Lọc sinh học là một trong các quy trình vận hành cấp thiết của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn. Vật liệu lọc không ăn mòn có rất nhiều bề mặt để tạo ra chỗ cho các tế bào vi khuẩn nitrat hóa chiếm cứ. “Khởi động” bộ lọc sinh học có nghĩa là quản lý liều giống vi khuẩn trên vật liệu/giá thể. Vi khuẩn có thể được đưa qua nước hoặc vật liệu lọc sinh học từ một hệ thống đang hoạt động, với trầm tích lấy từ ao hoặc với lượng nhỏ động vật/loài nuôi “khởi động”. Sử dụng các chế phẩm vi khuẩn nuôi cấy thương mại giúp rút ngắn quá trình khởi động và rất cần thiết cho bộ lọc sinh học trong điều kiện nuôi nước lợ hoặc nước biển. Để khởi động bộ lọc sinh học cùng với một nguồn cung vi khuẩn nitrat hóa, bạn phải tạo được các điều kiện để thúc đẩy sự tăng trưởng của vi khuẩn. Quá trình cơ bản này cần sự chuẩn bị đặc tính hóa học của nước lúc ban đầu, điều chỉnh độ kiềm để hỗ trợ sự tăng trưởng của vi khuẩn và bổ sung amoniac. Việc đưa vi khuẩn nitrat hóa vào có thể thúc đẩy nhanh quá trình thích nghi lọc sinh học. Các mức amoniac, nitrit, pH, nhiệt độ và độ kiềm nên được theo dõi thường xuyên theo cách thức chuẩn.
Lọc sinh học là một trong các quy trình vận hành quan trọng trong bộ phận lọc của một hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS). Lọc sinh học tạo ra chỗ để cho vi khuẩn nitrat hóa có thể cư trú và là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa sinh học trong hệ thống RAS.
Vi khuẩn nitrat hóa sử dụng các chất thải có nitơ hòa tan do các sinh vật thủy sinh được nuôi bài tiết ra. Tất cả các sinh vật nuôi, động vật có xương sống hoặc không xương sống, cá có vây hoặc động vật có vỏ tiết ra chất thải đều là kết quả của quá trình ăn. Cá có vây bài tiết ra amoniac, chủ yếu là từ mang, amoniac hòa tan vào trong nước cũng là nơi cá sinh sống. Chất thải này gây độc cho cá và là một yếu tố gây căng thẳng cho môi trường, làm giảm sự thèm ăn, giảm tốc độ tăng trưởng và tiềm năng gây chết ở nồng độ cao.
Các tế bào vi khuẩn nitrat hóa mọc trên mọi bề mặt vật liệu lọc sinh học, cũng như các bề mặt ẩm ướt của hệ thống nuôi.
1. Vi khuẩn nitrat hóa
May mắn là vi khuẩn trong tự nhiên có thể oxy hóa amoniac, sử dụng nó cho nhu cầu tăng trưởng và chuyển đổi nó thành nitơ nitrit. Đây là một quá trình hiếu khí tiêu thụ oxy hòa tan trong nước. Vi khuẩn thuộc giốngNitrosomonas chuyển đổi amoniac thành nitrit. Giống như amoniac, nitrit được sản sinh bởi nhóm vi khuẩn này gây độc cho sinh vật thủy sinh và phải được oxy hóa lần nữa thành một dạng của nitơ ít gây độc. Quá trình này được hoàn tất nhờ vi khuẩn có trong tự nhiên thuộc giống Nitrobacter. Những vi khuẩn này chuyển hóa và oxy hóa nitrit, sau đó chuyển đổi nó thành nitrat. Oxy cũng được tiêu thụ trong quá trình tạo ra nitrat. Sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển đổi amoniac và nitrit là nitrat, tương đối không độc hại khi ở mức 50 – 200 mg/L và thường có trong một hệ thống RAS.
Độc giả có thể tìm đọc một bài thảo luận rất hay và chi tiết về vi khuẩn nitrat hóa và quá trình nitrat hóa trong một bài báo của Daniel Hagopian và John Riley “Closer Look at the Bacteriology of Nitrification” (Cái nhìn gần hơn trong nghiên cứu vi khuẩn về quá trình nitrat hóa) được công bố vào tháng 10 năm 1998 trên tạp chí Kỹ thuật Thủy sản.
2. Khái niệm cơ bản lọc sinh học
Vật liệu lọc sinh học được làm từ vật chất không bị ăn mòn như nhựa, sợi thủy tinh, gốm sứ, đất sét hoặc đá với rất nhiều diện tích bề mặt để các tế bào vi khuẩn nitrat hóa có thể chiếm cứ. Để làm cho bộ lọc sinh học nhỏ gọn hơn, người ta thường chọn vật liệu có nhiều diện tích bề mặt tính trên mỗi đơn vị thể tích. Đơn vị đo thường được gọi là diện tích bề mặt vật liệu riêng (SSA).
Đơn giản là diện tích bề mặt càng sẵn có nhiều thì càng nhiều tế bào vi khuẩn có thể mọc, và có thể đạt được năng suất nitrat hóa cao hơn, nghĩa là khả năng lượng thức ăn trong hệ thống cao hơn. Vật liệu lọc sinh học có diện tích bề mặt riêng càng lớn mà càng nhỏ gọn thì lưu ý rằng một số vật liệu lọc sinh học có diện tích bề mặt riêng lớn hơn có thể bị tắc với vi khuẩn. Vì vậy, vật liệu/giá thể có diện tích bề mặt riêng lớn phải cân xứng với bộ lọc sinh học hoạt động đáng tin cậy có tính năng tự làm sạch.
Các tế bào vi khuẩn nitrat hóa phát triển trên mọi bề mặt của vật liệu lọc sinh học, cũng như trên mọi bề mặt ẩm ướt của hệ thống, chẳng hạn như bên trong các đường ống và thành bể. Quá trình nitrat hóa do vi khuẩn nằm ngoài bộ lọc sinh học thường được gọi là “quá trình nitrat hóa thụ động,” có thể góp 10% vào tổng nitrat hóa trong hệ thống RAS. Vi khuẩn đi theo một chu trình liên tục là mọc, sinh sôi, trưởng thành và chết, sau đó bong/tróc ra khỏi vật liệu/giá thể và được thay thế bởi các tế bào mới.
3. Khởi động lọc sinh học
“Khởi động” một bộ lọc sinh học nghĩa là quản lý và kiểm soát liều giống các tế bào vi khuẩn nitrat hóa trong vật liệu lọc sinh học. Một bộ lọc sinh học được khởi động bằng cách đưa vi khuẩn vào hệ thống và có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Vi khuẩn nitrat hóa có thể được đưa vào bằng nước hoặc vật liệu lọc sinh học từ một hệ thống đã hoạt động, trầm tích lấy từ một ao hoặc với lượng nhỏ động vật/loài nuôi “khởi động”. Những loài động vật này phải vượt qua được sự khắc nghiệt của nồng độ amoniac và nitrit tăng cao và trong lúc đó các tế bào vi khuẩn sinh sản và chiếm cứ giá thể lọc sinh học. Ngoài ra, chế phẩm vi khuẩn thương mại có thể tạo được sự khởi động phù hợp.
Luôn luôn có nguy cơ xâm nhập của mầm bệnh/tác nhân gây bệnh khi áp dụng bất kỳ phương pháp nào để đưa vi khuẩn vào hệ thống. Việc đánh giá lựa chọn phương pháp là một phần trong công việc quản lý toàn diện cơ sở và kế hoạch an toàn sinh học.
Sẵn có một số chế phẩm hỗn phối nuôi cấy vi khuẩn nitrat hóa từ các nhà cung cấp dùng cho cả nước ngọt và nước biển. Các sản phẩm này ở dạng bột khô hoặc dịch lỏng cô đặc. Các sản phẩm có thể ở dạng nuôi cấy lạnh kèm theo các hóa chất vô cơ cần thiết để làm dinh dưỡng ban đầu cho đến khi hình thành ổn định.
Mặc dù không cần thiết, nhưng các chế phẩm vi khuẩn này có thể rút ngắn thời gian để thiết lập hệ thống lọc. Khi sử dụng các chế phẩm này nên làm theo các khuyến nghị của nhà sản xuất.
Một số báo cáo của cơ sở vận hành và theo kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu, hỗn hợp nuôi cấy vi khuẩn rất cần thiết để khởi động các bộ lọc sinh học trong điều kiện nước lợ hoặc nước biển có độ mặn trên 15 ppt.
4. Khởi động lạnh
Chiến lược để khởi động một bộ lọc sinh học, đôi khi được gọi là phương pháp “khởi động lạnh”, liên quan đến việc thả nuôi 1 loài dự định bán ra thị trường mà bộ lọc sinh học chưa được kích hoạt. Cách thực hành này mang tính rủi ro, và các cơ sở nuôi phải được chuẩn bị để đối phó với sự gia tăng nhanh của nồng độ amoniac và nitrit qua việc thay nước. Phải giảm hoặc ngưng cho ăn cho đến khi kích hoạt xong bộ lọc sinh học.
Phương pháp khởi động lạnh có lợi thế sử dụng vi khuẩn đưa vào hệ thống cùng lúc loài nuôi đầu tiên được thả, khi đó vi khuẩn chắc hẳn đã thích nghi tốt với các điều kiện từ nơi mà loài nuôi đó đưa vào. Tuy nhiên, quá trình kích hoạt lọc sinh học thụ động này có thể chậm và gây căng thẳng cho các loài nuôi và người vận hành hệ thống.
Một phương pháp được mong muốn nhiều hơn là phát triển vi khuẩn nitrat hóa ngay trong bộ lọc sinh học trước khi thả giống. Cấy nuôi liều giống vi khuẩn nitrat hóa ban đầu sẽ giúp giảm căng thẳng cho đàn mới thả, rút ngắn vụ nuôi với lượng thức ăn cao hơn từ ngày đầu tiên thả giống và tạo ra chất lượng nước tốt hơn nhằm cải thiện sức khỏe, tốc độ tăng trưởng và tỉ lệ sống.
Điều rất quan trọng khi khởi động một bộ lọc sinh học là thực hiện các bước đúng cách, cùng với việc cung cấp thêm nguồn vi khuẩn nitrat hóa và vật liệu thích hợp cho vi khuẩn sinh sôi nảy nở.
5. Chuẩn bị đặc tính hóa học của nước
Hệ thống nên vận hành và đưa nước qua bộ lọc. Nếu bể nuôi vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng thì chỉ có thể tái tuần hoàn nước qua bộ phận lọc sinh học. Tình trạng này có thể xảy ra khi khởi động một cơ sở mới xây dựng.
Hệ thống nước phải sạch dư lượng chlorin – chất này có thể đã được sử dụng để khử trùng hoặc kiểm soát mầm bệnh. Ngoài ra, điều chỉnh pH, độ mặn, độ kiềm và độ cứng cho phù hợp với các yêu cầu của đàn giống mới đưa vào.
6. Tạo độ kiềm, nguồn cung carbon
Carbon dioxide hòa tan trong hệ thống nước là nguồn carbon dùng vào việc phát triển các tế bào vi khuẩn, tuy nhiên ion carbonate và bicarbonate là các nguồn carbon dễ dàng đưa vào và kiểm soát hơn. Thêm sodium bicarbonate, hoặc baking soda thông thường, để tăng độ kiềm. Baking soda không đắt và an toàn để sử dụng.
Ban đầu tăng độ kiềm hệ thống lên khoảng 100 mg/L. Độ kiềm ở cấp độ này hỗ trợ sự tăng trưởng của vi khuẩnNitrosomonas, tuy nhiên các tác giả đã từng thành công tạo lập vi khuẩn Nitrobacter ở các mức kiềm cao hơn 150-200 mg/L.
Khi Nitrobacter được hình thành, có thể cho phép độ kiềm giảm tới các mức vận hành. Theo quy luật, để nâng độ kiềm thêm 10 mg/L, cho vào 53 g natri bicarbonate tương ứng với mỗi 3.785 L của công suất hệ thống nước.
7. Điều chỉnh pH, nếu cần thiết
Với các cấp độ kiềm đề nghị trên, việc duy trì pH thích hợp thường không phải là một vấn đề. Phạm vi pH tốt nhất trong khoảng 6,8 – 7,2.
Mức giới hạn pH thấp hơn có lợi cho vi khuẩn nitrat hóa, vào khoảng 6,8, thường không đạt được trừ khi nồng độ carbon dioxide tăng lên. Trong quá trình khởi động một hệ thống mới, điều này là không thể, trừ khi nguồn nước có nồng độ carbon dioxide cao. Sự lưu thông và sục khí hoặc khử khí của nước trong hệ thống có thể giúp giảm nồng độ carbon dioxide.
8. Cung cấp Amoniac, Nitrit
Để khởi động một bộ lọc sinh học, cho ammonium hydroxide, hoặc loại amoniac hộ gia đình không mùi hương được sử dụng để tẩy rửa – là amoniac dạng dung dịch nước. Ammonium chloride và ammonium nitrite cũng thường được sử dụng.
Cho vừa đủ ammonium hydroxide để nâng tổng mức amoniac vào khoảng 3 – 5 mg/L. Cách này sẽ giúp cho đa phần các phương pháp xét nghiệm phát hiện được. Nói chung, sử dụng 60 ml amoniac hộ gia đình dạng dung dịch trong suốt 10% làm tăng nồng độ amoniac của 3.785 L nước hệ thống lên khoảng 1,6 mg/L.
Việc điều chỉnh sẽ cần thiết nếu bạn sử dụng amoniac dạng dung dịch nước ở một nồng độ khác. Ban đầu sử dụng với một lượng tối thiểu, để cho đủ thời gian nhằm hòa trộn hoàn toàn qua suốt hệ thống và sau đó kiểm tra nồng độ amoniac. Nếu cần nhiều hơn để làm tăng nồng độ trong hệ thống lên 3 – 5 mg/L thì bổ sung tăng dần lên.
9. Đưa vào vi khuẩn nitrat hóa
Đưa vi khuẩn vào có thể đẩy nhanh quá trình thích nghi lọc sinh học. Nếu sử dụng một chế phẩm vi khuẩn thương mại nên thực hiện theo khuyến nghị của nhà sản xuất theo các bước trước đó và bổ sung vi khuẩn theo định mức và lịch trình đã hướng dẫn. Nhà sản xuất có thể khuyến nghị vi khuẩn được cho vào làm nhiều phần.
Cách hiệu quả nhất để đưa vi khuẩn vào là chuyển vật liệu lọc từ một hệ thống đã thích nghi vận hành ở điều kiện nuôi tương tự. Nếu việc đưa vào vật liệu lọc đã hình thành màng sinh học hoặc các dạng khác của vi khuẩn, nên bổ sung vào thời điểm này.
10. Theo dõi chất lượng nước
Các thông số chất lượng nước cần được theo dõi thường xuyên. Amoniac, nitrit, pH, nhiệt độ và độ kiềm là những thông số căn bản cần kiểm tra. Nên sử dụng các phương pháp chính xác và có thể lặp lại để đo nồng độ amoniac và nitrit. Các nhà điều hành phải chắc chắn có thể so sánh những thay đổi về chất lượng nước từ ngày này sang ngày kế tiếp.
Các mẫu nước nên được thu từ chỗ xả của bộ lọc sinh học. Các mẫu phải được thu từ cùng một vị trí cùng thời điểm mỗi ngày, và người tiến hành các xét nghiệm cần làm theo cùng một quy trình. Tiêu chuẩn hóa, thủ tục và chú trọng đến từng chi tiết sẽ đảm bảo thông tin chính xác cho việc ra quyết định vận hành.
Minh họa bằng đồ thị nồng độ amoniac và nitrit theo thời gian sẽ có lợi khi đưa ra khái niệm trực quan của việc phát triển bộ lọc sinh học. Hình 1 cho thấy các đường cong đặc trưng liên quan đến khởi động bộ lọc sinh học. Quan trọng cần lưu ý về mẫu khởi động này ở trại nuôi cá Bắc Carolina đã xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn do nhiệt độ ấm 28 °C mà thực nghiệm đặc biệt này đã được tiến hành ở điều kiện như vậy.
Tuy các con số khác nhau giữa các chu kỳ, hệ thống và bộ lọc sinh học khác nhau thì các hình dạng và mối quan hệ của các đường cong phải gần giống nhau. Ban đầu, nồng độ amoniac tăng đến giá trị cao và sau đó thì giảm. Sau một giai đoạn trễ, nồng độ nitrit bắt đầu tăng và sau đó giảm đi.
Hình 1. Thông số chất lượng nước điển hình đối với một bộ lọc sinh học khởi động ở nhiệt độ 28°C.
Ở hình 1, ghi nhận xu hướng suy giảm nồng độ nitrit. Phần đầu của đường cong nitrit thể hiện một thời điểm mà tại đó vi khuẩn Nitrobacter đã phát triển đến số lượng đủ để tiêu thụ nitrit nhiều hơn là nitrit được sinh ra hoặc bổ sung vào hệ thống. Vì vậy, nồng độ nitrit giảm.
Xu hướng này tiếp tục cho đến khi nồng độ nitrit chững lại. Tại thời điểm đó, nếu nồng độ nitrit và amoniac ở mức có thể chấp nhận được đối với loài nuôi thì có thể tiến hành thả giống. Nếu đã thả giống trong hệ thống, có thể bắt đầu cho ăn ở mức thấp, và có thể bắt đầu vận hành nuôi bình thường.
11. Lời khuyên để bộ lọc sinh học khởi động nhanh hơn
Nhiệt độ có thể được nâng lên một chút để tăng tốc độ phản ứng của các quá trình sinh học và sinh hóa, nhờ đó đẩy mạnh sự phát triển của quần thể vi khuẩn nitrat hóa. Tăng nhiệt độ không quá 3 – 5°C so với nhiệt độ nuôi dự kiến.
Tổng thể tích của một hệ thống có thể giảm đi nhờ vận hành các bể nuôi có mức nước thấp hơn trong giai đoạn khởi động bộ lọc sinh học. Với một thể tích nước ít hơn, nhiệt độ có thể bị thay đổi một cách nhanh chóng hơn, và số lượng các chất dinh dưỡng cần thiết theo liều lượng cho bộ lọc sinh học được giảm bớt giúp cho quá trình này hiệu quả hơn nhiều. Nghiên cứu đã cho thấy một bộ lọc sinh học khởi động bằng nước ngọt và từ từ thích nghi với điều kiện nước biển tạo sự khởi động nhanh hơn so với ngay lúc đầu với nước mặn.
Cuối cùng, có thể khó khăn để khởi động một bộ lọc sinh học có vật liệu/giá thể mới do các điều kiện mong muốn dưới mức vận hành bình thường nên có thể thúc đẩy sự bong tróc của các tế bào. Tuy nhiên, trong quá trình khởi động, các nhà vận hành có thể muốn giảm thiểu các điều kiện gây ra sự bong tróc này.
Với bộ lọc sinh học đệm chuyển động, vi khuẩn có thể chậm chiếm cứ do sự khuấy động hoặc sục khí quá mức của đệm vật liệu. Cách có thể là giảm sự khuấy động của đệm vật liệu bằng cách giảm sục khí và/hoặc lưu lượng nước qua đệm.
Hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt có thể lợi thế từ việc khởi động trong điều kiện “ngập nước”. Bất cứ cách gì làm giảm bớt hao hụt các tế bào vi khuẩn trong quá trình khởi động sẽ đẩy nhanh quá trình này.
Ghi chú: Bài viết này dựa theo Tờ Thông tin “Làm thế nào để khởi động một bộ lọc sinh học,” do các tác giả xuất bản trên tạp chí Trung tâm Nuôi trồng Thủy sản Khu vực miền Nam – Bộ Nông nghiệp Mỹ (SRAC Publication 4502, 2012).
