Hiểu sâu về chất nền carbon trong hệ thống biofloc

Phân loại, tác dụng và ảnh hưởng khi bổ sung chất nền carbon từ nguồn carbon khác nhau đến chất lượng nước và dinh dưỡng của hệ thống biofloc.

Lựa chọn chất nền carbon có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước và dinh dưỡng trong BFT.

Đối với các hệ thống nuôi trồng thủy sản dựa trên công nghệ biofloc (BFT), hầu hết chất thải được chuyển đổi thành khối vi sinh thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ C/N. Sinh khối vi sinh này như nguồn protein thứ cấp cho động vật thủy sản. Carbon hữu cơ cung cấp năng lượng cho các vi khuẩn dị dưỡng phát triển và nhân lên. Tỷ lệ C/N trong chất nền biofloc nằm trong khoảng từ 10 đến 20 được coi là tối ưu để vi khuẩn dị dưỡng đồng hóa NH4-N. 

Cho đến nay, rất nhiều chất nền carbon hữu cơ đã được sử dụng để tăng tỷ lệ C/N trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản BFT. Các chất nền biofloc này có thể được phân loại dựa trên các thành phần hóa học hoặc tốc độ giải phóng DOC vào nước.

Phân loại dựa trên thành phần hóa học Carbohydrate 

Carbohydrate có lẽ là nguồn carbon hữu cơ dồi dào nhất đối với hầu hết các vi khuẩn dị dưỡng. Glucose, sucrose, tinh bột, mật rỉ đường và xenluloza là những cacbohydrat điển hình bao gồm các nguyên tử carbon, hydro và oxy. So với các nguồn cacbon hữu cơ khác, glucose (C6H12O6) và dextrose có thể bị hạn chế ở quy mô công nghiệp vì chúng tương đối đắt. Sucrose (C12H22O11) có ở hầu hết các loài thực vật, và đã chứng tỏ thành công trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn đồng hóa NH4-N.

Có các loại carbohydrate phức hợp khác trong hệ thống nuôi trồng thủy sản BFT bao gồm tinh bột, mật đường và chất thải. Tinh bột (C6H10O5)n được sử dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản BFT thường đến từ ngô, lúa mì, khoai lang hoặc tinh bột sắn. Rỉ đường là một loại cacbon hữu cơ ít tốn kém hơn cũng đã được chứng minh để có hiệu quả trong việc kích thích sự đồng hóa của NH4-N. Các nguồn giàu xenluloza tự nhiên, như rơm cắt nhỏ, cũng đã được chứng minh là có thể kiểm soát NH4-N trong hệ thống nuôi trồng thủy sản BFT một cách hiệu quả. Ngoài ra, những vật liệu giàu xenluloza này không cần bổ sung thường xuyên do đó ít tốn kém hơn.

Do khả năng khử ở mức độ cao hơn, Glycerol (C3H8O3) được coi là một nguồn carbon tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất bioflocs. Là một nguồn cacbon dễ phân hủy sinh học, natri axetat (CH3COONa) cũng được sử dụng cho các hệ thống nuôi trồng thủy sản BFT trong một số nghiên cứu. 

Polyme phân hủy sinh học (BDPs) là các loại polyme có khả năng bị phân hủy trong tự nhiên do các tác động của các loại vi sinh vật như các vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn và các enzyme. Polyhydroxyalka-noate (PHA), poly (3-hydroxybutyrat) (PHB), polycapro- lacton (PCL) và polybutylen succinat (PBS) đã được sử dụng làm nguồn cacbon hữu cơ cung cấp bên ngoài cho hệ thống BFL. PHB ảnh hưởng tích cực đến các sinh vật thủy sinh bằng cách cải thiện khả năng tăng trưởng và chống nhiễm bệnh. 

Các polyme phân hủy sinh học (BDPs) được sử dụng làm nguồn cacbon trong hệ thống nuôi trồng thủy sản biofloc: (a) Các hạt PCL; (b) PBS; (c) PHB.

Tác động của chất nền carbon đối với hệ thống biofloc

Các chất nền carbon trong hệ thống BFT đã tác động lên hệ thống BFT và ảnh hưởng đến chất lượng nước và đặc tính của bioflocs. 

Chất lượng nước

Mục tiêu chính của việc sử dụng chất nền có cacbon trong hệ thống BFT là duy trì chất lượng nước tối ưu cho động vật thủy sản thông qua tỷ lệ C/N. 

Trong nuôi trồng thủy sản, việc kiểm soát TAN (là tổng lượng nito ở dạng NH3 và NH4+ trong nước) ở mức thấp hoặc ở nồng độ ít gây hại cho vật nuôi là một mối quan tâm lớn. Vì vậy, các hệ thống nuôi trồng thủy sản bằng phương pháp sinh học sử dụng các chất nền cacbon để duy trì TAN ở mức an toàn. Bằng cách sử dụng mật đường, Panigrahi et al. (2019) duy trì TAN ở mức an toàn (0,096-  0,02 mg/l) cho sự tăng trưởng của tôm. Tương tự, Liu et al. (2018b) đã quan sát thấy kết quả tốt khi sử dụng mật mía để duy trì mức TAN thích hợp cho sự phát triển của tôm. 

Chất nền có cacbon trong hệ thống BFT là duy trì chất lượng nước tối ưu.

Việc bổ sung nguồn carbon trong hệ thống BFT dường như ảnh hưởng lớn đến nồng độ Nitrit (NO2). Ví dụ, tăng tỷ lệ C/N trong hệ thống BFT lên 20 bằng cách sử dụng glucose làm nguồn carbon bổ sung, Liu et al. (2018a) phát hiện ra rằng NO2 hầu như luôn luôn ở nồng độ rất thấp (<0,2 mg/L) và đôi khi không được phát hiện (0 mg/L) trong quá trình nuôi cá rô phi. Ngoài ra, sử dụng cám gạo, glycerol và sucrose làm nguồn cacbon bổ sung, Dauda et al. (2017) quan sát thấy rằng NO2  thấp hơn đáng kể ở các nhóm bổ sung carbon so với nhóm đối chứng không bổ sung carbon. 

Mặc dù NO3 không độc đối với các sinh vật nuôi ở một số nồng độ nhất định, nhưng đây là một vấn đề khi nó tích tụ ở mức cực cao (> 75 mg/L-1). Do đó, việc tìm ra các chiến lược nhằm loại bỏ hoặc giảm hợp chất này trong hệ thống BFT thông qua bổ sung nguồn carbon là cần thiết. Li et al. (2018), đã mô tả khả năng kiểm soát mức nitrat (0,14 - 0,37 mg/L) bằng cách sử dụng nguồn carbon tại chỗ (PHBVL và PBSL) được cung cấp với một máy bơm nhu động. 

Ảnh hưởng của nguồn carbon đến chất lượng dinh dưỡng của bioflocs

Người ta đã chứng minh rằng bioflocs từ một hệ thống BFT tốt có tỷ lệ hàm lượng tro, carbohydrate, lipid và protein có thể chấp nhận được để làm thức ăn cho cá, tôm. Nguồn carbon được chọn để phát triển hoặc sản xuất flocs trong hệ thống BFT có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến chất lượng dinh dưỡng của bioflocs. Do đó, việc lựa chọn nguồn carbon cần phù hợp với nhu cầu dinh dưỡng của loài nuôi.

Hàm lượng protein của bioflocs là quan trọng hàng đầu và nó phải nằm trong khoảng 20-50%. Do đó, bioflocs được phát triển bằng cách sử dụng nguồn carbon phải đáp ứng nhu cầu protein của quá trình nuôi cấy sinh vật. Luo et al. (2017) báo cáo hiệu quả của PHB, PCL và glucose trong sản xuất flocs với protein thô cao, đáp ứng đủ nhu cầu protein của cá rô phi.

Về hàm lượng lipid, Wasielesky et al. (2006) báo cáo khi sử dụng mật đường làm nguồn cacbon hàm lượng lipid 0,47% tương tự như mật đường, đường hoặc đường thốt nốt (0,5%). Tuy nhiên, Fugimura et al. (2015) báo cáo mức lipid thô thậm chí còn cao hơn (2,39%) trong sử dụng mật đường. Ngoài ra, sử dụng PCL và PHB làm nguồn carbon tạo ra mức lipid thô cao (> 5). Đường thốt nốt được cho là có lợi cho sự phát triển của nấm, nấm men và vi khuẩn dị dưỡng. Do đó, thành phần dinh dưỡng của bioflocs có liên quan đến thành phần của hệ vi sinh vật có trong flocs.

Mỗi nguồn carbon đều có ưu và nhược điểm. Wang và cộng sự. (2016) phát hiện ra rằng nguồn carbon tổng hợp: 60% mật đường, 20% bột ngô và 20% cám lúa mì là nguồn bổ sung carbon tốt hơn cho tôm thẻ so với sử dụng mật đường, bột ngô hoặc cám lúa mì riêng lẻ. 

Những kết quả này cho thấy các nguồn carbon khác nhau có thể có những ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng nước, dinh dưỡng của flocs và cuối cùng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của vật nuôi. Việc sử dụng các nguồn carbon có giá trị kinh tế thấp, như các sản phẩm phụ của ngành công nghiệp thực phẩm vẫn có thể tạo ra bioflocs chất lượng tốt, có thể được ưu tiên hơn do có thể giảm chi phí sản xuất. Do đó, việc xác định các chiến lược thích hợp để bổ sung nguồn carbon hữu cơ là rất quan trọng cho một hệ thống BFT thành công. 

Supplemental carbon sources applied in biofloc technology aquaculture systems: types, effects and future research by Godwin Abakari, Guozhi Luo  Emmanuel, O. Kombat, Elliot H. Alhassan.