LUAN VAN TOT NGHIEP HOAN CHINH BUI DUY NHAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÙI DUY NHÂN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ ĐẠM, LÂN TRONG
NƯỚC AO NUÔI CÁ TRA CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
NGÀNH SINH THÁI HỌC

2013


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÙI DUY NHÂN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ ĐẠM, LÂN TRONG
NƯỚC AO NUÔI CÁ TRA CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
NGÀNH SINH THÁI HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS.TS CAO NGỌC ĐIỆP

2013

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
Năm học 2011-2013

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ ĐẠM, LÂN TRONG
NƯỚC AO NUÔI CÁ TRA CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Bùi Duy Nhân, tác giả của luận văn, xin cam đoan Luận văn
đã được chỉnh sửa hoàn chỉnh theo những ý kiến và góp ý của các phản biện
và các thành viên Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc Sĩ.
Cần Thơ, ngày 06 tháng 08 năm 2013

Bùi Duy Nhân
Luận văn Thạc sĩ ngành SINH THÁI HỌC
Chuyên ngành SINH THÁI HỌC
Mã ngành: 60420120
Đã bảo vệ và được duyệt
1. TRƯỞNG KHOA:………………………………....
2. HIỆU TRƯỞNG:…………………………………..

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG CHUYÊN NGÀNH

PGs. Ts. Cao Ngọc Điệp

Ts. Đái Thị Xuân Trang

i


LỜI CẢM TẠ
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
 PGS.TS. Cao Ngọc Điệp đã tận tâm hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhất
để tôi có thể hoàn thành luận văn.
 Ban Chủ nhiệm Khoa Khoa Học Tự Nhiên, Ban Chủ nhiệm Viện
Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học đã nhiệt tình hỗ trợ để tôi
hoàn thành luận văn này.
 Quý Thầy, Cô và Cán bộ công tác tại khoa Khoa Khoa Học Tự Nhiên,
Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học đã truyền đạt kiến
thức và kinh nghiệm để tôi hoàn thành khóa học cũng như thực hiện
luận văn.
 Các anh, chị Nghiên cứu sinh, học viên Cao học và các em sinh viên đã
tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
 Gia đình nông hộ nuôi cá tra tại Thành phố Cần Thơ và tỉnh Vĩnh Long
đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
 Các anh, chị cán bộ Trung tâm Kỹ thuật và Ứng dụng Công nghệ
Thành phố Cần Thơ đã hỗ trợ tích cực trong việc phân tích các kết quả
thí nghiệm.
 Gia đình, người thân và bạn bè đã làm điểm tựa, cho tôi niềm tin để
hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn.
Cần Thơ, ngày 11 tháng 06 năm 2013.

Bùi Duy Nhân

ii


TÓM LƯỢC
Đề tài: Ứng dụng Công nghệ Sinh học xử lý đạm, lân trong nước ao nuôi cá
tra công nghiệp.
Nguồn nước giàu ammonium và orthophosphate từ ao nuôi cá tra công
nghiệp khi thải ra sông rạch có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao. Đề tài
được thực hiện trong 6 tháng nhằm nghiên cứu khả năng loại bỏ ammonium
và orthophosphate trong nguồn nước này bằng việc kết hợp giữa vi khuẩn
chuyển hóa nitơ, vi khuẩn tích lũy polyphosphate và thực vật thủy sinh trong
quy trình xử lý. Nghiên cứu gồm có 4 thí nghiệm với vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Bacillus sp. dòng AGT.077.O3 và vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus
subtilis dòng DTT.001L được khảo sát trong môi trường nước ao cá tra sục
khí liên tục và thay 50% nước sau mỗi 24 giờ xử lý. Nghiệm thức đối chứng
được bố trí cùng các nghiệm thức: 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao); 5% vi
khuẩn kết hợp với giá thể; 5% vi khuẩn, bổ sung glucose (1 g/L nước ao); 5%
vi khuẩn kết hợp với giá thể, bổ sung glucose (1 g/L nước ao) trong thí nghiệm
1 với quy mô 8 lít nước ao/đơn vị thí nghiệm. Thí nghiệm 2 gồm 3 nghiệm
thức: đối chứng; 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao); 5% vi khuẩn kết hợp với
giá thể, bổ sung glucose (1 g/L nước ao), được bố trí với quy mô 80 lít nước
ao/đơn vị thí nghiệm. Thí nghiệm 3 gồm nghiệm thức đối chứng và nghiệm
thức 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao) kết hợp giá thể, bổ sung glucose (1 g/L
nước ao) tiến hành trên quy mô 800 lít nước ao/đơn vị thí nghiệm. Kết quả 3
thí nghiệm cho thấy nghiệm thức kết hợp giữa 5% vi khuẩn, giá thể và bổ sung
glucose (1 g/L) làm giảm lượng ammonium và orthophosphate trong nước ao
nuôi cá tra tốt nhất. Thí nghiệm 4 tiến hành xây dựng quy trình xử lý nước ao
cá tại nông hộ, mô hình kết hợp giữa phương pháp xử lý bằng vi khuẩn, giá
thể, bổ sung glucose và phương pháp xử lý bổ sung bằng thực vật thủy sinh đã
loại bỏ được ammonium và orthophosphate đồng thời cải thiện được các chỉ

tiêu COD, TSS, TN, TP, nitrit, nitrate trong nước ao cá. Nước sau xử lý đạt
chuẩn loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT và không gây hại cho động vật
thủy sinh.
Từ khóa: ammonium, chế phẩm sinh học, giá thể, glucose, nước ao cá tra,
orthophosphate

iii


ABSTRACT
Title: Application of biotechnology for removal ammonium
orthophosphate in intensive tra-fish pond water treatment

and

The water from intensive tra-fish ponds with high concentration of
ammonium and orthophosphate compounds may become a serious pollution
source when being released to rivers and canals. This study was carried out in
6 months with the objective to examine the ability of removing ammonium
and orthophosphate in the water of tra-fish ponds by the combination of
heterotrophic nitrogen removal bacteria, polyphosphate-accumulating bacteria
and aquatic plants. There were four experiments with the application of
heterotrophic nitrogen removal bacteria Bacillus sp. strain AGT.077.O3 and
polyphosphate-accumulating bacteria Bacillus subtilis strain DTT.001L in trafish pond water together with aerobic condition and changed 50% of water
after every 24 hours. The experiment 1 included 5 treatments: 5% of bacteria
(50 mL/L of pond water), 5% of bacteria with biological fixed contact material
(BFCM), 5% of bacteria and glucose (1 g/L of pond water), 5% of bacteria
with BFCM and glucose (1 g/L of pond water), and the control; each treatment
was carried out in bioreactor 10-L with 8 litres of pond water. In experiment 2,
there were three treatments with 80 liters of pond water for each treatment,

including 5% of bacteria (50 mL/L of pond water), 5% of bacteria with BFCM
and glucose (1 g/L of pond water), and the control. The experiment 3 was
designed with two treatments (800 liters of pond water for each unit), namely
5% of bacteria (50 mL/L of pond water) with BFCM and glucose (1 g/L of
pond water) together with the control. The results showed that the treatment
5% of bacteria with BFCM and glucose (1 g/L of pond water) had high
efficiency in reducing ammonium and orthophosphate concentration in tra-fish
pond water. The experiment 4 was to examine the water treatment process at
home-scale tra-fish farming which combined two methods: treatment with
bacteria, BFCM and glucose and then treatment with aquatic plants. It was
resulted that this process could remove ammonium and orthophosphate
concentration in tra-fish pond water and decreased important indicator values
including COD, TSS, TN, TP, Nitrite, and Nitrate in tra-fish pond water. The
tra-fish pond water after nitrogen removal bacteria, polyphosphateaccumulating bacteria, BFCM, glucose together with aquatic plants treatment
reached to A standard of QCVN 40:2011/BTNMT and did not affect to health
of aquatic animals.
Key words: ammonium, biological fixed contact material, bioproducts,
glucose, orthophosphate, tra-fish pond water.

iv


LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả
nghiên cứu của tôi trong khuôn khổ của đề tài: “Khảo sát đa dạng di truyền vi
khuẩn ở đồng bằng sông Cửu Long và tuyển chọn vi khuẩn kết tụ sinh học,
chuyển hóa nitơ, photpho dung trong xử lý nước thải”. Đề tài có quyền sử
dụng kết quả của luận văn này để phục vụ cho đề tài.
Cần Thơ, ngày 11 tháng 06 năm 2013
Người hướng dẫn

Tác giả luận văn

PGS.TS. CAO NGỌC ĐIỆP

BÙI DUY NHÂN

v


MỤC LỤC
Tóm lược ........................................................................................................... iii
Astract ............................................................................................................... iv
Trang cam kết .................................................................................................... v
Mục lục ............................................................................................................. vi
Danh sách bảng ............................................................................................... viii
Danh sách hình .................................................................................................. x
Chữ viết tắt........................................................................................................ xi
Chương 1: Giới thiệu ......................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu đề tài .................................................................................. 2
Chương 2: Tổng quan tài liệu ............................................................................ 3
2.1 Sơ lược về đạm, lân .......................................................................... 3
2.1.1 Đạm trong tự nhiên ............................................................. 3
2.1.2 Phospho trong tự nhiên ....................................................... 6
2.2 Đạm, lân trong nước ao nuôi cá tra công nghiệp.............................. 8
2.3 Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý đạm, lân trong nước thải ...... 10
2.3.1 Vi khuẩn chuyển hóa nitơ ................................................. 10
2.3.2 Vi khuẩn tích lũy polyphosphate ...................................... 11
2.4 Các nghiên cứu trong xử lý nước ao nuôi cá tra công nghiệp ........ 13

Chương 3: Phương tiện và phương pháp ......................................................... 17
3.1 Thời gian và địa điểm ..................................................................... 17
3.1.1 Thời gian nghiên cứu ........................................................ 17
3.1.2 Địa điểm nghiên cứu ........................................................ 17
3.2 Phương tiện thí nghiệm .................................................................. 17
3.2.1 Vật liệu ............................................................................. 17
3.2.2 Dụng cụ, trang thiết bị ...................................................... 17
3.2.3 Hóa chất ............................................................................ 18
3.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 18
3.3.1 Phương pháp nuôi cấy vi khuẩn ....................................... 18
3.3.2 Tiến hành thí nghiệm ........................................................ 20
3.3.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý ....................... 22
3.3.4 Đánh giá chất lượng nước ao nuôi cá tra .......................... 29
3.3.5 Phân tích mẫu và xử lý số liệu.......................................... 30
Chương 4: Kết quả - Thảo luận ....................................................................... 31
4.1 Thí nghiệm 1: Hiệu quả xử lý nitơ, phospho trong nước ao
nuôi cá tra với vi khuẩn chuyển hóa nitơ Bacillus sp. dòng
AGT.077.O3, vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis
dòng DTT.001L, glucose và giá thể trên mô hình 8 lít ........................ 31
4.1.1 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng ammonium trong nước ao ................................. 31

vi


4.1.2 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng orthophosphate trong nước ao ........................... 36
4.1.3 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên giá trị pH của nước ao ......................................................... 38
4.1.4 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose

lên các chỉ số COD, TSS, TN, TP của nước ao......................... 39
4.2 Thí nghiệm 2: Hiệu quả xử lý nitơ, photpho trong
nước ao nuôi cá tra với vi khuẩn chuyển hóa nitơ Bacillus
sp. dòng AGT.077.O3, vi khuẩn tích lũy polyphosphate
Bacillus subtilis dòng DTT.001L, glucose và giá thể trên
mô hình 80 lít............................................................................. 41
4.2.1 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng ammonium trong nước ao ................................. 42
4.2.2 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng orthophosphate trong nước ao ........................... 44
4.2.3 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên giá trị pH trong nước ao....................................................... 45
4.2.4 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, glucose và giá thể
lên các chỉ số COD, TSS, TN, TP, Nitrit, Nitrate của
nước ao ...................................................................................... 46
4.3 Thí nghiệm 3: Hiệu quả loại bỏ nitơ, phospho trong nước ao
nuôi cá tra với vi khuẩn chuyển hóa nitơ Bacillus sp. dòng
AGT.077.O3, vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis
dòng DTT.001L, giá thể và glucose trên mô hình 800 lít .................... 48
4.3.1 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng ammonium trong nước ao ................................. 48
4.3.2 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, giá thể và glucose
lên hàm lượng orthophosphate trong nước ao ........................... 50
4.3.3 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, glucose và giá thể
lên giá trị pH trong nước ao....................................................... 52
4.3.4 Hiệu quả của hai dòng vi khuẩn, glucose và giá thể
lên các chỉ số COD, TSS, TN, TP, Nitrit, Nitrate trong
nước ao ...................................................................................... 53
4.4 Thí nghiệm 4: Hiệu quả của vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Bacillus sp. dòng AGT.077.O3, vi khuẩn tích lũy polyphosphate

Bacillus subtilis dòng DTT.001L, glucose và giá thể lên nồng độ
nitơ, phospho trong nước ao nuôi cá tra công nghiệp tại nông hộ
với quy trình đề xuất ............................................................................ 56
Chương 5: Kết luận và đề nghị ........................................................................ 60
5.1 Kết luận........................................................................................... 60
5.2 Đề nghị ........................................................................................... 60

vii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Kết quả phân tích của nước ao cá tra trước khi xử lý ..................... 14
Bảng 3.1: Bố trí giá thể, glucose và vi khuẩn trong các nghiệm thức ............. 20
Bảng 3.2: Thành phần hóa chất trong dãy đường chuẩn đo đạm NH4+ .......... 23
Bảng 3.3: Phương trình đường chuẩn NH4+ .................................................... 24
Bảng 3.4: Thành phần hóa chất trong dãy đường chuẩn đo lân PO43- ........... 24
Bảng 3.5: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt theo
QCVN 08:2008/BTNMT .............................................................. 29
Bảng 3.6: Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ chất ô nhiễm theo
QCVN 40:2011/BTNMT .............................................................. 30
Bảng 4.1: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên hàm
lượng ammonium cuối ngày thứ nhất trong keo nhựa 8 lít .......... 31
Bảng 4.2: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose, giá thể lên mật số vi
khuẩn khử đạm trong mô hình 8 lít .............................................. 34
Bảng 4.3: Hiệu quả của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3), Bacillus
subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên lượng
orthophosphate sụt giảm ở các nghiệm thức theo thời gian
trong mô hình 8 lít ....................................................................... 36

Bảng 4.4: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên mật số
vi khuẩn tích lũy polyphosphate trong mô hình 8 lít ..................... 37
Bảng 4.5: Hiệu quả của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3), Bacillus
subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên các chỉ số COD,
TSS, TN,TP của nước ao trong mô hình 8 lít ............................... 40
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose, giá thể lên mật số vi
khuẩn khử đạm trong mô hình 80 lít ............................................ 42
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên hàm
lượng ammonium trong nước ao trên mô hình 80 lít ................... 43
Bảng 4.8: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên hàm
lượng orthophosphate (mg/L) trong nước ao cá ở mô hình
80 lít. ............................................................................................ 44
Bảng 4.9: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên các chỉ
số COD, TSS, TN,TP, Nitrit, Nitrate của nước ao trong mô
hình 80 lít ...................................................................................... 46

viii


Bảng 4.10: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên mật số
vi khuẩn khử đạm trong nước ao .................................................. 50
Bảng 4.11: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên hàm
lượng orthophosphate trong nước ao trên mô hình 800 lít ............ 51

Bảng 4.12: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên các chỉ
số COD, TSS, TN, TP, Nitrit, Nitrate trong nước ao trên mô
hình 800 lít .................................................................................... 53
Bảng 4.13: Ảnh hưởng của bèo tấm lên các chỉ số COD, TSS, TN, TP,
Nitrit, Nitrate sau 24 giờ trong nước ao đã qua xử lý vi
khuẩn ............................................................................................. 55
Bảng 4.14: Ảnh hưởng của hệ thống xử lý Vi khuẩn+glucose+giá thể
kết hợp dùng thủy sinh thực vật lên nước ao nuôi cá tra .............. 58

ix


DANH SÁCH HÌNH
Hình 3.1: Máy cất đạm Parnas – Wargner ...................................................... 28
Hình 4.1: Hiệu quả của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3), Bacillus
subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên lên lượng
ammonium sụt giảm ở các nghiệm thức theo thời gian trong
keo nhựa 8 lít .................................................................................. 32
Hình 4.2: Hiệu quả của giá thể và glucose trong nghiệm thức 5% vi
khuẩn + glucose + giá thể (VK_glu+GT) và nghiệm thức
5% vi khuẩn + glucose (VK_glu.) .................................................. 35
Hình 4.3: Hiệu quả của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3), Bacillus
subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên giá trị pH của
nước ao trong mô hình 8 lít ............................................................ 38
Hình 4.4: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên giá trị
pH của nước ao trong mô hình 80 lít. ............................................ 45
Hình 4.5: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), giá thể và glucose lên hàm

lượng NH4+ (mg/L) trong nước ao ................................................. 49
Hình 4.6: Ảnh hưởng của vi khuẩn Bacillus sp. (AGT.077.O3),
Bacillus subtilis (DTT.001L), glucose và giá thể lên giá trị
pH trong nước ao trên qui mô 800 lít ............................................. 52
Hình 4.7: Mô hình xử lý nước ao cá tra tại nông hộ ....................................... 57
Hình 4.8: Các bước trong quy trình xử lý nước ao cá tra ở nông hộ. ............. 59

x


CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Anh
ANOVA
CFU
COD
CV
TSS

: Analysic of Variance (Phân tích phương sai)
: Colony Forming Unit (Số khuẩn lạc trên một đơn vị)
: Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)
: Coefficient Variation (Hệ số biến động)
: Total Suspended Solids (Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng)

Tiếng Việt
ĐC
N
P
g
mg

L
mL
TN
TP
VK
VK_glu

: Nghiệm thức đối chứng sục khí
: Nitơ, đạm
: Phospho, lân
: Gram
: Miligram
: Lít
: Mililít
: Nitơ tổng
: Phospho tổng
: Nghiệm thức sử dụng 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao)
: Nghiệm thức sử dụng 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao) và
bổ sung glucose (1 g/L nước ao chưa qua xử lý)
VK_glu+GT
: Nghiệm thức sử dụng 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao) kết
hợp với giá thể và bổ sung glucose (1 g/L nước ao chưa qua
xử lý)
VK+GT
: Nghiệm thức sử dụng 5% vi khuẩn (50 mL/L nước ao) kết hợp
với giá thể

xi

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Theo số liệu của Tổ chức Lương Nông Liên hợp quốc, Việt Nam là một
trong 5 nước có sản lượng nuôi trồng thủy sản lớn nhất thế giới, nhóm 10
nước xuất khẩu thủy sản và trong nhóm 20 nước cung cấp sản lượng thủy sản
khai thác cao nhất trên thế giới. Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt
Nam vừa đúc kết cho thấy chỉ trong 12 năm (2001 - 2012) vùng nuôi cá tra mở
rộng đạt gần 6.000 ha, tăng gấp 5 lần; sản lượng cá nguyên liệu từ 37.500
tấn/năm tăng lên 1.350.000 tấn, tăng gấp 36 lần.(1)
Thế nhưng trong những năm trở lại đây, việc xuất khẩu cá tra gặp trở
ngại bởi nhiều tiêu chuẩn quốc tế khác nhau. Với 23 chứng chỉ không đồng bộ
và cần đầu tư chi phí cao để đạt được chứng nhận, doanh nghiệp và người nuôi
cá tra đang đứng trước “bài toán nan giải” trong quá trình phát triển nghề nuôi
thủy sản bền vững. Trước tình hình đó, tiêu chuẩn VietGAP (Tiêu chuẩn thực
hành sản xuất an toàn) đang được kỳ vọng là nền tảng để doanh nghiệp và
người nuôi cá tra yên tâm phát triển và tiến sâu hơn vào thị trường kinh tế thế
giới. Để đạt được chứng nhận này, một trong những điều kiện phải đạt được là
“hệ thống cấp và thải nước phải độc lập với nhau và được quản lý để tránh làm
ô nhiễm nguồn nước cấp”(2). Vì vậy, muốn phát triển bền vững thì song song
với việc phát triển kinh tế, doanh nghiệp và người nuôi cá tra cũng cần quan
tâm bảo vệ môi trường đặc biệt là môi trường nước.
Thực tế cho thấy nuôi cá theo hình thức thâm canh với quy mô công
nghiệp đã có tác động rất lớn đến môi trường do thức ăn dư thừa, chất thải
dạng phân và chất bài tiết bị tích góp lại trong nước và nền đáy. Dưới hoạt
động của vi sinh vật và các quá trình phân huỷ, chất thải chuyển thành amoni,

nitrate, photphat,… Các chất khoáng đã kích thích sự phát triển của tảo dẫn
đến hiện tượng nở hoa trong ao. Việc thải bỏ lượng nước ao giàu đạm, lân mà
không được quản lý và kiểm soát trong điều kiện cơ sở hạ tầng khu nuôi
không được đảm bảo thì chất thải từ khu nuôi này sẽ theo nguồn nước cấp vào
các khu nuôi khác. Trên cơ sở đó để bảo vệ môi trường, hạn chế tác động từ
bên ngoài biện pháp duy nhất là nguồn nước từ các khu nuôi thâm canh đều
phải được xử lý trước khi tuần hoàn trở lại môi trường.

1

/>Quyết định số 1503/QĐ-BNN-TCTS về Quy phạm thực hành nuôi trồng thủy sản tốt tại Việt Nam
(VietGAP), ngày 05 tháng 07 năm 2011
2

Chuyên ngành Sinh thái học

1

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

Với đặc tính lượng nước nhiều và chủ yếu dạng dễ phân hủy sinh học,
điều kiện các khu vực nuôi cá đều nằm trong các vùng nông thôn, gần các khu
sản xuất nông nghiệp nên các giải pháp áp dụng để xử lý nước giàu đạm, lân
từ quá trình nuôi cá đều thiên về hướng sử dụng công nghệ sinh học tự nhiên
và đơn giản.

Trên cơ sở nghiên cứu của các luận văn thạc sĩ được thực hiện từ năm
2008 - 2012 về phân lập, nhận diện các dòng vi khuẩn chuyển hóa nitơ, tích
lũy polyphosphate cũng như bước đầu ứng dụng vi khuẩn và thực vật thủy
sinh xử lý nước phú dưỡng trong điều kiện in-vitro, đề tài thực hiện bước tiếp
trong quá trình ứng dụng và hoàn thiện quy trình xử lý nước ao nuôi cá tra
công nghiệp. Mục tiêu của đề tài nhằm “ Ứng dụng công nghệ sinh học để
xử lý đạm, lân trong nước ao nuôi cá tra công nghiệp” đạt tiêu chuẩn loại A
theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp - QCVN
40:2011/BTNMT do Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam quy định [1].
1.2 Mục tiêu đề tài
- Xác định ảnh hưởng của glucose và giá thể lên quá trình xử lý đạm, lân
trong nước ao nuôi cá tra của vi khuẩn chuyển hóa nitơ Bacillus sp. dòng
AGT.077.O3 và vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis dòng
DTT.001L.
- Xây dựng quy trình xử lý đạm, lân trong nước ao nuôi cá tra công
nghiệp để nguồn nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép. Khảo sát hiệu quả
của quy trình trên điều kiện thực tế ở nông hộ.

Chuyên ngành Sinh thái học

2

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Sơ lược về đạm, lân
2.1.1 Đạm trong tự nhiên
Nitrogen rất cần thiết cho sự sống, chúng là thành phần cấu tạo của
protein và acid nucleic trong tế bào vi khuẩn, động vật và thực vật. Hầu hết
sinh vật sẽ không sử dụng nitrogen nếu khí này không bị biến đổi thành amoni
bởi vì nitrogen là một phân tử bền vững và không bị biến đổi ở những điều
kiện nhất định (sóng điện tử, nhiệt độ và áp suất cao,…)[2]. Nitơ là nguyên tố
thiết yếu cho các tiến trình sinh học, có mặt trong thành phần của các acid
amin (hợp phần bắt buộc của protein trong tế bào chất đặc trưng cho sự sống),
hiện diện trong DNA, RNA (vật chất di truyền của tế bào ở cấp độ phân tử),
trong các enzyme, trong màng tế bào, mang chức năng cấu trúc hoặc giữ chức
năng cử động, cung cấp năng lượng cho cơ thể, tham gia cấu tạo ATP và ADP.
Mặc dù khoảng 80% khí quyển là nitơ [3] nhưng không có một động vật nào,
chỉ có một vài thực vật (tảo lam), vi khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật tiền nhân là
có khả năng dùng được nitơ phân tử.
Nitơ phân tử (N2) hòa tan trong nước thiên nhiên khoảng 12 mg/L ở
25 C. Cũng như trong đất, quá trình cố định nitơ trong thủy vực được thực
hiện bởi tảo xanh, các loài vi khuẩn quang hợp, các vi sinh vật dị dưỡng
Azotobacter, Clostridium,… [2]
o

Amoniac trong các thủy vực được cung cấp từ quá trình phân hủy bình
thường các protein xác bã động vật, thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của
động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ. Amoniac là loại khí độc, khi được tạo
thành sẽ phản ứng với nước sinh ra ion NH4+. Amoniac là yếu tố quan trọng có
ảnh hưởng đến tỷ lệ sống, sinh trưởng đối với thủy sinh vật [4].
Ammonium hết sức độc hại và nguy hiểm, NH4+ ở hàm lượng từ 0,6 - 2
mg/L có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cá. Hàm lượng ammoniac thích
hợp nhất cho ao nuôi thủy sản là <0,1 mg/L và ammonium là 0,2 - 2 mg/L.

Trong môi trường thủy sản, ammoniac tồn tại dưới dạng NH3 hoặc NH4+
tùy thuộc vào pH của môi trường. Trong môi trường có pH cao thì ammoniac
dễ chuyển thành NH3, có độc tính cao. NH3 có độc tính cao hơn NH4+ vì NH3
không mang điện tích nên dễ dàng thấm qua màng tế bào mang cá, đồng thời
có khả năng hòa tan trong chất béo, còn NH4+ là ion có kích thước lớn hơn, có
thể kết hợp và mang điện tích nên khó thấm qua tế bào mang cá. Chỉ số NH3

Chuyên ngành Sinh thái học

3

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

cho phép trong môi trường nuôi tôm, không được lớn hơn 3 mg/L. Do đó, nếu
nước ao có hàm lượng ammoniac cao thải vào môi trường sẽ gây độc cấp tính
và làm cho tôm cá chết trong thời gian ngắn. Ammoniac sẽ chuyển thành
nitrite nhờ vi khuẩn oxy hóa amon khi kết hợp với oxy trong nước [5].
Hợp chất chứa nitơ dạng oxy hóa gồm nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-).
Hàm lượng nitrite cho phép trong nuôi trồng thủy sản là dưới 0,3 mg/L. Nếu
vượt quá sẽ gây độc. Nitrate được tạo thành nhờ vi khuẩn oxy hóa nitrite. Hàm
lượng nitrate cho phép trong môi trường nuôi trồng thủy hải sản <10 mg/L. Ở
hàm lượng 10 mg/L sẽ làm cho tảo phát triển. Khi tảo quá nhiều sẽ kết nối
thành khối nổi lên mặt nước, khi bị phân hủy sẽ gây ô nhiễm nước, làm nước
bị đục và thối, giảm độ oxy hòa tan. Khi hàm lượng nitrate >50 mg/L sẽ gây
sốc nghiêm trọng cho tôm cá [5].

Chu trình nitrogen gồm 5 quá trình: cố định nitrogen, sự đồng hóa
nitrogen, sự amoni hóa, sự nitrate hóa và sự khử nitrate [2]. Trong tự nhiên,
nitơ được chuyển hóa qua nhiều dạng khác nhau trong một chu trình khép kín
gồm các quá trình cơ bản sau:
 Quá trình cố định nitơ: Quá trình này nitơ phân tử (N2) được chuyển
hóa thành nitơ hợp chất. Hàng năm trên thế giới có 2,4 x 108 tấn đạm được cố
định, 2/3 trong số đó là do vi sinh vật cố định đạm, 1/4 là do sản xuất công
nghiệp, còn lại là ngẫu nhiên [6].
Vi khuẩn cố định đạm, với bộ máy enzyme có khả năng cắt liên kết ba
giữa hai nguyên tử nitơ của phân tử nitơ trong không khí chuyển về dạng
ammonia cây trồng hấp thu được. Vi khuẩn cố định đạm thuộc các giống:
Acetobacter, Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter, Azospirilum,…
Các loài vi khuẩn và tảo xanh thực hiện được quá trình này là do trong tế
bào chúng có hệ thống xúc tác enzyme nitrogenase. Enzyme này thường gồm
hai thành phần: một thành phần gọi là Fe-Protein và một thành phần khác gọi
là Mo-Fe-Protein. Mo-Fe-Protein có chứa 2 nguyên tử Mo, 32 nguyên tử Fe và
25 - 31 nguyên tử lưu huỳnh. Loại Fe-Protein có trọng lượng phân tử khoảng
60.000 [7]. Mo-Fe-Protein có trọng lượng phân tử khoảng 220.000 và gồm 2
tiểu phần tử (subunits) đã được kết tinh tinh khiết.
 Quá trình nitrate hóa: Nitrate hóa là quá trình oxy hóa amonia và
muối amonium hình thành acid nitrous (HNO2) và acid nitric (HNO3). Qua đó,
vi sinh vật thu năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của mình. Vi sinh vật
thực hiện quá trình oxy hóa này kèm theo sự đồng hóa CO2 xây dựng các hợp
chất hữu cơ của cơ thể chúng, chúng là vi khuẩn hóa tự dưỡng và là những cơ
thể hiếu khí bắt buộc. Quá trình này gồm 2 giai đoạn:

Chuyên ngành Sinh thái học

4

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

* Quá trình nitrite hóa
Quá trình oxy hóa NH4+ thành NO2- được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn
nitrite hóa. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy
hóa NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng.
NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + 2H + năng lượng
Năng lượng này được dùng để đồng hóa CO2 thành carbon hữu cơ.
Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu
khí.
Nhóm vi khuẩn nitrite hóa thuộc 4 giống khác nhau: Nitrosomonas,
Nitrosocystic, Nitrosolobus, Nitrosospira. Chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt
buộc [8].
* Quá trình nitrate hóa
Quá trình oxy hóa NO2- thành NO3- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn
nitrate hóa. Chúng cũng là những vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có khả năng
oxy hóa NO2- tạo thành năng lượng. Năng lượng này được dùng để đồng hóa
CO2 tạo thành đường.
NO2- + 1/2 O2 → NO3- + năng lượng
Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hóa NO2- thành NO3- thuộc 3 giống khác
nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus.
Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, trong đất còn một số
loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hóa. Đó là các loài vi
khuẩn và xạ khuẩn thuộc các giống: Pseudomonas, Corybacterium,
Streptomyces. [8]



Quá trình phản nitrate hóa

Schloesing là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng khử nitrate và nitrite
thành nitơ phân tử vào năm 1868 [9]. Trong điều kiện không có oxy, các dạng
nitơ hợp chất (NO3-, NO2-) bị phân hủy để tạo thành nitơ phân tử bởi các vi
khuẩn khử nitrate (denitrifying bacteria), được gọi là quá trình phản nitrate
hóa (quá trình khử nitrate) làm giảm lượng nitrate, khép kín và hoàn thiện
vòng tuần hoàn nitơ.
Vi khuẩn phản nitrate là nhóm vi khuẩn phân bố rộng rãi trong tự nhiên
[10]. Thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng có Thibacillus denitrificans,
Hydrogenomonas agilis,... Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas
denitrificans, Micrococcus denitrificans, Bacillus licheniformis,... sống trong
điều kiện kỵ khí [8].

Chuyên ngành Sinh thái học

5

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

Quá trình phản nitrate được coi là một tiến trình then chốt trong chu trình
nitơ [11]. Quá trình này được xem là tập hợp của sự hô hấp nitrate, nitrite kết
hợp với sự khử nitrite oxide và sự hô hấp nitrous oxide. [12]

Nitrate (NO3-) → Nitrite (NO2-) → Nitrite oxide (NO) → Nitrous oxide
(N2O) → Dinitrogen gas (N2)
Đối với nông nghiệp, quá trình phản nitrate hóa là quá trình bất lợi vì nó
làm cho đất mất đạm, nhưng quá trình này rất có lợi trong quá trình xử lý ô
nhiễm nitrate và loại bỏ nitơ đã được nitrate hóa ở nước thải [10].
Đặc biệt trong tự nhiên còn có quá trình ANAMMOX (Anaerobic
Ammonium Oxidation - oxy hóa ammonium trong điều kiện kỵ khí), nitrite và
ammonium sẽ được chuyển đổi trực tiếp thành nitơ phân tử dưới điều kiện
thiếu oxy.
Toàn bộ phản ứng dị hóa này là:
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O
3NH4+ + 2NO3- → 5/2 N2 + 6H2O
Một số giống vi khuẩn ANAMMOX như: Brocadia, Kuenenia,
Anammoxglobus (các loài nước ngọt) và Scalindua (các loài ở biển). Có thể
ứng dụng tiến trình ANAMMOX vào xử lý nguồn nước thải giàu nitơ [13].
Những sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng hấp thu và đồng hóa NH4+, NO3-.
Tế bào của thực vật và tảo hấp thu nitrogen tốt nhất ở hình thức NH4+. Sau khi
hấp thụ, những tế bào này sẽ biến đổi NH4+, NO3- thành protein. Để đồng hóa
được 100 ĐVC, tế bào cần 10 đơn vị nitrogen (tỷ lệ C/N = 10) [14].
2.1.2 Phospho trong tự nhiên
Phospho là chất dinh dưỡng chủ yếu cần cho tất cả các tế bào sống,
phospho cấu tạo nên adenosine triphosphate (ATP), acid nucleic (DNA và
ARN), phospholipids, acid teichoic, acid teichuronic. ATP là phân tử giàu
năng lượng, được dùng để vận chuyển năng lượng trong tế bào. Phospholipids
là thành phần quan trọng trong cấu trúc của màng tế bào. Acid teichoic, acid
teichuronic là thành phần quan trọng trong cấu trúc vách tế bào vi khuẩn gram
dương. Phospho còn được dự trữ trong tế bào như là hạt nhỏ volutin hay
polyphosphates.
Phospho có thể tồn tại ở dạng hữu cơ hoặc vô cơ.
Phosphate được cây hấp thu từ đất, được động vật sử dụng khi chúng tiêu

hóa thực vật và được trả lại đất như một dạng cặn bã hữu cơ, sau đó sẽ được

Chuyên ngành Sinh thái học

6

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

phân rã vào trong đất. Hầu hết phosphate được sử dụng bởi những sinh vật
sống và chúng trở thành những liên kết chặt chẽ trong những liên kết hữu cơ.
Khi những vật liệu hữu cơ từ thực vật trả lại đất thì những phosphate hữu cơ
này sẽ được phóng thích một cách chậm chạp như là phosphate vô cơ hoặc
được liên kết chặt chẽ vào những vật liệu hữu cơ ổn định hơn và trở thành một
thành phần hữu cơ của đất. Sự phóng thích của những phosphate vô cơ từ
những phosphate hữu cơ được gọi là sự khoáng hóa (mineralization) và được
vi sinh vật bẻ gãy những liên kết hữu cơ. Hoạt động của vi sinh vật có hiệu
quả cao là tùy thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của đất.
Vi khuẩn có vai trò trung tâm trong chu trình phospho diễn ra trong tự
nhiên. Chu trình oxi hóa và sự làm giảm hợp chất lân xảy ra thông qua sự dịch
chuyển electron một cách liên tục trong quá trình chuyển đổi số oxi hóa từ P(3) sang P(+5) trong tự nhiên. Mặc dù vi sinh vật tham gia vào quá trình oxi
hóa khử của lân nhưng những cơ chế sinh hóa và di truyền học của quá trình
biến đổi đó hiện nay chưa được tìm hiểu một cách rõ ràng [15].
Dạng vô cơ của phospho gồm orthophosphates và polyphosphates.
Orthophosphates có giá trị đối với sự chuyển hóa sinh học mà không cần có
thêm sự bẻ gãy, được coi như là chất dinh dưỡng phospho có giá trị cho vi

khuẩn sử dụng trong các hệ thống xử lí nước thải và cho thực vật thủy sinh
trong nước tự nhiên. Orthophosphates bao gồm PO43-, HPO42-, H2PO4- và
H3PO4. Dạng orthophosphates phổ biến nhất trong các hệ thống xử lí nước thải
là HPO42-, H2PO4-. Số lượng của mỗi dạng là tùy thuộc vào pH. Trong hầu hết
các hệ thống xử lí nước thải, HPO42-, H2PO4- là dạng nổi trội ở giá trị pH lớn
hơn 7. Dạng polyphosphates là phân tử phức hợp với hai hay nhiều nguyên tử
phospho, nguyên tử oxi và có thể có nguyên tử hydro, polyphosphates được
thể hiện bằng công thức hóa học của ion pyrophosphate (P2O73-),
pyrophosphate là thành phần đầu tiên trong chuỗi polyphosphates không phân
nhánh ( P2O73-, P3O105-,…). Polyphosphates trải qua sự thủy phân rất chậm và
phóng thích orthophosphates, sự thủy phân có thể được thực hiện bằng
phương pháp hóa học hoặc bằng sinh học nhờ vi khuẩn và tảo. Sự thủy phân
của polyphosphates chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm thời gian và pH
trong bình phản ứng hiếu khí, dạng chính của orthophosphates đạt được từ sự
thủy phân là tùy thuộc vào pH [16].
Phosphate có thể gắn với các hợp chất hữu cơ gọi là phospho hữu cơ.
Những hợp chất phospho hữu cơ thì ít quan trọng trong nước thải chăn nuôi
nhưng nó trở nên đáng lo ngại trong nước thải công nghiệp và bùn, những
dạng chất hữu cơ phổ biến của phospho gồm inositol phosphates, acids

Chuyên ngành Sinh thái học

7

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

nucleic, phospholipids và phytin. Phytin là acid hữu cơ tìm thấy ở bắp và đậu
nành rất khó để phân hủy.
2.2 Đạm, lân trong nước ao nuôi cá tra công nghiệp
Nhìn chung, NH4+ là dạng N vô cơ chủ yếu trong nước ao, dao động
trong khoảng 0,02 – 8,2 mg/L. Trong ao nuôi cá tra, hàm lượng NH4+ hòa tan
tăng theo thời gian nuôi, đạt cao nhất khoảng 8 mg/L vào giai đoạn 3 – 4,5
tháng sau khi nuôi. Hàm lượng NH4+ gia tăng theo tuổi cá tương ứng với sự
gia tăng lượng thức ăn cung cấp và chất thải của cá. Theo Lê Văn Cát [17]
động vật thủy sản chỉ hấp thu 40% lượng thức ăn từ thức ăn nhân tạo, phần dư
thừa sẽ hòa tan và phân hủy trong môi trường nước. Phần lớn lượng thức ăn
trong đó khoảng 16% lượng nitơ, 26-30% lượng phospho tích lũy trong trầm
tích ao và khoảng 22% nitơ, 54-59% lượng phospho được phát tán vào nước
ao hay còn lại trong thức ăn thừa [18]. Các nghiên cứu khác cũng cho thấy cá
da trơn chỉ hấp thu được 27 - 30% đạm, 16 - 30% lân và khoảng 25% chất hữu
cơ được cung cấp từ thức ăn ( />Khi thử nghiệm nuôi cá da trơn trong 90 ngày cho thấy cá chỉ hấp thu được
khoảng 37% hàm lượng đạm và 45% hàm lượng lân trong thức ăn cho vào ao
nuôi. Qua quá trình phân hủy của vi sinh vật và các tiến trình phân hủy tự
nhiên, lượng thức ăn dư thừa và chất thải của cá sẽ chuyển thành các dạng N
vô cơ (ammonium, nitrate) và P vô cơ (phosphate). Hàm lượng N và P vô cơ
cao trong môi trường nước sẽ kích thích sự phát triển quá mức của tảo (hiện
tượng tảo nở hoa) trong ao và tiến trình phân hủy tảo sẽ làm cho môi trường
nước ao bị ô nhiễm, thiếu oxy cung cấp cho hoạt động hô hấp của cá, cá sẽ suy
yếu và dễ nhiễm bệnh. Mặt khác, nếu nước thải chứa hàm lượng N, P hòa tan
cao được thải trực tiếp ra kênh rạch có thể sẽ gây ô nhiễm môi trường và
nguồn nước sử dụng cho sinh hoạt. Để có 1 kg cá da trơn thành phẩm, người
nông dân đã phải sử dụng từ 3 - 5 kg thức ăn. Thực tế chỉ khoảng 17% thức ăn
được cá hấp thu và phần còn lại hòa lẫn trong môi trường nước trở thành các
chất hữu cơ có thể phân hủy. Hàm lượng NH4+ hòa tan giảm trong các giai
đoạn sau là do ao nuôi đã được vệ sinh, nông dân thường nạo vét lớp bùn đáy

ao vào khoảng 4 tháng sau khi nuôi. So với NH4+, hàm lượng N vô cơ hòa tan
ở dạng NO3- chiếm tỷ lệ rất thấp.
Các thử nghiệm nuôi thâm canh cá tra với những dạng thức ăn khác
nhau cho 4 ao nuôi có diện tích từ 700 - 2.000 m2/ao, mật độ thả nuôi 20
con/m2. Trong 6 tháng nuôi, các yếu tố lý hóa trong môi trường nước ao nuôi
dao động trong giới hạn như nhiệt độ: 28 - 30,5oC, độ trong: 10 - 20 cm, pH

Chuyên ngành Sinh thái học

8

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

nước: 6,5 - 7,0, hàm lượng oxy hòa tan: 2,6 - 6,0 mg/L, NH4+: 0,2 - 0,92 mg/L
và H2S: 0,05 - 0,45 mg/L [19]. Hàm lượng N và P vô cơ hòa tan trong 9 mẫu
nước lấy từ các ao nuôi cá tra thâm canh ở các địa phương khác nhau ở Đồng
bằng Sông Cửu Long đều ở mức cao, biến động trong khoảng 0,5 - 11,6 mg/L
đối với N và 0,05 - 7,7 mg/L đối với P. So với các thành phần hữu cơ, thành
phần N và P vô cơ chiếm tỷ lệ cao trong nước ao và đạt cao nhất vào giai đọan
cá 3 - 4 tháng tuổi. Tỷ lệ N/P trong nước ao đạt giá trị <10 trong tất cả các giai
đọan phát triển của cá và phù hợp cho sự phát triển của tảo [20]. Trong suốt
chu kỳ sinh trưởng khoảng 6 tháng của cá, hàm lượng NO3- dao động trong
khoảng 0,01 - 1,2 mg/L và không cho thấy xu hướng gia tăng theo giai đoạn
sinh trưởng của cá. Hàm lượng N hòa tan tổng số dao động từ 0,5 - 11,6 mg/L
và hiện diện cao nhất trong các ao khảo sát vào giai đoạn 3 - 4 tháng sau khi

nuôi. Hàm lượng N hữu cơ hòa tan trong nước ao thấp hơn N vô cơ có thể là
do các hợp chất hữu cơ từ thức ăn dư thừa và chất thải của cá đã chìm lắng và
tích lũy trong lớp bùn đáy ao. Hàm lượng P vô cơ hòa tan biến động từ 0,05 7,7 mg/L. Tương tự N vô cơ, hàm lượng P vô cơ hòa tan trong ao nuôi tăng
dần theo thời gian sinh trưởng của cá. So sánh về thành phần P hòa tan, P vô
cơ chiếm tỷ lệ rất cao so với P hữu cơ. Tại các giai đoạn lấy mẫu trong tất cả
các ao khảo sát, tỷ lệ P vô cơ so với P tổng số hòa tan tập trung trong khoảng
91%. So với tiêu chuẩn Việt Nam [21] đối với hàm lượng N cho phép hiện
diện trong nước mặt sử dụng cho mục đích sinh hoạt vào khoảng 0,1 - 0,2
mg/L đối với NH4+ và 2 - 5 mg/L đối với NO3- thì hàm lượng NH4+ hòa tan
trong các ao nuôi cá tra cao hơn gấp nhiều lần ngay cả giai đoạn cá còn nhỏ.
Đối với P, hàm lượng P vô cơ hòa tan trong nước ao nuôi cá tra từ giai đoạn 2
tháng tuổi đều vượt tiêu chuẩn cho phép (qui định giới hạn trong khoảng 0,1 0,2 mg/L - Bộ TNMT, [21]).
Tỷ lệ giữa N và P hòa tan cũng là yếu tố quyết định chất lượng môi
trường nước. Môi trường nước giàu N, P và có sự cân bằng giữa hàm lượng N
và P hòa tan sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng, kích thích sự phát triển của tảo.
Tảo phát triển quá mức trong môi trường nước làm tiêu hao lượng oxy hòa tan
và tiến trình phân hủy sinh khối tảo chết sẽ gây ô nhiễm nguồn nước. Redfield
[22] đề nghị rằng tỷ lệ N/P thích hợp cho sự sinh trưởng của tảo trong khoảng
N/P = 16. Tương tự, Boyd và Daniel [23] thực hiện các thí nghiệm bón phân
cho các ao nuôi tôm và đã kết luận rằng hàm lượng N/P hòa tan < 20 sẽ kích
thích sự phát triển của tảo. Trong khảo sát này, đa số các ao nuôi cá tra có tỷ lệ
N/P hòa tan <10.
Kết quả khảo sát trên các ao nuôi cá tra ven sông tại Việt Nam cũng đề
cập đến giá trị trung bình của các thông số chất lượng nước nói chung đều

Chuyên ngành Sinh thái học

9

Khoa Khoa học tự nhiên

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

vượt quá các tiêu chuẩn chất lượng nước mặt của Việt Nam. Chỉ số pH dao
động từ 6,7 - 9,2; tổng Nitơ: 3,2 - 6,0 mg/L; tổng phospho: 0,4 - 2,21 mg/L;
NH4+: 0,05 - 4,4 mg/L. Các ao có nồng độ NH4+ vượt quá 2 mg/L. Khi nồng
độ NH4+ vượt quá 2 mg/L, nước giàu nitơ. Chỉ số TSS cũng cho thấy một sự
thay đổi lớn trong ao và chỉ số này thay đổi theo mùa. Vào mùa mưa, các chất
rắn lơ lửng trong các con sông cao hơn và nhập vào ao thông qua trao đổi
nước hàng ngày (từ 3,5 - 274,2 mg/L). Tương tự như vậy, chỉ số Coli-forms
trong các mẫu nước là rất cao nếu so với tiêu chuẩn. Điều kiện các ao khảo sát
đều trao đổi nước ao với sông hằng ngày và các chỉ tiêu thay đổi theo độ tuổi
của cá. Điều đó cho thấy rằng một lượng lớn đạm, lân đã được hòa vào nguồn
nước cấp chung của khu vực. Khi nước ao được lưu trữ lâu hơn trong điều
kiện thiếu nước cấp vào mùa khô thì sự tích tụ dinh dưỡng trong ao là rất cao,
ảnh hưởng không tốt đến năng suất cá và tác động xấu đến chất lượng môi
trường nước [24].
2.3 Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý đạm, lân trong nước thải
2.3.1 Vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Nhiều báo cáo cho rằng tiến trình khử nitrate chỉ xảy ra dưới điều kiện
kỵ khí [25]. Hệ enzyme khử nitơ bị ức chế dưới điều kiện nồng độ oxy. Như
Pseudomonas nautica (dòng 612), hoạt tính enzyme khử nitrate, nitrite và
nitros oxide hoàn toàn bị ức chế với nồng độ oxy vượt quá 5,05, 2,15 và 0,25
mg/L [26]. Tuy nhiên một vài vi khuẩn có thể thực hiện quá trình khử nitơ
hiếu khí dưới điều kiện oxy không khí khác nhau [27] như Pseudomonas
denitrificans có thể thực hiện quá trình khử nitơ dưới điều kiện oxy bảo hòa
không khí 90% [28, 27]. Quá trình khử nitơ không phải là quá trình kỵ khí

nghiêm ngặt đối với một vài loài khử nitrate dị dưỡng như Pseudomonas
stutzeri [29], Alcaligenes facealis [30].
Kaul và Verstraete [31] quan sát khả năng khử nitơ trong hệ thống nitrate
hóa - khử nitrate tự dưỡng giới hạn oxy (OLAND) có sự bổ sung bùn hoạt tính
như là chất xúc tác sinh học. Trong bể phản ứng vận hành theo chuỗi, nước
thải tổng hợp bao gồm 1g NH4+/L bổ sung vào môi trường minimal. Oxy được
cung cấp vào bể phản ứng. Tốc độ tải nạp mẫu là 0,13 g NH4+/L/ngày. Khoảng
22% NH4+ biến thành NO2- hoặc NO3-, 40% NH4+ chuyển thành N2, 38% còn
lại là NH4+. Vi sinh vật xúc tác cho tiến trình OLAND là các vi khuẩn oxy hóa
ammonium chiếm ưu thế trong môi trường. Mất nitơ trong hệ thống được cho
là xảy ra theo con đường oxy hóa NH4+ thành N2 với NO2- như là chất nhận
điện tử. Hydroxylamine kích thích khử NH4+ thành NO2. Enzyme

Chuyên ngành Sinh thái học

10

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

Hydroxylamine oxidoreductase (HAO) giữa vai trò quan trọng trong quá trình
loại bỏ nitơ.
Lee [11] nghiên cứu đặc điểm quần xã vi khuẩn trong mẫu bùn hoạt tính
khử nitrate và mô tả các đặc tính của một dòng CR-I phân lập từ bùn hoạt tính
khử nitrate cao (high nitrate removing activated sludge) và CR-II phân lập từ
bùn hoạt tính có khả năng khử nitrate thấp (low nitrate removing activated

sludge). Đa số thuộc nhóm Gammaproteobacterium, vi khuẩn gram âm như
Pseudomonas putida, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas azotoformans.
Su [32] phân lập vi khuẩn khử đạm dòng NS-2 từ nước thải chăn nuôi.
Dòng NS-2 có khả năng khử nitrate thành N2 trong điều kiện hiếu khí và kỵ
khí mà không tạo nitrite trung gian. Hiệu suất khử của dòng NS-2 là 97% dưới
nồng độ 92% oxy không khí. Dòng NS-2 được xác định là Pseudomonas
stutzeri. Cũng trong năm 2001, Su [32] so sánh khả năng khử nitrate hiếu khí
của Thiosphaera pantotropha ATCC 35512 và Pseudomonas stutzeri mới
được phân lập dòng SU2. Pseudomonas stutzeri dòng SU2, được phân lập từ
hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo, khử nitrate thành khí nitơ nhanh mà
không có sự hình thành nitrite. Tốc độ khử nitrate của dòng SU2 là 0,03 mmol
NO3- g/tế bào/giờ sau 44 giờ nuôi cấy vi khuẩn. Đồng thời, Su [32] chứng
minh ảnh hưởng của nitrite trên sự xác định COD trong nước thải chăn nuôi
heo, và khả năng khử nitrate hiếu khí của SU2 thúc đẩy hiệu suất khử nitơ và
COD nước thải. Nghiên cứu thực hiện trong thùng phản ứng có dung tích 17 lít,
kết quả cho thấy tỉ lệ tế bào SU2 được cố định với bùn hoạt tính là 100:1. Tỉ lệ
hiếu khí: kỵ khí là 4:1,5. Hiệu quả khử COD là 86.8%. Hiệu suất khử BOD và
SS trên 90%, khử NH4+ và TN thì gần 100%. Sự can thiệp NO2- có ý nghĩa khi
nồng độ của nó trong nước thải chăn nuôi heo vượt 100 mg/L. COD trong nước
thải chăn nuôi heo khử trực tiếp theo sau sự khử nitrite bởi dòng SU2.
Từ năm 2008 đến nay, có nhiều báo cáo luận văn thạc sĩ phân lập và
nhận diện vi khuẩn khử đạm được nghiên cứu và lưu trữ ở Viện Nghiên cứu
và Phát triển Công nghệ Sinh học – Trường Đại học Cần Thơ. Có khoảng 278
dòng vi khuẩn khử đạm được phân lập từ các nguồn chất thải khác nhau như
chất thải chăn nuôi heo [33]; ao cá tra [34]; ao tôm [35][36], trong đó có nhiều
dòng là Pseudomonas stutzeri, Bacillus sp.. Các nghiên cứu này chủ yếu là
nhận diện vi khuẩn và kiểm tra khả năng nổi trội của chúng khi nuôi trên môi
trường nghèo dinh dưỡng với sự hiện diện của NH4+, NO3-, NO2-.
2.3.2 Vi khuẩn tích lũy polyphosphate
Từ nghiên cứu phân lập đầu tiên của Fuhs và Chen [37] cho rằng các loài

vi khuẩn thuộc giống Acinetobacter được xác định như là dòng vi khuẩn tích

Chuyên ngành Sinh thái học

11

Khoa Khoa học tự nhiên


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học Khóa 18 - 2013

Trường ĐHCT

lũy polyphosphate . Vào những năm 1980, nhiều báo cáo cũng cho rằng sự đa
dạng loài trong giống Acinetobacter trong bùn hoạt tính của các hệ thống xử lý
[38]. Sau đó, Acinetobacter được xem là nhóm vi khuẩn có vai trò chính trong
quá trình loại bỏ phospho bằng sinh học [39, 40, 41, 42, 43, 44]), nhiều nghiên
cứu về các kiểu trao đổi chất phản ánh các đặc tính trao đổi chất của PAOs tập
trung vào nhóm vi khuẩn này [45, 46]. Trong các loài thuộc giống
Acinetobacter, A. Johnsonii cho thấy có khả năng tích lũy lượng lớn
polyphosphate và được xem là loài vi khuẩn kiểu mẫu cho nghiên cứu về quá
trình trao đổi năng lượng, các enzyme chuyển hóa polyphosphate và quá trình
vận chuyển các hoạt chất qua màng tế bào [47]. Bên cạnh đó, thường có sự
khác nhau về thành phần các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế trong các hệ thống
xử lý khác nhau. Sự thể hiện thành phần và tính chất của từng loại nước thải
mà có sự khác biệt trong thành phần của vi khuẩn tích lũy polyphosphate [48,
49, 50]. Trong lớp Actinobacteria các vi khuẩn được xem là vi khuẩn tích lũy
polyphosphate như Arthrobacter sp. [51], Mycobacterium sp. [52].
Khả năng hấp thu orthophosphate và hình thành polyphosphate xảy ra ở
hầu hết các dòng Tetrasphaera. Khả năng hấp thu orthophosphate dưới điều

kiện hiếu khí chỉ xảy ra khi chúng hấp thu nguồn carbon dưới điều kiện kỵ
khí. Nguồn carbon rất đa dạng như amino axít, glucose và acetate. Chúng có
hình dạng rất khác nhau như hình que ngắn, que chia nhánh, hình cầu, hình
sợi.
Ivanov [53] phân tích vi khuẩn loại bỏ phosphate dựa trên khuếch đại và
giải trình tự 16S rRNA bằng cặp mồi 27F và 1492R cho thấy
Stenotrophomonas maltophilia LMG 10989 có khả năng loại bỏ phosphate cao
vừa là giảm hàm lượng Fe với tỉ lệ 0.17 g P/g Fe2+.
Hesselmann [54] đặt tên nhóm vi sinh vật tích lũy polyphosphate là
Candidatus accumulibacter phosphatis hay accumulibacter. Chúng được xem
là nhóm có liên quan trực tiếp đến Rhodocyclus. Các nghiên cứu sau đó cũng
chứng tỏ Accumulibacter rất phổ biến [55]. Trong một số nơi Accumulibacter
chiếm khoảng 90% trong bùn hoạt tính có khả năng loại bỏ phosphate cao.
Sau đó, một số nghiên cứu cũng cho biết, không chỉ có Accumulibacter chứa
hạt polyphosphate (polyphosphate) và một vài nhóm vi khuẩn khác cũng có
như Actinobacter [49].
Auling [56] sử dụng phương pháp DAP để phân tích quần thể vi sinh vật
tích lũy polyphosphate trong hệ thống xử lý nước thải. Bên cạnh Acinetobacter
còn có Pseudomonas sp. và Xanthobacter sp. cũng góp phần quan trọng trong
quá trình EBPR.

Chuyên ngành Sinh thái học

12

Khoa Khoa học tự nhiên