Chi tiết về chu trình Nitơ – Bí mật về khả năng xử lý khí độc trong ao nuôi

Chúng ta thường nghe nói về quá trình nitrat hóa chuyên xử lý NO₂ trong ao nuôi, rồi lại nghe thêm về chu trình nitơ (Nitrogen Cycle) cũng chuyên xử lý NO₂ trong ao nuôi.

Vậy quá trình nitrat hóa và chu trình nitơ có gì khác nhau?

1. Giới thiệu tổng quan – quá trình nitrat hóa và chu trình nitơ có gì khác nhau?

Vi khuẩn nitrat hóa là nhóm các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrat hóa. Hai trong số đó là vi khuẩn Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp.. Đây là hai loài vi khuẩn cực kì quan trọng, góp phần rất lớn trong việc giải quyết 2 loại khí rất độc và rất khó trị trong ao nuôi là NH₃ và NO₂.

Quá trình nitrat hóa cơ bản trong ao nuôi

Khí NH₃ được hình thành từ mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật sau một thời gian phân hủy dưới tác động của các vi sinh vật. Về mặt nguyên lý tự nhiên, khí NH₃ sẽ tự khuếch tán trong nước, thành NH₄⁺ ít độc hơn.

Qua thời gian, Amoni (NH₄⁺) sẽ chuyển hóa thành khí độc NO₂, đây là một loại khí độc rất phổ biến trong ao nuôi, khó xử lý và gây ra nhiều thiệt hại cho người nuôi. Nếu trong nước ao nuôi có nhóm vi khuẩn nitrat hóa thì dưới sự tác động của các nhóm vi khuẩn nitrat hóa, chúng sẽ chuyển hóa NO₂^– thành NO₃^– (ít độc nếu độ mặn đủ cao).

Quá trình diễn ra phản ứng sinh hóa này gọi là quá trình nitrat hóa, phương trình như sau:

NH₄⁺/NH₃ (rất độc) + (Nitrosomonas spp. và Nitrosococcus spp.)

↓

NO₂^– (rất độc) + (Nitrobacter spp. + Nitrospira spp.)

↓

NO₃^– (ít độc)

Nhưng làm sao mà mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật sau một thời gian lại có thể phân hủy thành NH₄⁺?

Như vậy, trước khi xảy ra quá trình nitrat hóa thì đã có rất nhiều thứ khác xảy ra. Và tổng hợp tất cả các quá trình từ lúc các loại cặn, bã xuất hiện cho đến khi chúng tạo thành khí độc và được xử lý triệt để, tất cả được gọi là chu trình nitơ (Nitrogen Cycle).

Hay nói cách khác, nitrat hóa là một phần không thể thiếu của chu trình nitơ

Chu trình Nitơ sẽ hoàn thành trong vòng từ 2 đến 24 tuần, tùy thuộc vào điều kiện môi trường và sự bổ sung 2 loại vi sinh Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp.

Hình dạng của một số loại vi khuẩn nitrat hóa (nguồn: STANLEY W. WATSON)

2. Chi tiết về chu trình nitơ (Nitrogen Cycle)

Trong ao nuôi, các loại tạp chất như mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật luôn tồn tại. Nếu không có gì loại bỏ chúng, chúng sẽ phân hủy và tạo ra độc tố. Chu trình nitơ là một chu trình sinh địa hóa quan trọng sẽ giúp giải quyết vấn đề này.

Một chu trình nitơ đầy đủ (nguồn: science-sparks.com)

Một chu trình nitơ đầy đủ sẽ bao gồm xảy ra qua 4 quá trình chính (Cố định đạm – Amoni hóa – Nitrat hóa – Nitrit hóa), để cụ thể hóa và dễ hình dung hơn, labvn.net sẽ phân theo Wiki, chia thành 6 giai đoạn:

• Cố định đạm (cố định nitơ).
• Đồng hóa nitơ
• Amoni hóa.
• Nitrat hóa
• Khử nitrat (nitrit hóa)
• Ôxy hóa amoni kỵ khí

Chu trình nitơ trong ao nuôi sẽ tập trung chủ yếu ở các giai đoạn Amoni hóa, nitrat hóa và khử nitrat với sự có mặt của 2 loại vi sinh chính là Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp.

2.1. Cố định đạm

Cố định đạm (thường được gọi là cố định nitơ) là quá trình biến đổi nitơ tự do (N₂ ) thành các hợp chất có nitơ. Sản phẩm ban đầu của quá trình này rất đa dạng: có thể là muối NH₃, từ đó tạo nên amoni (NH₄⁺) hoặc nhiều hợp chất khác. Quá trình cố định nitơ trong tự nhiên thường diễn ra theo hai con đường chính:

• Con đường phi sinh học: các phản ứng lí – hoá do tia chớp (sấm sét) và phản ứng quang hoá (cố định N₂ trong không khí).
• Con đường sinh học: do các vi sinh vật đặc biệt (cố định N₂ trong đất, nước, mùn bã hữu cơ, xác tảo, …).

Ở con đường sinh học, các vi sinh vật trong đất tham gia vào hầu hết các phản ứng hóa học trong chu trình nitơ và chuyển nitơ thành các dạng có thể sử dụng được.

2.2. Đồng hóa nitơ

Thực vật lấy nitơ trong đất bằng cách hấp thụ chúng qua rễ cây ở dạng ion nitrat hoặc amoni. Tất cả nitơ mà động vật tiêu thụ có thể quay ngược trở lại làm thức ăn cho thực vật ở một vài giai đoạn trong chuỗi thức ăn.

Thực vật có thể hấp thụ các ion nitrat hoặc amoni từ đất thông qua lông của rễ, đây là quá trình khử đầu tiên là các ion nitrat và sau đó là các amoni cho việc tổng hợp thành amino axit, nucleic axit, và diệp lục. Động vật, nấm, và các sinh vật dị dưỡng khác tiêu thụ nitơ từ việc ăn các amino axit, nucleotide và các phân tử hữu cơ nhỏ khác.

2.3. Amoni hóa (NH₃)

Chất thải từ động vật, thực vật và thức ăn thừa bị vi khuẩn phân giải, giải phóng ra khí độc Amoniac (NH₃) và Amoni (NH₄⁺). Amoniac là khí độc có thể gây hại cho tôm cá, nếu bạn thả tôm cá trong giai đoạn này, tôm cá rất dễ bị nhiễm bệnh. Quá trình này sẽ diễn ra từ 7 đến 10 ngày.

Chu trình bắt đầu ngay khi trong ao xuất hiện các vụn hữu cơ, sản phẩm thu được đầu tiên là Amoniac (NH₃) và Amoni (NH₄⁺). Các NH₃ và NH₄⁺ tích tụ là kết quả của sự phân hủy Ure và Protein (có trong thức ăn và phân của động vật) của vi khuẩn. NH₃ là một loại khí độc có thể dễ dàng hòa tan trong nước, còn NH₄⁺ là một loại muối chỉ độc khi ở nồng độ cao.

Trong điều kiện môi trường ao nuôi, cả hai đều bị chi phối với độ cứng của nước (pH) và nhiệt độ nước. Cụ thể, khi nhiệt độ cao hoặc pH trong bể lớn hơn 7 (nước có tính kiềm), nồng độ NH₃ sẽ cao hơn nồng độ NH₄⁺. Ngược lại, nếu nhiệt độ thấp hoặc môi trường nước có độ pH nhỏ hơn 7 thì NH₃ sẽ được chuyển hóa thành NH₄⁺. Tuy nhiên, độ mặn và mức độ ion hóa trong nước cũng ảnh hưởng đến nồng độ của chúng.

Biểu đồ thể hiện sự liên quan giữa nồng độ NH₃, pH và nhiệt độ (nguồn: thuysinh4u.com)

2.4. Nitrit hóa (NO₂^–)

Một loại vi khuẩn sẽ xuất hiện khi nồng độ Amoniac và Amoni đạt đến đỉnh điểm. Chúng sử dụng một lượng lớn khí Oxy để oxy hóa Amoniac và Amoni tạo ra Nitrit. Lượng Nitrit tạo ra gây nguy hiểm cho cá ngay cả khi chúng ở nồng độ thấp. Giai đoạn này sẽ diễn ra từ ngày thứ 10 đến thứ 20.

Khoảng 10 ngày sau khi chu trình bắt đầu, lượng NH₃ và NH₄⁺ trong bể sẽ giảm đáng kể vì có sự xuất hiện của vi khuẩn Nitrosomonas. Vi khuẩn này sẽ oxy hóa NH₃ và NH₄⁺ để tạo thành nitrit (NO₂^–) và giải phóng H⁺, làm giảm pH.

Nitrosomonas hoạt động mạnh mẽ trong môi trường nhiệt độ từ 25^oC đến 30^oC và độ pH trong nước từ 6.0 đến 9.0 (tối ưu là 7.8 – 8.0). Quá trình oxy hóa của vi khuẩn cần nhiều Oxy (O₂). Vậy nên khi ở giai đoạn này, ao nuôi của bạn phải được cung cấp một lượng O₂ hòa tan đủ lớn (trên 6mg/L), nếu lượng O₂ hòa tan không đủ (thấp hơn 2mg/L) thì chu trình sẽ bị dừng ngay lập tức.

Nitrit (NO₂^–) rất độc ngay cả khi ở nồng độ rất thấp. NO₂ sẽ tiếp tục tăng lên mức 15ppm. Khoảng ngày thứ 25, nồng độ NO₂ sẽ bắt đầu giảm. Vào ngày thứ 30, nồng độ NO₂ sẽ giảm xuống dưới 2 – 3ppm. Sau đó thì sẽ giảm về 0. Đôi khi giai đoạn này có thể kéo dài thêm tối đa 10 ngày nữa.

Sử dụng bộ test chất lượng để theo dõi và kiểm soát nồng độ NO₂ trong nước

2.5. Khử Nitrat (NO₃^–)

Vi khuẩn Nitrobacter xuất hiện sẽ oxy hóa nitrit (NO₂^–) độc hại thành nitrat (NO₃^–) ít độc. Nitrat không gây hại cho tôm cá, nhưng sẽ trở thành chất độc khi đạt đến một nồng độ nhất định. Thay nước là bước cuối cùng bạn phải làm để hoàn thành của chu trình. Khi đó bạn có thể hoàn toàn yên tâm về tôm cá của bạn.

Ngày thứ 20, khi nồng độ NO₂ đạt đến đỉnh điểm, một loại vi khuẩn oxy hóa NO₂ sẽ phát triển, đó là Nitrobacter. Vi khuẩn này giúp chuyển đổi NO₂ thành Nitrat (NO₃^–) và H⁺. Cũng giống như vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter cần một lượng lớn khí Oxy để tiền hành quá trình oxy hóa. Nitrobacter hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ từ 25^oC đến 30^oC và độ pH từ 7.3 đến 7.5.

Khi chỉ số NO₃ bắt đầu tăng thì số lượng vi khuẩn có lợi đã tích tụ trong hệ thống lọc đã ổn định. Nhưng khi nồng độ cao trên 20ppm thì NO₃ sẽ trở thành chất độc. Vào ngày thứ 27 của chu trình, nồng độ NO₃ đang bắt đầu tăng, khi đó bạn cần thay nước (khoảng 40% thể tích nước trong ao nuôi). Lượng nước mới sẽ làm giảm nồng độ NO₃ được sản sinh ra từ quá trình.

Nhiều người chỉ cung cấp vi sinh Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp. mà không thay nước, rồi cứ đinh ninh là đã an toàn (mặc dù đã test nồng độ NO₂ và nhận thấy ao đã hết khí độc). Như đã giải thích, tuy nitrit (NO₂^–) đã được xử lý hết nhưng trong ao vẫn còn nitrat (NO₃^–). Trước mắt là nitrat không gây độc nhưng nếu cứ tích tụ lâu dần thì khi đạt tới nồng độ nhất định, nitrat (NO₃^–) vẫn có thể độc chết tôm cá như thường.

Biểu đồ nghi chép lại nồng độ của Amoniac, Nitrit và Nitrat theo từng ngày trong quá trình thực hiện chu trình Nitrogen cho một bể cá (nguồn: thuysinh4u.com)

Ở môi trường nước mặn thì có một chút khó khăn hơn. Nghĩa là chu trình Nitơ sẽ phải tiếp diễn đến khi nồng độ NO₃ có dấu hiệu suy giảm (ngày thứ 35). Đó là thời điểm mà nhóm vi khuẩn khử Nitrat bắt đầu hình thành trong live rock (đá sống – đá chứa vi sinh). Nhóm vi khuẩn này có khả năng khử NO₃ tạo ra N₂ dạng khí và nước (H₂O). Thay nước khi nồng độ NO₃ bắt đầu giảm để kết thúc chu trình Nitơ.

Hai loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter đều sử dụng đến khí Ôxy để thực hiện quá trình oxy hóa vậy nên chúng được xếp vào nhóm vi khuẩn hiếu khí.

Chu trình Nitơ hoàn toàn có thể đẩy nhanh khi sử dụng một số loại men vi sinh vì chúng cung cấp cho bể một hệ vi khuẩn và nguồn thức ăn có sẵn. Thời gian diễn ra chu trình rút ngắn xuống chỉ còn 2 tuần nếu chất lượng vi sinh tốt và được bổ sung thường xuyên (theo hướng dẫn của nhà sản xuất). Một trong những vi sinh đó có thể là Rhodopseudomonas palustris hoặc Bacillus subtilis.

Xem thêm Rhodopseudomonas palustris – Sức mạnh của vi khuẩn quang dưỡng trong thủy sản

Xem thêm Bacillus subtilis – Sức mạnh của trực khuẩn trong thủy sản

2.6. Ôxy hóa amoni kỵ khí

Trong quá trình này, nitrit và amoni bị biến đổi trực tiếp thành khí nitơ. Quá trình này tạo nên phần lớn nitơ trong đại dương.

NH₄⁺ + NO₂^– → N₂ + 2H₂O

Chu trình Nitơ trên cạn và dưới nước (nguồn: pinterest.com)

3. Ứng dụng chu trình nitơ trong việc xử lý khí độc trong môi trường ao nuôi

Chu trình nitơ trong ao nuôi sẽ tập trung chủ yếu ở các giai đoạn Amoni hóa, nitrat hóa và khử nitrat (mục 1.3, 1.4, 1.5) với sự có mặt của 2 loại vi sinh chính là Nitrosomonas và Nitrobacter. Dựa trên quy trình trên, không khó để chứng minh nitrosomonas và nitrobacter là những chiến thần diệt khí độc NO₂.

Hiện nay nitrosomonas và nitrobacter được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước (nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt và nước thải từ nuôi trồng thủy sản). Trong nuôi trồng thủy sản, nhóm vi khuẩn nitrate hóa được sử dụng rất phổ biến trong lãnh vực sản xuất giống thủy sản và nuôi thủy sản thâm canh.

Quy trình sản xuất được thực hiện thông qua hệ thống lọc sinh học tuần hoàn, nước thải từ các bể ương nuôi tôm cá chứa hàm lượng NH₃ (do tôm cá bài tiết ra) được đưa vào bể lọc sinh học để xử lý. Trong bể lọc sinh học, vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa NH₄⁺ thành NO₂^– (giai đoạn nitrit hóa), kế đến vi khuẩn Nitrobacter chuyển hóa NO₂^– thành NO₃^– (giai đoạn nitrat hóa).

Nước sau khi xử lý qua bể lọc sinh học hoàn toàn không độc cho tôm cá và được được tái sử dụng để ương nuôi tôm cá (đưa trở lại bể ương nuôi).

Trong suốt quá trình nuôi, nước sẽ tuần hoàn trong một hệ thống kín và hoàn toàn không thay nước, chỉ có một lượng nhỏ nước mới được cấp thêm vào hệ thống đề bù đắp cho lượng nước hao hụt do bốc hơi. Hệ thốc lọc sinh học tuần hoàn (Recirculating Aquaculture Systems – RAS) được mô tả qua sơ đồ sau:

Hệ thống lọc sinh học tuần hoàn (nguồn uv-vietnam.com.vn)

Hiện nay, các nước phát triển đã ứng dụng rất thành công quy trình lọc sinh học tuần hoàn trong sản xuất thâm canh cá trê phi, cá chình, cá hồi và cá bơn và cả cá rô phi. Năng suất nuôi cá trê phi có thể đạt 500kg/m³/vụ, cá chình khoảng 600kg/m³/vụ và cá rô phi là 140kg/m³/vụ.

Ở Việt Nam, quy trình lọc sinh học tuần hoàn được áp dụng phổ biến trong các trại sản xuất giống tôm càng xanh và tôm sú, đặc biệt là các trại giống ở vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long.

Những lợi ích của quy trình sản xuất này gồm:

• Quy trình sản xuất dựa hoàn toàn vào nhóm vi sinh vật tự nhiên nên không sử dụng hóa chất, kháng sinh nên sản phẩm đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm thủy sản.
• Do quá trình sản xuất trong hệ thống kín nên hạn chế được dịch bệnh.
• Không thay nước nên không gây ô nhiễm môi trường.
• Lượng nước sử dụng trên một đơn vị sản phẩm thấp.
• Chi phí công lao động thấp.

Mặc dù mới chỉ mới được ứng dụng trong lãnh vực sản xuất giống, nhưng nhóm vi khuẩn nitrate hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter…) đã mang lại lợi ích thiết thực cho nghề nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam. Nhóm vi khuẩn này còn có nhiều triển vọng cho sự phát triển nuôi thủy sản thâm canh trong tương lai.

Thông tin chi tiết vui lòng liên hệ:

Hotline/Zalo: 08888 3 15 17   |     Email: labvn.net@gmail.com

LabVN - Chuyên vật tư, dịch vụ và vi sinh thủy sản

Rhodobacter sp.

Lactobacillus sp.

Bacillus sp.

Lactacin

All.Zyme

Bac.Yu