kết quả nghiên cứu, việc sục khí có thể làm tăng sản lượng
thủy sản, tuy nhiên lại đòi hỏi sự tiêu tốn thêm năng lượng (để quay các cánh sục,
hình 1.5), vốn đầu tư và chi phí bảo trì [13].

13


Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm (Nguồn: Internet)
A: quạt nước, B: máy thổi khí, C: đĩa phân phối khí, D: Máy sục khí, E: đĩa
quay sinh học, F: màng lọc sinh học
1.3.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa
Hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs) là những hệ
thống có đặc tính độc đáo là chuyển đổi hóa năng của các hợp chất hữu cơ trong
nước thải hoặc trầm tích thành điện năng hay sản xuất các sản phấm sinh học hoặc
sản phẩm khác ( khí hyđro …) nhờ hoạt động của vi sinh vật ở anode của hệ [92].
Gần đây, với việc các hệ thống sinh điện hóa được tập trung nghiên cứu sâu, một
công nghệ mới tiềm năng để cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi thủy sản đã được
đề xuất dựa trên sự sử dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment
bioelectrochemical system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system).
Sajana và cs. (2013) đã xây dựng một hệ thống SBES thử nghiệm trong phòng
thí nghiệm và khảo sát kỹ lưỡng hiệu quả xử lý ô nhiễm nước ao nuôi thủy sản
nước ngọt của hệ thống [88]. Công nghệ này cho phép cải tạo tại chỗ chất lượng
nước ao nuôi và việc vận hành hệ thống cũng hết sức đơn giản với chi phí thấp.
Rất nhiều cơ sở nuôi trồng thủy sản trên thế giới và đặc biệt ở Việt Nam lại đang
vận hành các ao nuôi nước lợ. Điều kiện môi trường có độ mặn cao sẽ rất khác và
đỏi hỏi việc làm giàu thành công ở điện cực đáy ao các vi khuẩn điện hóa (tác nhân

14

xúc tác chính trong các hệ thống sinh điện hóa) hoạt động được ở nồng độ muối
cao. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào ứng dụng công nghệ sinh điện hóa để cải
tạo nước ao nuôi thủy sản nước lợ được công bố.
1.3.6. Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy
sản ở Việt Nam
Ở nước ta, các nghiên cứu nhằm xử lý nước và đáy ao nuôi thủy sản còn chưa
nhiều. Đã có những nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Đại học Bách khoa TP
Hồ Chí Minh về việc ứng dụng công nghệ “đất ngập nước kiến tạo” (như trình bày
ở trên) để xử lý nước ao nuôi có mức độ ô nhiễm cao và dư lượng kháng sinh lớn
[5]. Công nghệ này cũng được triển khai thực nghiệm và thực địa khá thành công
ở Cần Thơ [10]. Một số nghiên cứu khác đã thử nghiệm việc áp dụng các công
nghệ khác như bể lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập nước [6] v.v… Như vậy,
nhìn chung, số lượng nghiên cứu về chủ đề này còn khá ít. Xét về vấn đề xử lý đáy
ao, hiện nay trên thị trường có hàng trăm chế phẩm vi sinh vật khác nhau với nguồn
gốc, chất lượng không rõ ràng.
Với tình hình nghiên cứu trong nước như trên, có thể thấy cũng chưa có
nghiên cứu nào theo hướng ứng dụng một công nghệ mới như công nghệ sinh điện
hóa trong xử lý nước và bùn đáy ao nuôi thủy sản nước lợ.
1.4. Các mô hình sinh điện hóa
1.4.1. Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa
Các mô hình sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs ) sử dụng vi
sinh vật để điều khiển các phản ứng oxi hóa – khử ở các điện cực. Trong một BES,
vi sinh vật hoạt động như một chất xúc tác cho các phản ứng oxi hóa – khử ở các
điện cực rắn, chúng chuyển đổi hóa năng trong các hợp chất hữu cơ có trong nước
thải thành điện năng. Ngoài ứng dụng dùng để sản xuất điện, thì BES còn được sử
dụng cho quá trình khử nitơ, tạo các sản phẩm từ năng lượng điện hoặc sử dụng
làm cảm biến sinh học [65].

15