Kỹ Thuật Nuôi, Tin tức

Phần 1: Thu Hồi Chất Dinh Dưỡng Lãng Phí Từ Nuôi Tôm Thông Qua Nuôi Kết Hợp Polychaetes Và Halophytes

Nghiên cứu này đánh giá hoạt động xử lý sinh học và sản xuất sinh khối của ba sinh vật chiết xuất hữu cơ: hai loài giun nhiều tơ (Arenicola marina và Hediste diversicolor) và một loài cây halophyte (Salicornia ramosissima) trong môi trường IMTA. Thử nghiệm được thực hiện ngoài trời sử dụng nước thải giàu dinh dưỡng từ một trang trại nuôi tôm với hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn. Hiệu quả xử lý sinh học tương tự nhau giữa hai hệ thống nuôi cấy sử dụng một bể nuôi ghép đơn (1 T) hoặc hai bể nuôi riêng biệt (2 T; ≈ 0,3 và 0,6 m2 diện tích hoạt động), với mức giảm 74–87% đối với chất hữu cơ dạng hạt ( POM), 56–64% đối với nitơ vô cơ hòa tan (DIN) và 60–65% đối với phốt pho vô cơ hòa tan (DIP). Hediste diversicolor thích nghi tốt với điều kiện nuôi cấy, đạt mật độ lên tới 5.000 ind./ m2 (≈ 78–98 g/m2). Arenicola marina không thể đối phó với nhiệt độ nước vượt quá giới hạn nhiệt của loài, cho thấy tỷ lệ sống < 10% (20°C thường được coi là ngưỡng nhiệt tối đa đối với loài này). Năng suất của S. ramosissima ở 1 T gấp khoảng hai lần so với 2 T (≈ 150–170 và ≈ 60–90 g FW/ m2 sinh khối ăn được trên mặt đất). Màu hơi vàng của cây có thể do quá trình oxy hóa hóa học và xử lý sơ bộ bằng phương pháp lọc cát nhanh áp dụng cho nước ngầm lợ được sử dụng trong cơ sở nuôi trồng thủy sản, loại bỏ sắt (và có thể cả các nguyên tố thiết yếu khác). Nhìn chung, hệ thống 1T kết hợp H. diversicolor và S. ramosissima cho thấy hiệu suất xử lý sinh học và sản xuất sinh khối tốt nhất, đồng thời giảm một nửa diện tích hoạt động cần thiết cho mô hình IMTA này.

Nuôi trồng thủy sản đa dinh dưỡng tổng hợp (IMTA) là một phương pháp tiếp cận dựa trên hệ sinh thái, nơi các loài ở các cấp dinh dưỡng khác nhau được nuôi chung trong cùng một khu vực. Mục tiêu của IMTA là tối đa hóa khả năng tái sử dụng chất dinh dưỡng trong hệ thống sản xuất, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường của hoạt động nuôi trồng thủy sản. Nuôi trồng thủy sản nước mặn (bao gồm biển và nước lợ) đóng vai trò quan trọng trong ngành thủy sản, chiếm 56% và 46% về tổng khối lượng và giá trị sản xuất toàn cầu (tương ứng hơn 114 triệu tấn và 263 tỷ USD). Tuy nhiên, hoạt động này cũng tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường do chất thải từ các trang trại nuôi trồng thủy sản. Hạn chế này có thể được khắc phục nếu lượng chất dinh dưỡng dư thừa đó được chiết xuất, ví dụ, thông qua xử lý sinh học, từ nước thải nuôi trồng thủy sản nước mặn.

Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn hiện đại (RAS) cho phép nuôi các loài nước mặn ở bất kỳ địa điểm nào. Tuy nhiên, việc quản lý và xử lý nước thải giàu dinh dưỡng là một vấn đề cần được giải quyết. Các chất dinh dưỡng trong nước thải nuôi trồng thủy sản, bao gồm chất hữu cơ dạng hạt (POM), chất hữu cơ hòa tan (DOM) và dưới dạng chất dinh dưỡng vô cơ hòa tan (DIN). IMTA sử dụng các sinh vật sản xuất sơ cấp (vi tảo, rong biển, halophytes) và các loài ăn cặn (giun nhiều tơ, động vật hai mảnh vỏ) để thu hồi dinh dưỡng từ nước thải. Việc tích hợp các loài từ các bậc dinh dưỡng khác nhau trong cùng hệ thống IMTA giúp thu hồi hiệu quả cả DIN và POM. Hầu hết các thiết kế IMTA hiện nay nuôi các loài khác nhau trong các bể riêng biệt, dẫn đến diện tích hoạt động lớn. Đây là một rào cản cho việc áp dụng IMTA rộng rãi. Để giảm thiểu diện tích hoạt động cần thiết, cần nỗ lực phát triển các thiết kế IMTA để có thể sản xuất các loài chiết xuất khác nhau bằng cách sử dụng các phương pháp đổi mới.

Một thách thức lớn đối với hệ thống nuôi trồng thủy sản RAS hiện đại là sử dụng nước ngầm nhiễm mặn thường siêu bão hòa với nitơ, argon và carbon dioxide. Các hợp chất này có hại cho các loài cá có vây và động vật giáp xác được nuôi, vì vậy cần phải loại bỏ chúng trước khi đưa nước vào hệ thống. Quá trình này có thể loại bỏ các vi chất dinh dưỡng cần thiết cho các loài chiết xuất như halophytes.

Giun polychaete, chẳng hạn như Hediste diversicolor và Arenicola marina có thể giúp thu hồi các chất dinh dưỡng lãng phí từ POM có trong nước thải nuôi trồng thủy sản, các loài halophyte như Salicornia ramosissima có thể giúp thu hồi các chất dinh dưỡng vô cơ hòa tan (chủ yếu là nitơ và phốt pho). Do đó, nghiên cứu này đã đánh giá hiệu suất xử lý sinh học và sản xuất sinh khối của nuôi cấy kết hợp polychaetes và halophytes, cụ thể là A. marina và S. ramosissima (Amar + Sram) và H. diversicolor và S. ramosissima (Hdiv + Sram) bằng cách sử dụng nước thải từ hệ thống RAS tôm được vận hành bằng nước ngầm mặn đã được xử lý trước (khoảng 20 g/ L muối). Các thiết kế IMTA khác nhau này đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng các khu vực hoạt động khác nhau được chỉ định là bể nuôi ghép đơn (1 T) và hai bể nuôi riêng biệt ở cấp độ dinh dưỡng (2 T) (lần lượt là 0,3 và 0,6 m2 diện tích hoạt động).

Nguyên liệu và phương pháp

Các loài khai thác được lựa chọn

Tất cả các loài khai thác được thử nghiệm trong nghiên cứu hiện tại bao gồm giun Polychaete H. diversicolor, Polychaete A. marina, Salicornia ramosissima đều có thể dễ dàng thu thập và rất phong phú tại địa điểm nghiên cứu, đầm phá ven biển Ria de Aveiro (Bồ Đào Nha 40°44′21.1″N 8°39′ 40.1″ W).

Giun Polychaete. Polychaete H. diversicolor, thường được gọi là giun phấn, phân bố rộng rãi dọc theo vùng biển nông và nước lợ của các cửa sông châu Âu và Bắc Mỹ. Sự sinh sản của loài này kéo theo cái chết của giun bố mẹ (loài giống). Quá trình trưởng thành mất từ 1 đến 2 năm trước khi sinh sản. Nó được coi là loài săn mồi tích cực thể hiện thói quen ăn tạp, được xếp vào nhóm chức năng giun nhiều tơ ăn ký sinh. Khả năng xáo trộn sinh học và sinh khối có giá trị cao (giàu axit béo thiết yếu) khiến loài polychaete này trở thành loài thích hợp cho IMTA.

Polychaete A. marina, thường được gọi là giun lugworm, phân bố rộng rãi ở các bờ biển phía tây bắc châu Âu, từ Quần đảo Anh đến Bán đảo Iberia, với giới hạn phân bố phía nam của nó là gần 40° N61. Loài này sinh sản nhiều lần trong suốt vòng đời (loài lưỡng tính) đạt đến độ trưởng thành về giới tính ở 2–3 tuổi, tách giới tính và thực hiện thụ tinh bên ngoài, với các quần thể khác nhau giải phóng trứng và tinh trùng trong khoảng thời gian đồng bộ là 2 tuần kéo dài từ Tháng 10 đến tháng 11. Nó ăn các mảnh vụn và vi sinh vật có trong trầm tích, để lại một vết lõm đặc trưng trên đỉnh trầm tích (“lỗ thổi”). Trong tự nhiên, những polychaetes này có thể đạt mật độ từ 100–150 ind./ m2 và chịu được độ mặn từ 12 đến 35. Con trưởng thành có thể đạt chiều dài từ 120 đến 200 mm, giun lug worm được coi là mồi cao cấp cho người câu cá và được xem như một chất thay thế đầy hứa hẹn cho máu người và sử dụng trong các giải pháp bảo quản nội tạng) khiến loài polychaete này trở thành một loài thực vật ứng cử viên đầy triển vọng cho IMTA.

Cây halogenua. Salicornia ramosissima là một loại cây halophyte thường được gọi là samphire xanh, phân bố rộng rãi ở các vùng đầm lầy muối ở bán đảo Iberia, miền tây nước Pháp và Serbia. Những loại cây này được coi là một sản phẩm dành cho người sành ăn với các đầu cành tươi khi loại cây này cũng được sử dụng để khử nước và nghiền thành các chế phẩm có thể thay thế muối truyền thống như muối xanh. Thành phần dinh dưỡng của S. ramosissima phù hợp cho con người sử dụng, cho thấy hàm lượng protein cao (5,20 g/100 g DW), axit béo không bão hòa đa n-3 và n-6 (chủ yếu là axit α-linolenic và linoleic) và khoáng chất (như natri, kali, canxi, magie, sắt và mangan). Những cây này cũng thể hiện khả năng chống oxy hóa và chống viêm đáng kể do tổng hàm lượng phenolics. Ngoài ra, hạt Salicornia spp. chứa hàm lượng dầu và protein đáng kể (ví dụ hạt Salicornia bigelovii có 26–33% dầu và 31% protein). Cây trồng cho dầu rất quan trọng đối với tăng trưởng kinh tế của ngành nông nghiệp, với nhiều axit béo có trong hạt giống cây trồng đang được yêu cầu cao cho một số ngành công nghiệp (ví dụ: nhựa, dệt may, dược phẩm, mỹ phẩm). Tiềm năng xử lý sinh học được thể hiện bởi Salicornia spp. liên quan đến tiềm năng tạo ra sinh khối khai thác có giá trị khiến những loài thực vật này trở thành ứng cử viên chính cho IMTA.

Thiết kế IMTA

Nghiên cứu hiện tại được thực hiện từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2018 tại RiaSearch Lda. (Bồ Đào Nha), sử dụng RAS để nuôi tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) và vận hành bằng nước ngầm nước lợ đã được xử lý trước thông qua quá trình oxy hóa hóa học và lọc cát nhanh để loại bỏ sắt. Tôm được cho ăn 2 lần/ ngày với khẩu phần ăn thương mại dành cho cá dẹt có 62% protein thô, 18% chất béo thô và 0,3% chất xơ thô (WINFlat—SPAROS). Thức ăn thừa và phân được hút từ bể nuôi được thu thập và tập trung vào một bể chứa (130 L) được trang bị một máy bơm được lập trình để hoạt động 5 phút/ giờ nhằm thúc đẩy quá trình đồng nhất hóa và tránh điều kiện yếm khí. Nước tập trung trong hồ chứa này được bổ sung 3 ngày/ lần vào bể chảy ra (0,34 m3), từ đó nó được bơm qua tháp nhỏ giọt bằng nhựa lắp đặt phía trên bể chảy vào (0,34 m3). Từ bể cấp nước này, nước được dẫn đến các bể nơi thực hiện các thiết kế IMTA khác nhau sử dụng bộ lọc cát hỗ trợ polychaete (PASF) và halophytes trong aquaponics.

Hình 9. Sơ đồ biểu diễn (1a) và phân bố (1b) của các thiết kế IMTA khác nhau được thử nghiệm trong nghiên cứu này bằng cách sử dụng các loài chiết xuất polychaetes (Arenicola marina—Amar—và Hediste diversicolor—Hdiv) và halophytes (Salicornia ramosissima—Sram) được nuôi cấy trong cùng một bể (1 T—thiết kế A và C) hoặc trong hai bể riêng biệt (2 T—thiết kế B và D): (A) 1 T Amar + Sram; (B) 2 T Amar + Sram; (C) 1 T Hdiv + Sram; (D) 2 T Hdiv + Sram; và (E) bể đối chứng.

Sơ đồ biểu diễn các thiết kế IMTA khác nhau được thử nghiệm trong nghiên cứu nàyđược hiển thị trong Hình 9a. Các mẫu 1TAmar + Sram và 2TAmar + Sram được thả chứa polychaete A. marina và halophyte S. ramosissima, trong khi các mẫu 1 T Hdiv + Sram và 2 T Hdiv + Sram được thả chứa polychaete H. diversicolor và halophyte S. ramosissima. Các thiết kế với polychaetes và halophyte nuôi cấy 1 T trong cùng một bể (diện tích hoạt động ≈ 0,3 m2), với rễ của S. ramosissima được duy trì trong cột nước của PASF. Thiết kế 2 T nuôi cả hai loài khai thác trong các bể riêng biệt (diện tích hoạt động ≈ 0,6 m2) với nước đi qua lớp cát sau đó được dẫn đến thiết bị aquaponics. Trong thiết kế 1 T, nước chảy vào bể PASF thông qua một đường ống có đáy kết thúc thấp hơn tấm đỡ halophyte 0,1 m để bảo vệ rễ khỏi các chất hữu cơ dạng hạt và cũng được áp dụng tương tự trong thiết kế 2 T. Mỗi thiết kế đều được đánh giá bằng cách sử dụng 5 lần lặp lại, được phân bổ như được trình bày trong Hình 9b. 5 đơn vị đối chứng không có polychaetes và halophyte cũng được đưa vào thiết kế thử nghiệm. Mỗi bể PASF có thể tích 0,05 m3 và diện tích bề mặt 0,3 m2 và được hình thành bởi cột cát 150 mm (cỡ hạt 0,5–0,7 mm) ở đáy bể và cột nước bề mặt 150 mm. Những bể này được trang bị một ống thoát nước ở đáy để cho phép nước thấm hoàn toàn qua cột cát. Bể aquaponic được sử dụng trong thiết kế 2 T có thể tích nước là 0,05 m3 và diện tích bề mặt là 0,3 m2. Mỗi bể chứa các thiết kế IMTA khác nhau được thử nghiệm nhận được dòng nước liên tục 25 L/giờ, với nước chảy ra được chuyển hướng đến bể chảy ra chung và được tuần hoàn. Hệ thống được lắp ráp để thực hiện nghiên cứu này có tổng thể tích là 2 m3 và mỗi tuần, khoảng 3% thể tích này được bổ sung dưới dạng nước ngọt để bù đắp cho lượng thất thoát do bay hơi.

Nuôi cấy và giám sát các loài chiết xuất IMTA.

Bể nuôi được cấy với mật độ thả ban đầu là ≈ 67 con/ m2 A. marina và 290 con/ m2 của H. diversicolor (≈ 130 g FW/ m2 đối với cả 2 loài polychaete) và được phân phối ngẫu nhiên 15 ngày trước khi bắt đầu thí nghiệm để thích nghi.

Hạt giống của các cây S. ramosissima được gieo vào khay chứa hỗn hợp xơ dừa và cát và luôn được để ngoài trời trong điều kiện nhiệt độ và quang kỳ tự nhiên. Trong 3 tháng, xơ dừa được duy trì độ ẩm thông qua tưới bằng nước lợ đã được xử lý trước bằng quá trình oxy hóa hóa học và lọc cát nhanh nước biển ở độ mặn 20 g/ L. Sau giai đoạn này, các cây có trọng lượng tương tự (0,5–0,6 g) được chọn ngẫu nhiên và phân bổ trên mỗi bể của các thiết kế IMTA khác nhau (25 cây trên mỗi bể = 83 cây/ m2) để bắt đầu 2 tuần thích nghi.

Cây trồng trong aquaponics được thu hoạch 60 ngày sau khi bắt đầu thí nghiệm để xác định tổng sinh khối thực vật, cũng như sinh khối ăn được trên mặt đất (chồi) và sinh khối dưới mặt đất (rễ). Do việc phát hiện ấu trùng H. diversicolor trong PASF 60 ngày sau khi bắt đầu thí nghiệm, thời gian thử nghiệm được kéo dài thêm 60 ngày nữa (tổng cộng là 120 ngày) nhưng không có bất kỳ loài chịu mặn nào. Trong 60 ngày bổ sung này, việc bổ sung nước giàu dinh dưỡng cũng như tất cả các hoạt động theo dõi và bảo dưỡng đều được thực hiện chính xác như trong 60 ngày đầu tiên. Vào cuối thí nghiệm (120 ngày), toàn bộ cột cát của mỗi PASF được sàng và vận chuyển ngay đến phòng thí nghiệm trong điều kiện lạnh để phân loại, đếm và cân.

Giám sát IMTA

Trong toàn bộ thời gian thí nghiệm, độ pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO) và độ mặn được theo dõi hàng tuần và các mẫu nước được thu thập sau 15, 30, 45, 60, 90 và 120 ngày kể từ ngày bắt đầu thí nghiệm. Các mẫu nước đi vào tất cả các thiết kế IMTA được thu thập sau khi nước giàu dinh dưỡng chứa trong bể chứa đã được thêm vào bể chảy ra và được đồng nhất hóa trong ít nhất 20 phút trước khi cấp vào bể chảy vào (tổng thể tích nước giàu dinh dưỡng = 0,68 m3). Các mẫu nước thoát ra theo thiết kế 1 T và 2 T được thu thập lần lượt là 2 và 4 giờ sau khi bổ sung nước giàu dinh dưỡng. Phân tích nước được thực hiện bằng máy phân tích dòng chảy liên tục tự động (Skalar San ++) để xác định TN, TP, NH4 -N, NOx-N và PO4-P. Các bộ lọc chứa SPM được xử lý theo phương pháp EPA 160.2. Các mẫu từ bể điều khiển không được xem xét vì trong thời gian nghiên cứu, cát ở đáy các bể này bị tắc do vật liệu dạng hạt và nước tràn vào. Các mẫu trầm tích từ mỗi bộ lọc cát được thu thập ba lần vào lúc bắt đầu và kết thúc thí nghiệm để xác định hàm lượng chất hữu cơ (OM) trong trầm tích bằng cách sử dụng phương pháp đốt cháy (LOI%; đốt trong 5 giờ ở 450°C chất nền được sấy khô trước đó ở 90°C, cho đến khi đạt được trọng lượng không đổi).

Xác định sắc tố quang hợp của loài Salicornia ramosissima

Các mẫu từ phần trên không ăn được của S. ramosissima (n = 5) được thu thập từ bốn thiết kế IMTA sau 60 ngày. Các mẫu cũng được thu thập từ các thực vật được sử dụng khi bắt đầu thí nghiệm (n = 5) và từ các loài cùng loài được thu thập từ tự nhiên (n = 5). Tất cả các mẫu được đông lạnh trong nitơ lỏng và giữ ở -80°C cho đến khi đông khô. Các mẫu được nghiền bằng cối và chày và cân 7–8 mg cho vào ống Eppendorf. Các sắc tố được chiết xuất bằng cách sử dụng 0, 5 mL metanol đệm lạnh 95% (2% amoni axetat), sau đó siêu âm 45 giây và ủ 20 phút ở -20°C trong bóng tối. Dịch chiết được lọc qua bộ lọc màng PTFE 0,2 μm và 50 µL ngay lập tức được tiêm vào hệ thống HPLC bằng máy dò mảng photodiode SPD-M20A (Shimadzu, Kyoto, Nhật Bản). Việc phân tách sắc ký được thực hiện bằng cột Supelcosil C18 (dài 25 cm; đường kính 4,6 mm; hạt 5 µm; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA). Các sắc tố được xác định từ quang phổ hấp thụ và thời gian lưu cũng như nồng độ được tính toán bằng phương trình hồi quy tuyến tính thu được từ các chất chuẩn tinh khiết (DHI, Hørsolm, Đan Mạch).

Phân tích thống kê

Phân tích phương sai hai chiều (ANOVA) được sử dụng để đánh giá sự khác biệt đáng kể giữa các thiết kế IMTA khác nhau (1 T và 2 T) và các loài polychaete khác nhau (A. marina và H. diversicolor). Phân tích phương sai (ANOVA) được sử dụng để đánh giá sự khác biệt giữa các nguồn sinh khối khác nhau (S. ramosissima được nuôi trong thiết kế 1 T và 2 T, ở các cây ban đầu được thả trong hệ thống thí nghiệm và các loài cùng loài được thu thập từ tự nhiên). Thử nghiệm của Anderson, Darling, Bartlett’s và Levene được sử dụng để kiểm tra tính quy phạm và tính đồng nhất của phương sai. Các bài kiểm tra HSD của Tukey post-hoc để so sánh các phương tiện riêng lẻ. Dữ liệu biến đổi Johnson được sử dụng khi điều kiện chuẩn không được xác minh. Sự khác biệt đáng kể luôn được xem xét ở mức p < 0,05.

Theo Daniel Jerónimo, Ana Isabel Lillebø, Javier Cremades, Paulo Cartaxana1 & Ricardo Calado

Nguồn: https://www.academia.edu/112927929/Recovering_wasted_nutrients_from_shrimp_farming_through_the_combined_culture_of_polychaetes_and_halophytes

Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Bình Minh Capital

Xem thêm:

You cannot copy content of this page