HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

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

HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY
LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY
SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

Khóa luận tốt nghiệp đại học chính quy
Ngành Công nghệ sinh học
(Chương trình đào tạo chuẩn)

Hà Nội - 2019


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

HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY
LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY
SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

Khóa luận tốt nghiệp đại học chính quy
Ngành Công nghệ sinh học
(Chương trình đào tạo chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: TS. Phạm Thế Hải

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp
đỡ và ủng hộ nhiệt tình của nhiều tập thể và cá nhân.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới TS. Phạm
Thế Hải – Bộ môn Vi sinh vật học, Khoa Sinh học, người đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành khóa
luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của ThS. Nguyễn
Thu Thủy, CN. Vũ Hà Phương cùng các bạn thuộc phòng thí nghiệm Bộ môn
Vi sinh vật học và phòng thí nghiệm GREENLAB trong suốt thời gian làm
khóa luận.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô ở bộ môn Vi sinh
vật học cũng như các thầy cô thuộc khoa Sinh học – trường Đại học Khoa học
tự nhiên, ĐHQGHN đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên
môn và tạo điều kiện hết sức cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu
tại trường.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia
đình và bạn bè đã tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ tôi cả về mặt thể chất và
tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản khóa luận này.
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp
đỡ quý báu đó!
Hà Nội, tháng 5 năm 2019


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................... 3

1.1. Thực trạng và nguyên nhân ô nhiễm tại các ao nuôi thủy sản nước
lợ tại 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 ................................................................................................... 4
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng môi trường ao nuôi thủy
sản ......................................................................................................... 5
1.3. Các biện pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ............................... 5
1.3.1. Các phương pháp xử lý cơ học ..................................................... 5
1.3.2. Các phương pháp hóa học............................................................. 6
1.3.3. Các phương pháp sinh học............................................................ 6
1.4. Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực ở đáy (SBES) ............ 8
1.4.1. Giới thiệu chung ........................................................................... 8
1.4.2. Khả năng xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản của SBES ..
..................................................................................................... 10
1.5. Ảnh hưởng của điều kiện ao nuôi trồng thủy sản tới hoạt động của
hệ SBES ................................................................................................ 11
1.5.1. Các chế độ ăn .............................................................................. 11
1.5.2. Các điều kiện sục khí .................................................................. 12
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ................................... 13
2.1. Vật liệu .......................................................................................... 13
2.1.1. Hóa chất, thiết bị ......................................................................... 13
2.1.2. Hệ thống SBES ........................................................................... 14
2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................. 15


2.2.1. Vận hành hệ SBES...................................................................... 15
2.2.2. Phân tích hàm lượng COD [6] .................................................... 16
2.2.3. Phân tích hàm lượng Ni-tơ tổng số [1] ....................................... 17

2.2.4. Phân tích hàm lượng Amoniac [16] ............................................ 18
2.2.5. Phân lập và nuôi cấy vi khuẩn .................................................... 19
2.2.6. Phương pháp tách DNA tổng số của mẫu đa chủng ................... 19
2.2.7. Phương pháp điện di trên gel biến tính (DGGE) ........................ 20
2.2.8. Phân tích số liệu dòng điện ......................................................... 23
2.2.9. Công thức tính hiệu suất ............................................................. 23
2.3. Thí nghiệm .................................................................................... 23
2.3.1. Thí nghiệm đánh giá hoạt động của hệ SBES ở các chế độ cho ăn
..................................................................................................... 23
2.3.2. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện sục khí .............. 23
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................... 24
3.1. Ảnh hưởng của các chế độ cho ăn tới hoạt động xử lý của hệ SBES
....................................................................................................... 24
3.1.1. Dòng điện .................................................................................... 24
3.1.2. Khả năng xử lý COD .................................................................. 24
3.1.3. Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu về Ni-tơ .......................................... 25
3.2. Ảnh hưởng của các chế độ sục khí tới hoạt động xử lý của hệ SBES
....................................................................................................... 26
3.2.1. Dòng điện .................................................................................... 26
3.2.2. Hiệu suất xử lý COD .................................................................. 28
3.2.3. Hiệu suất xử lý amoni ................................................................. 28
3.3.

Ảnh hưởng của các chế độ sục khí tới quần xã vi sinh vật ở đáy...
..................................................................................................... 29

3.3.1. Các vi khuẩn nuôi cấy được........................................................ 29
3.3.2. Kết quả PCR – DGGE phân tích quần xã vi sinh vật ở đáy ....... 30

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 33
PHỤ LỤC.............................................................................................. 36


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BES

Bioelectrochemical system

BOD

Biochemical Oxygen demand

bp

base pair

COD

Chemical oxygen Demand

DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis
DNA

Deoxyribonucleic Acid

FCR

Feed Conversion Ratio

LB

Luria - Bertani medium

MFC

Microbiology fuel cell

PCR

Polymerase chain reaction

rDNA

ribosomal Deoxyribonucleic Acid

SBES

Sediment bioelectrochemical system

TAE

Tris - acetate - EDTA

TN

Total nitogen

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanke


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Tổng sản lượng thủy sản qua các năm (1990 – 2017) [3] ......... 3
Hình 2. Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) [19]
........................................................................................................................... 8
Hình 3. Mô hình hệ thống SBES [13]..................................................... 9
Hình 4. Phân giải tự nhiên trong ao nuôi [20] ...................................... 10
Hình 5. Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22] ..................... 11
Hình 6. Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22] ..................... 11
Hình 7. Vật liệu thiết kế hệ thống SBES [15] ...................................... 13
Hình 8. Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực đáy [15] .............. 15
Hình 9. Cường độ dòng điện của 3 mức độ cho ăn .............................. 24
Hình 10. Hiệu suất xử lý COD ............................................................. 24
Hình 11. Hiệu suất xử lý tổng ni-tơ ...................................................... 25
Hình 12. Hiệu suất xử lý amoni ............................................................ 26
Hình 13. Cường độ dòng điện của hệ SBES trong 3 mức độ cấp khí. . 27
Hình 14. Hiệu suất xử lý COD ............................................................. 28
Hình 15. Hiệu suất xử lý amoni của hệ SBES trong các mức độ cấp khí
......................................................................................................................... 28
Hình 16. Thành phần quần xã của hệ SBES trong các mức độ cấp khí.
......................................................................................................................... 29
Hình 17. Hình ảnh điện di DGGE quần xã vi sinh vật ở anode của hệ
SBES trong thí nghiệm các mức độ cấp khí ................................................... 31


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm ao nuôi ............ 15

Bảng 2. Thành phần môi trường LB 1,5% NaCl .................................. 19
Bảng 3. Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR đoạn 1400bp
......................................................................................................................... 21
Bảng 4. Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR đoạn 550bp
......................................................................................................................... 21
Bảng 5. Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60%................... 22
Bảng 6. Thành phần gel điện di DGGE ................................................ 22


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

MỞ ĐẦU
Ngành nuôi trồng thủy sản mang lại rất nhiều lợi ích cho sự phát triển của
Việt Nam. Nó đã tạo ra việc làm cho hàng triệu công nhân, đáp ứng nhu cầu thực
phẩm trong nước và xuất khẩu đem lại nhiều lợi nhuận đáng kể cho nền kinh tế
quốc dân.
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng và không có kế hoạch của
các khu vực nuôi trồng thủy sản, tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi trồng đang
xảy ra nghiêm trọng, kèm theo bệnh dịch gây thiệt hại rất lớn tới ngành thủy sản.
Vì vậy, việc cải thiện môi trường nuôi thủy sản đang được ưu tiên hàng đầu nhằm
làm giảm các thiệt hại và đảm bảo sản lượng nuôi trồng. Tình trạng ô nhiễm ao
nuôi xảy ra phần lớn là do các chất hữu cơ dư thừa từ thức ăn, phân và các rác thải
đọng dưới đáy ao nuôi. Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá
trình nuôi trồng cũng tồn đọng mà không được xử lý. Sự tích lũy này dẫn đến hình
thành lớp trầm tích đáy ao là nơi sinh sống của rất nhiều nhóm vi sinh vật như
Pseudomonas, Vibrio, Aeromonas, E. coli, …. Trên thực tế có rất nhiều biện pháp
xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi như xử lý đất ngập nước nhân tạo, sục khí, nạo
vét đáy ao được nghiên cứu và áp dụng. Tuy nhiên các phương pháp này có có

những hạn chế như: (i) nước và bùn ao nuôi phải được xử lý riêng dẫn đến việc
phải xây dựng hệ thống xử lý riêng khá phức tạp, và như vậy (ii) quá trình nuôi
trông bị gián đoạn hay (iii) phi phí vận hành cao (đặc biệt với biện pháp sục khí).
Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (BES) để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong
ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn do những ưu điểm
của chúng như: xử lý ô nhiễm tại chỗ, hệ thống đơn giản, tiết kiện chi phí lắp đặt
và vận hành. Điều này là do BES có thể được lắt đặt trong ao nuôi thủy sản để xử
lý các chất ô nhiễm ngay tại chỗ. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý ô nhiễm của hệ thống
sinh điện hóa chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố như: các thông số kĩ thuật của
mô hình lắp đặt (vật liệu, điện trở, khoảng cách điện cực), các yếu tố vận hành
(pH, nhiệt độ, độ ẩm), các điều kiện nuôi trồng thủy sản (chế độ thức ăn, mức độ
cấp khí), … Trong các yếu tố này, chế độ sục khí là một yếu tố quan trọng trong
nuôi trồng thủy sản nhưng ảnh hưởng của yếu tố này tới một BES chưa từng được
nghiên cứu. Để đánh giá được khả năng áp dụng BES trong các ao nuôi thủy sản
thực tế, rõ ràng không thể bỏ qua vấn đề trên.

1


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Đó là lý do chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu: “Hệ thống sinh điện hóa
với điện cực đáy lồng ghép trong mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ: hiệu
quả xử lý ô nhiễm và ảnh hưởng của các chế độ sục khí” được báo cáo trong
khóa luận này.

2

Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.
Thực trạng và nguyên nhân ô nhiễm tại các ao nuôi thủy sản nước
lợ tại Việt Nam
1.1.1. Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay
Sở hữu đường bờ biển dài 3,260km và khu đặc quyền kinh tế với diện
tích 1 triệu km vuông, Việt Nam là một đất nước đầy tiềm năng để phát triển
ngành thủy sản. Trong những năm gần đây ngành thủy sản Việt Nam đã được
đẩy mạnh và đã đạt được những kết quả ấn tượng, đóng góp đáng kể vào tổng
GDP quốc gia.
8000
6000
4000
2000
0

1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997

1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017

Sản lượng (nghìn tấn)

Sản lượng thủy sản

Năm

Hình 1. Tổng sản lượng thủy sản qua các năm (1990 – 2017) [3]

Biểu đồ (Hình 1) cho thấy tiềm năng phát triển sản xuất nuôi trồng thủy

sản ở Việt Nam. Số liệu của Tổng cục thống kê năm 2017 cho thấy, tổng diện
tích nuôi trồng thủy sản cả nước là 1.0728 nghìn ha trong đó diện tích nước
mặn, lợ là 731,9 nghìn ha và diện tích nước ngọt là 319,8 nghìn ha [3]. Có thể
thấy rằng nước ta tập chung chủ yếu vào nuôi trồng thủy sản nước lợ.
Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của các hoạt động nuôi trồng
thủy sản, tình trạng ô nhiễm tại các ao nuôi đang ở mức báo động, các bệnh
dịch trên thủy sản có nguy cơ bùng phát và lan rộng.

3


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện
nay
Hiện môi trường nuôi trồng thủy sản đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm
và dịch bệnh có chiều hướng gia tăng rất khó kiểm soát, đã gây thiệt hại vô
cùng lớn đến ngành thủy sản. Nguyên nhân chính đến từ các chất hữu cơ dư
thừa có nguồn gốc thức ăn chăn nuôi và các rác thải đọng lại dưới đáy ao nuôi.
Ngoài ra còn có các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi
trồng. Việc hình thành lớp bùn đáy do tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn
bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây thối và các vi sinh vật gây bệnh như
Vibrio, Aeromonas, Ecoli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus … cùng
nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [5].
Các chất gây ô nhiễm ao nuôi tích tụ dưới đáy ao chủ yếu là các chất hữu
cơ như lipid, axit béo, phospholipid, sterol, … Sự tích tụ này sẽ làm tăng hàm
lượng ni-tơ (N-NH4, N-NO2, N-NO3) và chất hữu cơ (BOD, COD) [23]. Hai
thành phần dinh dưỡng quan trọng được kết hợp trong thức ăn cho cá là ni-tơ

và phốt pho, rất cần thiết cho sự tăng trưởng của thủy sản. Tuy nhiên, Ackefors
& Enell (1994) ước tính được rằng 72%N và 70%P trong chế độ ăn không được
cá hấp thụ [7]. Việc dư thừa của các chất này gây ra hiện tượng tảo nở hoa hoặc
phú dưỡng dẫn đến thiếu oxy trầm trọng gây ảnh hưởng tới sức khỏe của thủy
sản. Một hệ quả nguy hiểm khác là sự phát triển mạnh của vi sinh vật, trong đó
có các tác nhân gây bệnh gây nên các bệnh dịch.
Ngoài ra sự phân hủy của các chất hữu cơ có thể tạo ra các hợp chất độc
hại cho tôm cá như NH3, H2S, NO2-, … Chất lượng môi trường nuôi kém là
điều kiện rất thích hợp cho dịch bệnh bùng phát, gây hại trực tiếp cho tôm cá
và thiệt hại kinh tế đối với người nuôi trồng thủy sản. Bên cạnh đó, nước từ ao
nuôi được xả thải ra môi trường có thể gây ra những hậu quả ô nhiễm nghiêm
trọng và nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. 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 quan trọng trong việc đảm bảo, nâng cao sản
lượng và chất lượng của thủy sản nuôi trồng.

4


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng môi trường ao nuôi thủy sản
Ô nhiễm môi trường ao nuôi gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến sản
lượng và chất lượng của thủy sản nuôi trồng. Do đó, việc quản lý và đánh giá
chất lượng ao nuôi là một việc rất quan trọng. Hiện nay, chất lượng môi trường
ao nuôi được đánh giá bởi một số chỉ tiêu như nhu cầu oxy hóa học (COD),
hàm lượng Ni-tơ tổng số (TN) và hàm lượng Amoniac.
Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất có trong

nước. Phương pháp phân tích COD là phương pháp được sử dụng rộng rãi để
đo lượng các chất hữu cơ có trong nước một các gián tiếp [6].
Hàm lượng Ni-tơ tổng số (TN) là tổng lượng Ni-tơ có mặt trong tất cả
các hợp chất có chứa Ni-tơ. Trong nước, Ni-tơ có thể tồn tại ở các dạng hợp
chất hữu cơ (axit amin, protein, …) và dạng vô cơ (nitrat, nitrit, amoniac, ure)
[25].
Amoniac tồn tại tỏng nước dưới 2 dạng là NH3 và NH4+, tùy thuộc vào
các yếu tố pH, nhiệt độ và độ mặn. Trong ao nuôi, NH3 là một loại khí độc ảnh
hưởng lớn tới sự sinh trưởng của vinh vật, còn NH4+ tuy không gây độc cho
sinh vật nhưng ở nồng độ cao sẽ dẫn đến hiện tượng nước phú dưỡng [11].
1.3. Các biện pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản
1.3.1. Các phương pháp xử lý cơ học
Các biện pháp vật lý được dùng để loại bỏ các tạp chất không tan. Các
phương pháp này thường được ứng dụng ở giai đoạn đầu của quá trình khi nước
thải được lấy ra từ ao nuôi để tiến hành xử lý và nguyên vật liệu sử dụng là vật
chắn, hệ thống lắng và hệ thống lọc cơ học [14].
1.2.

• Sử dụng vật chắn: Để loại bỏ những vật chất hữu cơ thô, rắn trước các
công đoạn xử lý tiếp theo.

• Sử dụng hệ thống lắng: Thường được sử dụng để tách các vật chất lơ
lửng. Nguyên tắc dựa trên sự khác nhau về trọng lượng của các hạt vật chất lơ
lửng. Quá trình này có thể loại bỏ 90-99% lượng cặn chứa trong nước [2].
• Sử dụng hệ thống lọc: Thường sử dụng để loại bỏ chất cặn lơ lửng còn
sót lại trong nước sau công đoạn lắng, và những vật chất hữu cơ nhỏ đang trong
công đoạn phân huỷ.

5

Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

1.3.2. Các phương pháp hóa học
Các phương pháp này liên quan đến việc sử dụng một số hóa chất đưa
vào môi trường nước thải để gây ra các phản ứng oxy hóa, các quá trình khử
vật chất gây ô nhiễm hoặc trung hòa tạo chất kết tủa. Phương pháp oxy hóa
thường được sử dụng nhiều hơn bởi vì các chất có khả năng oxy rất phổ biến
trên thị trường.
Việc sử dụng ozone để lọc nước và nước thải đã được giới thiệu từ hơn
100 năm trước. Trong nuôi trồng thủy sản, ozone là một chất oxy hóa mạnh,
được ứng dụng trong việc lọc nước, loại bỏ các chất rắn, oxy hóa nitrat và các
hợp chất hữu cơ hòa tan. Mặc dù vậy, một số nhà nghiên cứu không đánh giá
cao việc sử dụng ozone đẻ xử lý môi trường nuôi trồng thủy sản. Bởi vì trong
môi trường này, ozone sẽ tạo ra các hợp chất có hại cho sự sinh trưởng của thủy
sản nuôi trồng [30].
Các quá trình xử lý hóa học đòi hỏi một lượng lớn hóa chất, khó khăn
trong việc định lượng và không phù hợp với xu hướng phát triển trong tương
lai. Do đó, các phương pháp này chỉ được sử dụng trong những trường hợp khi
các tạp chất gây ô nhiễm không thể tách hay xử lý bằng các phương pháp khác.
1.3.3. Các phương pháp sinh học
Các phương pháp sinh học sử dụng để xử lý ô nhiễm chủ yếu tập trung
khai thác những khả năng của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô
nhiễm trong nước.
Việc sử dụng các chế phẩm vi sinh trong nuôi trồng thủy sản diễn ra rất
phổ biến. Các vi sinh vật trong các chế phẩm này thường là những chủng được
chọn lọc có thể phân hủy các chất ô nhiễm rất hiệu quả. Tuy nhiên, với sự tràn
lan của các chế phẩm được bày bán trên thị trường, người nuôi trồng thủy sản

rất khó để có thể tiếp cận được tới những chế phẩm vi sinh thực sự có hiệu quả.
Quá trình phân hủy vi sinh vật hữu cơ và vô cơ trong điều kiệm yếm khí
như với công nghệ UASB kỵ khí [18] cũng được ứng dụng trong xử lý ô nhiễm.
Tuy nhiên, các hệ thống này đều đòi hỏi tiêu tốn năng lượng, các vật liệu không
sẵn có và yêu cầu có sự giám sát của chuyên gia. Do đó, công nghệ này sẽ rất
khó để có thể áp dụng rộng rãi với các ao nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam.
6


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Ngoài ra trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các biện pháp
làm giảm ô nhiễm môi trường nước ao nuôi thủy sản. Từ những năm 1980, các
hệ thống sục khí nhân tạo đã được nghiên cứu và áp dụng để tăng hiệu quả loại
bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và ni-tơ trong các ao nuôi [10]. Tuy nhiên phương
pháp này lại đòi hỏi sự tiêu tốn năng lượng để quay các cánh sục và chi phí bảo
trì. Một số hướng tiếp cận khác cũng được nghiên cứu và áp dụng như hệ xử lý
hóa lý sinh học của Van Riji (1996) với việc sử dụng màng lọc sinh học, đệm
sinh học, đĩa quay sinh học [24] hay hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” [16] do
Lin và các cộng sự đề xuất năm 2002. Mặc dù các hệ thống này đã cho thấy
hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm nhưng tỏ ra phức tạp và tốn kém trong việc
lắp đặt, vận hành và không phù hợp đối với các hộ nuôi trồng nhỏ.
Một trong những hệ thống đang tỏ ra có tiềm năng lớn trong việc xử lý
các vấn đề ô nhiễm chính là các hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical
systems – BESs). Hệ thống sinh điện hóa có đặc tính độc đáo là chuyển đổi hóa
năng từ các hợp chất hữu cơ trong nước thải và bùn đáy thành điện năng hay
sản xuất các sản phẩm sinh học nhờ hoạt động của vi sinh vật ở anode [8]. BES
có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ với lượng bùn thải ra thấp hơn từ 2,4 đến

26,5 lần so với phân giải kị khí bằng bùn hoạt tính tùy thuộc vào chất cho điện
tử (với acetate là 10,6 – 26,5 lần, với glucose là 2,4 – 7,6 lần) [11]. Do đó BES
được sử dụng rộng rãi và trở thành một công nghệ để xử lý nước thải hiệu quả.
Gần đây, một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment
bioelectrochemical system) quy mô phòng thí nghiệm đã được nghiên cứu để
trở thành giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi cá nước ngọt [26]. Đây là một phát
hiện đáng chú ý đối với các bên liên quan đến nuôi trồng thủy sản bởi những
ưu điểm mà hệ thống mang lại như xử lý ô nhiễm tại chỗ, hoạt động đơn giản,
chi phí xây dựng và vận hành thấp.

7


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

1.4. Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực ở đáy (SBES)
1.4.1. Giới thiệu chung

Hình 2. Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) [19]

Ghi chú: Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Water: nước; Sediment: bùn đáy
Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical
system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system (BBES)), được đề xuất
bởi Reimers (2001) hay Sajana (2013) [23, 26],thực chất là một dạng ứng dụng
của pin nhiên liệu vi sinh vật (microbio fuel cell - MFC). Không giống như
MFC, có một màng bán thấm hoặc tấm ngăn cách giữa Anode và Cathode (Hình
2A), SBES dựa vào một thế oxi hóa tự nhiên để ngăn cách Anode và Cathode
(Hình 2B) [8].

Trong mô hình SBES, các vi sinh vật điện hóa được làm giàu ở anode
(điện cực đáy). 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 (Hình 3).

8


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Hình 3. Mô hình hệ thống SBES [13]

Ghi chú: Water: nước; Sediment: bùn đáy; Organic: chất hữu cơ;
Bacteria: vi khuẩn; Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Resistor: điện trở.
SBES đang trở thành một công nghệ thu hút nhiều sự quan tâm của các
nhà khoa học. Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về SBES để khai
thác tiềm năng và tìm ra những hướng ứng dụng của mô hình này trong thực
tiễn. Năm 2012, một nhóm nghiên cứu của Nhật Bản đã chứng minh được khả
năng loại bỏ khí metan. Mặc dù mới chỉ là kết quả ở quy mô phòng thí nghiệm,
những kết quả này đã cho thấy tiềm năng của hệ thống sinh điện hóa với điện
cực đáy trong việc xử lý khí thải trong môi trường tự nhiên đặc biết là khí thải
nhà kính [33].
Một hướng ứng dụng khác của SBES là sản xuất năng lượng dưới dạng
điện năng. Hệ thống này cho phép tạo ra dòng điện trong một thời gian dài từ
những nguồn cơ chất bền vững. Dòng điện tạo ra có thể được cung cấp cho các
thiết bị cảm biến, máy phát dữ liệu, … [12].Tuy nhiên, lượng điện sinh ra từ
thiết bị còn thấp. Các nghiên cứu đã và đang được thực hiện để khắc phục điều

này bằng giải pháp sử dụng các tụ điện và bộ chuyển đổi [28, 31].

9


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

1.4.2.

2019

Khả năng xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản của SBES

Trong các ao nuôi thủy sản, sự phân giải các chất hữu cơ luôn được thực
hiện bởi vi khuẩn, tảo. Thức ăn dư thừa và chất thải được các vi sinh vật trong
ao nuôi sử dụng làm cơ chất để thực hiện trao đổi chất (Hình 4). Tuy nhiên quá
trình này đòi hỏi nhiều thời gian và hiệu quả xử lý không cao.

Hình 4. Phân giải tự nhiên trong ao nuôi [20]

Để cải thiện tốc độ và hiệu suất của các quá trình phân giải tự nhiên trong
ao nuôi thủy sản, các hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) đã được
nghiên cứu và áp dụng.
Nghiên cứu của Song và các cộng sự (2010) chỉ ra rằng sau 2 tháng vận
hành hệ thống sinh điện hóa trong hồ nước ngọt 28,3% lượng các chất hữu cơ
đã được loại bỏ [29].
Năm 2013, Sajana và các cộng sự của mình đã xây dựng một hệ thống
SBES tích hợp trong mô hình ao nuôi thủy sản nước ngọt để đánh giá hiệu quả
xử lý ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản. Kết quả thu được cho thấy 80% COD và
90% tổng ni-tơ đã được loại bỏ trong các mẫu nước ao nuôi cá ở Ấn Độ. Điều

đó chứng minh rằng hệ thống đã xử lý các chất hữu cơ rất hiệu quả [26].
Trong một nghiên cứu khác năm 2014 của Sajana và các cộng sự, ảnh
hưởng của các yếu tố như pH của nước, khoảng cách giữa 2 điện cực đã được
nghiên cứu để đánh giá sự tác động đến hiệu suất xử lý của hệ thống. Ngoài ra
nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc bổ sung chất nền cellulose có thể
làm tăng khả năng loại bỏ COD và ni-tơ của hệ thống [27].
10


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Những nghiên cứu trên cho thấy tiềm năng của viện sử dụng SBES để
cải thiện chất lượng nước ao nuôi. Với những ưu điểm như khả năng xử lý tại
chỗ, tiết kiệm chi phí và vận hành đơn giản, hệ thống này rất phù hợp với các
hộ nuôi trồng thủy sản ở nước ta. Tuy nhiên, những nghiên trên mới chỉ thử
nghiệm trên ao nuôi nước ngọt, trong khi phần lớn mô hình nuôi trồng thủy sản
của nước ta là nước lợ. Tuy nhiên đến nay chưa có nhiều những nghiên cứu
đánh giá hiệu quả hoạt động xử lý ô nhiễm của hệ thống sinh điện hóa trong
mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ.
Ảnh hưởng của điều kiện ao nuôi trồng thủy sản tới hoạt động của
hệ SBES
1.5.1. Các chế độ ăn
Trong quá trình nuôi trồng, những chế độ thức ăn khác nhau sẽ được áp
dụng đối với mỗi độ tuổi của thủy sản. Chính vì vậy lượng chất thải hữu cơ tạo
ra tại mỗi giai đoạn là khác nhau, mà nguyên nhân chính dẫn đến sự ô nhiễm
tại các ao nuôi thủy sản xuất phát từ lượng chất thải hữu cơ tích tụ từ thức ăn
thừa và các chất thải từ thủy sản. Theo ước tính, cứ 100 kg thức ăn đầu vào sẽ
để lại khoảng 70% chất thải hữu cơ với tỉ lệ chuyển đổi thức ăn (FCR) là 1:1

[22]. Rõ ràng lượng thức ăn thừa và chất thải đóng vai trò rất lớn trong hàm
lượng các chất hữu cơ gây ô nhiễm ao nuôi. Tuy nhiên có rất ít những báo cáo
về ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đối với hiệu suất xử lý ô nhiễm
của hệ thống sinh điện hóa trong ao nuôi thủy sản nước lợ.
1.5.

Hình 5. Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22]

11


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

1.5.2.

2019

Các điều kiện sục khí

Hàm lượng oxy trong ao nuôi là một trong những yếu tố quan trọng ảnh
hưởng tới năng suất cũng như chất lượng của thủy sản nuôi trồng [26]. Chính
vì vậy, các biện pháp quạt nước, sục khí trong ao nuôi luôn được áp dụng trong
các mô hình nuôi trồng thủy sản.
Sục khí có tác dụng cung cấp nguồn oxy cho thủy sản, giải phóng khí
độc, điều hòa và cân bằng các yếu tố môi trường trong ao như nhiệt độ, pH, độ
mặn, tảo và các vi sinh vật. Ngoài ra, việc sử dụng các biện pháp sục khí hay
quạt nước còn góp phần tăng tốc độ phân giải các chất hữu cơ tồn đọng, các
chất gây ô nhiễm trong ao nuôi [9].
Nghiên cứu của Sajana và các cộng sự trong mô hình ao nuôi nước ngọt
đã chỉ ra rằng với cùng nồng độ COD ban đầu là 103 mg/L, trong điều kiện sục

khí, nồng độ COD giảm 74% sau 17 ngày và khi không sục khí sau 19 ngày
giảm 72%. Khi với kết hợp hệ thống sinh điện hóa, hiệu suất xử lý COD đạt tới
84% trong điều kiện sục khí. Trong khi đó hiệu quả loại bỏ COD tối đa đạt
được trong điều kiện không sục khí là 73% [26].
Hiệu quả xử lý hàm lượng Ni-tơ tổng số cũng đã được báo cáo trong thí
nghiệm của Sajana. Cụ thể là, trong điều kiện sục khí, hiệu suất xử lý TN đạt
tới 95% và khi không sục chỉ đạt từ 71,7 – 80% [26].
Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có báo cáo nào về ảnh hưởng của việc sục
khí tới hiệu quả hoạt động của hệ thống sinh điện hóa trong ao nuôi nước lợ.

12


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1.
Vật liệu
2.1.1. Hóa chất, thiết bị
Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật học
và phòng thí nghiệm GREENLAB – Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Sự sống,
Khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên.
- Các vật liệu được sử dụng để thiết kế và vận hành hệ thống SBES bao
gồm: bể thủy tinh, que than chì (Trung Quốc), vải than chì (Nhật Bản), bột than
chì (Việt Nam), vụn than chì (Việt Nam), keo Epoxy (Trung Quốc), các loại
điện trở (Việt Nam và Nhật Bản) (Hình 7).

Hình 7. Vật liệu thiết kế hệ thống SBES [15]

Ghi chú: (A) vải than chì (Nhật Bản); (B) thanh than chì (Trung Quốc);
(C) vụn than chì (Việt Nam); (D) bột than chì (Việt Nam); (F) keo Epoxy
(Trung Quốc); (E) Các vật liệu khác: điện trở (10Ω), dây dẫn, ngoàm (Trung
Quốc).
- Các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu: máy đo điện vạn năng
Extech (Hoa Kỳ), máy đo hiệu điện thế tự động KEITHLEY 2700 (Hoa Kỳ),
13


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

lò phản ứng nhiệt khô, máy ly tâm Eppendorf 5417R (Đức), máy đo quang phổ
UV/VIS, cuvet 10mm, máy PCR Eppendorf Nexus GSX 1 (Đức).
- Hóa chất sử dụng cho các thì nghiệm phân tích: Amonium clorua
(NH4Cl), axit sunfuric (H2SO4), bạc sunfat (Ag2SO4), EDTA, kali clorua (KCl),
kali dicromat (K2Cr2O7), kali iotdua (KI), kẽm sunfat (ZnSO4), natri hidroxit
(NaOH), natri thiosunfat (Na2S2O3), thủy ngân iodua (HgI2), thủy ngân sunfat
(HgSO4).
- Hóa chất được sử dụng để vận hành hệ thống bao gồm muối biển nhân
tạo, thức ăn cho tôm Gamma 6 (công ty TOMBOY, Việt Nam).
- Hóa chất sử dụng để phân lập, nuôi cấy vi sinh vật: NaCl, pepton,
agar, cao nấm men
- Hóa chất sử dụng trong các thí nghiệm sinh học phân tử: Acrylamide,
Bis-AA, 50x TAE buffer, Formamide, TEMED (tetramethyl ethylenediamine),
APS (Ammonium persulfate) do hãng Affymetric (USB, Mỹ) cung cấp, bộ hóa
chất sử dụng tách ADN (Glycogen 20 mg/ml, Ethanol 100 %, Ammonium

acetate), phản ứng PCR (USB Taq PCR Master Mix 2x), điện di kiểm tra sản
phẩm PCR (HydraGreen Safe ADN Stain 20.000x, Loading Dye 6x, GeneRuler
1kb ADN Ladder. Tất cả đều được cung cấp bởi Affymetric USB, Merck và
Fermentas (Mỹ).
2.1.2. Hệ thống SBES
Mô hình bể thí nghiệm được thiết kế và lắp đặt như Hình 7. Điện cực
anode được đặt dưới đáy bể và phủ hạt than chì lên trên, điện cực cathode đặt
trên mặt nước. Hai điện cực được nối với nhau bởi bộ góp điện có điện trở để
tạo thành mạch kín. Các điện cực đều được tạo thành từ vật liệu có nguồn gốc
từ cac-bon như que than chì, vải than chì và hạt than chì.

14


Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

Hình 8. Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực đáy [15]

2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Vận hành hệ SBES
Để mô phỏng gần sát với ao nuôi thực tế chúng tôi tính toán lượng thức
ăn Gamma 6 dựa vào thể tích của ao nuôi thực với diện tích mặt S = 1000 m2
và chiều sâu h = 1.3 m so với thể tích các mô hình thí nghiệm.
Bảng 1. Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm ao nuôi

Nội dung

Diện tích(m2)

Độ sâu (m)

Thể tích(m3)

Mô hình thí nghiệm

0.06

0.1

0.006

Ao nuôi thực

0.78

1,3

1.014

Đối với tôm 60 – 65 ngày tuổi, lượng thức ăn trung bình là 22kg / ngày/
1000m2, tương đương 22 g/ m2/ ngày. Lượng thức ăn cho 1,014 m3 (Bảng 1) là:
17,16 g/ngày, cuối cùng lượng thức ăn cho 0,006 m3 mô hình thí nghiệm là:
0,102 g/ ngày. Tương tự như trên, chúng tôi còn vận hành mô phỏng hệ với tôm
76 – 80 ngày tuổi, lượng thức ăn tính toán như trên là: 0,22g/ngày [4].
Tuy nhiên, trong mô hình SBES của chúng tôi không tiến hành nuôi tôm,
nên lượng thức ăn cho vào hàng ngày được tính tương đương với lượng thức
15

Đặng Thế Hiển – K60 Công nghệ sinh học

2019

ăn thừa và lượng chất hữu cơ do sinh vật tạo ra thực tế dựa theo mô phỏng là
50% lượng thức ăn đầu vào. Vì vậy, chúng tôi vận hành bể theo 2 mức thức ăn
là 0,051g/ngày, 0,11g/ngày và 0,153g/ngày tương ứng với 2 độ tuổi của tôm.
Các yếu tố về nhiệt độ, độ ẩm và các thông số của mô hình bể thí nghiệm
như mực nước, độ mặn, độ pH luôn được duy trì.
Phân tích hàm lượng COD [6]
Nguyên tắc: Các hợp chất hữu cơ sẽ bị oxy hóa bởi kali dicromat
(K2Cr2O7) và bạc sunfat (AgSO4) trong môi trường axit ở nhiệt độ cao (150°C
trong 2 giờ). Sau khi phân hủy, mẫu được đo độ hấp thụ quang tại bước sóng
600nm, sau đó giá trị COD của mẫu được tính dựa trên đường chuẩn được thiết
lập trước. Tuy nhiên sự có mặt của ion clorua cao sẽ ảnh hưởng tới kết quả
COD. Vì vậy trước khi tiến hành phân tích mẫu cần loại bỏ sự ảnh hưởng của
ion clorua [34].
Hóa chất:
- Thủy ngân sunfat (HgSO4)
- Dung dịch AgSO4/H2SO4: Cho 10g Ag2SO4 vào 35ml nước cất, sau
đó thêm 965ml H2SO4 96% và để tan hoàn toàn trong 1 - 2 ngày. Bảo quản
trong chai tối màu.
- Dung dịch Kali dicromat (K2Cr2O7): Hoà tan 80g HgSO4 trong 800ml
nước cất, thêm từ từ 100ml H2SO4 96%. Thêm tiếp 11,768g K2Cr2O7 (đã sấy 2h
tại 105°C) vào và khuấy đều đến khi tan hết. Định mức lên 1000ml bằng nước
cất.
- Dung dịch COD chuẩn (500mg/l): Hòa tan hoàn toàn 0,4251g
KC8H5O4 trong 1000ml nước muối biển 20‰ (thay bằng 1000ml nước cất đối
với mẫu bùn)

2.2.2.

Tiến hành:
- Đường chuẩn COD: Chuẩn bị một dãy nồng độ 100, 200, 300,
500mg/l COD tử dung dịch chuẩn. Mẫu trắng được sử dụng là nước muối biển
20‰ đối với mẫu nước hoặc nước cất đối với mẫu bùn.

16