Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học của ammoniac thành nitrit. Sau đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Sự biến đổi ammoniac thành nitrit thường là bước giới hạn tốc độ của nitrat hóa.
Nitrat hóa đóng vai trò quan trọng trong chu trình hiếu khí nước thải. Được thực hiện bởi các nhóm nhỏ vi khuẩn tự dưỡng và vi khuẩn cổ. Quá trình được phát hiện bởi nhà vi trùng học người Nga Sergei Winogradsky.
Chất thải Nitơ luôn là nỗi lo lắng của bà con nuôi tôm, chúng thể hiện hàm lượng NH3, NO2 và NO3 phát sinh từ sự phân hủy các chất rắn hữu cơ như thức ăn dư thừa. Nắm được quá trình Nitrat hóa và cách ứng dụng vi khuẩn Nitrat hóa vào ao nuôi tôm dưới đây sẽ giúp người nuôi tự kiểm soát Nitơ trong ao nuôi một cách tốt nhất.
Quá trình Nitrat hoá được thực hiện nhờ vào hai nhóm vi sinh vật: Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vì chúng nhận được năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần lớn là từ quá trình oxy hoá các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3- là chính) và Nitơ vô cơ. Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí).
Cả hai nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hoà tan (DO); và chúng có tốc độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Nitrosomonas chỉ có thế oxy hoá NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm chức năng chuyển hoá NO2- thành NO3-.
1. Quá trình Nitrat hóa – khử Nitrat hóa trong nước ao tôm
Đối với các ao nuôi tôm cá, trong quá trình sinh sống chúng thường bài tiết ra khí NH3, trường hợp hàm lượng NH3 tăng cao sẽ gây độc cho tôm. Các hợp chất hữu cơ phức tạp sẽ được phân hủy thành NH3 dưới tác dụng của vi sinh vật. Lúc này, quá trình Nitrat hóa trong nước diễn ra nhờ vào hoạt động của các loại vi khuẩn có ích sẽ giúp chuyển hóa các chất độc trong ao thành những chất có ích cho đời sống của thực vật thủy sinh.
A/ Quá trình Nitrat hóa
Hiểu một cách đơn giản, quá trình Nitrat hóa là một quá trình sinh học mà ở đó các loại vi khuẩn Nitrat hóa sẽ oxy hóa amonia thành Nitrat thông qua sự hình thành Nitrit trong điều kiện có Oxy.
Quá trình Nitrat hóa trong nước nuôi trồng thủy sản
Quá trình được diễn ra như sau:
— NH3 trong nước sẽ chuyển hóa thành NH4+ theo phản ứng hóa học:
NH3 + H2O -> NH4+ + OH–
— Nitrat hóa diễn ra gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi 2 nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau bao gồm:
Giai đoạn 1: Chuyển hóa NH4+ thành NO2– bởi nhóm vi khuẩn Nitrite hóa
NH4+ + 1,5 O2 -> NO2 + 2H+ + H2O
Trong giai đoạn này, vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong quá trình Nitrite hóa là những loại vi khuẩn vô cơ tự dưỡng, chúng chuyển hóa NH4+ thành NO2– sẽ sinh ra năng lượng sử dụng cho hoạt động sống của các vi khuẩn nitrite hóa.
Trong tự nhiên vi khuẩn Nitrite hiện diện rất nhiều như: Nitrosmonas và Nitrosococcus, Nitrosopira.. chúng giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa nhưng lại khác nhau về đặc điểm hình thái và cấu trúc của tết bào. Sự có mặt của các nhóm vi khuẩn Nitrite sẽ giúp loại bỏ được NH4+ đồng thời sẽ làm giảm hàm lượng NH3 trong nước.
Giai đoạn 2: Chuyển hóa NO2– thành NO3– bởi nhóm vi khuẩn Nitrat hóa
NO2 + 0,5 O2 -> NO3
Trong giai đoạn này, nhóm vi khuẩn Nitrite hóa sẽ thực hiện chuyển hóa NO2– thành NO3– (đây là sản phẩm cuối cùng của quá trình Nitrat hóa). Nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình này cũng là các loại vi khuẩn hóa vô cơ cơ tự dưỡng bao gồm: Nitrobacter spp và Nitrospira spp là những nhân tố chính thúc đẩy quá trình.
Quá trình Nitrat hóa trong nước ao nuôi chỉ xảy ra khi nồng độ NO2– không vượt quá 0,5 mg/L (trong điều kiện nước có đầy đủ Oxy). Trường hợp trong nước thiếu oxy sẽ tạo điều kiện NO2– phát sinh và gây độc cho tôm nuôi.
Ứng dụng nitrat hóa đối với môi trường
1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2
1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,57 g O2
1 mol NH4+ tạo thành 1 mol NO3-
1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+.
Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-, như vậy:
1g N-NH4+ tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO3).
Các phương trình không tính đến quá trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) ta có:
1,02NH4 + 1,89O2 + 2,02HCO3- => 0,021C5H7O2N + 1,00NO3- + 1,92H2CO3 + 1,06H2O
Như vậy:
1 gam N-NH4+ tiêu thụ 4,3 g O2
1 gam N-NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO3).
Từ phương trình ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình Nitrat hoá là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá.
Tuy nhiên, vi khuẩn Nitrat có tốc độ phát triển rất chậm nên khi NH3 bắt đầu hiện diện trong ao nuôi thì quần thể oxy hóa ammium mới bắt đầu phát triển nhưng chúng lại cần đến 2 tuần để trạng thái ổn định. Khả năng Nitrate hóa diễn ra khoảng 25 – 50g/m3/ngày.
B/ Quá trình khử Nitrat hóa
Quá trình Nitrat hóa mang ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước, nó vừa phản ánh được mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ đồng thời tích lũy một lượng oxy dự trữ dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình này.
Để có thể tách được oxy ra khỏi Nitrit thì chúng ta cần quan tâm đến quá trình khử Nitrat hóa.Quá trình khử Nitrat là quá trình tách oxy ra khỏi nitrit nhờ sự có mặt của các loại vi khuẩn Pseudomonas và Clostridium trong môi trường kỵ khí. Oxy sẽ được tách ra từ Nitrit và Nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ trong ao nuôi, Nitơ được tách ra ở dạng khí và sẽ bay vào bầu khí quyển. Đây cũng là quá trình kết thúc chu trình Nitơ.
2. Ứng dụng vi khuẩn Nitrat hóa trong ao nuôi tôm
Trong năm 2018, vi khuẩn Nitrat hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là trong sản xuất giống và nuôi tôm thẻ chân trắng mật độ cao. Quy trình sản xuất được thực hiện thông qua hệ thống lọc sinh học tuần hoàn, nước thải từ các bể ương có chứa hàm lượng NH3 được đưa vào bể lọc sinh học để xử lý. Trong bể lọc, nhóm vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa thành NH4+ thành NO2 sau đó vi khuẩn Nitrobacter chuyển hóa NO2– thành NO3–.
Nhóm vi khuẩn Nitrat hóa trong quá trình Nitrat hóa
Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả nhóm vi khuẩn Nitrat hóa cần phải hiểu rõ các yếu tố sau đây:
– Nhiệt độ: nhiệt độ nước thích hợp cho nhóm vi khuẩn Nitrat hóa là từ 24 – 29 độ C. Nếu nhiệt độ nước bị đông lạnh hoặc quá 49 độ C thì vi khuẩn Nitrat sẽ chết.
– pH: độ pH thích hợp của Nitrosomonas là 7,8 – 8,0; Nitrobacter là 7,3-7,5. Tất cả các vi khuẩn Nitrat hóa sẽ bị ức chế nếu pH < 6. Tuy nhiên với trường hợp nitrat hóa được thực hiện trực tiếp trong ao nuôi thì độ pH trung bình trong ao nuôi nên duy trì từ 7,7-8,3 là tốt nhất.
– Vi lượng: các vi khuẩn Nitrat hóa cần được bổ sung một số chất vi lượng như: Phospho cần thiết cho quá trình sản xuất ATP, bởi vì vi khuẩn Nitrobacter không thể oxy hóa Nitrit nếu thiếu sự có mặt của PO4.
– Ánh sáng: vi khuẩn Nitrat mẫn cảm với ánh sáng màu xanh dương và màu tím.
– Chlorine & Chloramines: Bà con cần phải xử lý triệt để hàm lượng Chlorine và Chloramines tồn dư trước khi đưa vi khuẩn Nitrat vào ao hoặc bể nuôi
– Độ mặn: vi khuẩn Nitrat có một số loài tăng trưởng ở độ mặn 0 – 6%, một số loài tăng trưởng phù hợp ở độ mặn 6 – 44% .Nhưng độ mặn tối ưu trong ao nuôi nên duy trì từ 25-35ppt.
– Độ kiềm: độ kiềm trong nước cần thiết cho quá trình nitrat hóa từ 120-180ppm
– Oxy hòa tan: lượng oxy hòa tan trong cần được duy trì luôn luôn trên 5ppm
3.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa
+ Ảnh hưởng của pH tới quá trình nitrat hoá:
Thực nghiệm cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hoá. Nghiên cứu của Grady và Lim (1980), cho thấy vi khuẩn nitrat hoá rất nhạy cảm với pH, đối với Nitrosomonas có dải pH tối thích từ 7,0 đến 8,0. Và đối với Nitrobacter là từ 7,5 đến 8,0. Nhưng bên cạnh đó nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể thích hợp ở mức pH > 9. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho rằng khoảng pH thích hợp cho quá trình nitrat hoá là pH = 7,0 - 8,5.
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình nitrat hoá:
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình nitrat hoá. Tốc độ tăng trưởng tế bào tăng khi tăng nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 35 0C. Nếu nhiệt độ quá cao (> 35 0C) sẽ làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây ức chế hoạt động và có khi gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được là 5 – 35 0C, khoảng tối ưu là 30 – 35 0C.
+ Ảnh hưởng của các chất độc tới sự phát triển của vi khuẩn nitrat hoá:
So với các vi khuẩn dị dưỡng, các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất.
+ Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ tới quá trình nitrat hoá:
Turk, O., và Mavinic, D.S. (1986) đã chỉ ra rằng các quá trình oxy hoá nitrit bị ức chế khi nồng độ NH3 đạt 0,1 - 1 mg/l và ở nồng độ NH3 từ 5 - 20 mg/l, quá trình oxi hóa NH4+ cũng bị ức chế.
Tuy nhiên, Ford cùng nhóm nghiên cứu (1980) lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế quá trình ôxi hóa nitrit cao hơn nhiều (10 - 150 mg NH3/l). Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình ôxy hoá nitrit.
Alleman (1985) cho thấy khi nồng độ nitrit cao tới 27 mg/l thì Nitrobacter bị ức chế mạnh hơn Nitrosomonas. Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, ôxy hoà tan (DO) thiếu và CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển của Nitrobacter và kéo theo sự giảm oxi hóa nitrit.
Ngoài ra, sốc amoni và sự khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2-. Đó là do Nitrosomonas ít nhạy cảm hơn đối với sốc NH3 và nhanh thích nghi hơn Nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ nitrit trong hệ.
Lưu ý:
– Không sử dụng vi khuẩn Nitrat cùng với các chất hóa học và kháng sinh
– Sử dụng Nitrosomonas, Nitrobacter định kỳ 7 – 10 ngày/lần từ tháng thứ 2 trở đi
– Sử dụng ở mức nhiệt độ thích hợp
– Trong trường hợp nhiệt độ nước ao tôm thấp thì nên cấy vi khuẩn Nitrat hóa trong nước ấm từ 30 – 35 độ C trước khi sử dụng.
– Oxy hòa tan > 8 mg/L thì Nitrat hóa sẽ đạt tối đa
– Bảo quản nơi có ánh sáng trực tiếp
4. Cách sử dụng vi khuẩn nitrat kiểm soát NH3/NO2 trong ao tôm
Định kỳ sử dụng chế phẩm sinh học cân bằng hệ sinh thái môi trường ao nuôi:
Khi sử dụng nhóm vi khuẩn nitrat hóa cần lưu ý các vấn đề sau: Sử dụng đúng mục đích; không sử dụng cùng lúc với các loại hóa chất và kháng sinh; sau khi nuôi tôm được 2 tháng trở lên, nên sử dụng Nitrosomonas, Nitrobacter,… định kỳ 7 – 10 ngày/lần; dùng lúc nhiệt độ nước là 24 – 290C. Nếu nhiệt độ nước ao thấp, nên nuôi cấy trong nước ấm 30 – 350C trước khi dùng; dùng ở pH và độ mặn phù hợp; nitrat hóa sẽ đạt tối đa nếu ôxy hòa tan > 4 mg/l; bảo quản men tránh nơi có ánh sáng trực tiếp, nhất là ánh sáng xanh và tím; sử dụng đúng quy trình nhà sản xuất chỉ dẫn.
Cần lưu ý rằng: Các tế bào của vi khuẩn nitrat từ màu đỏ (Nitrosomonas) đến màu nâu (Nitrobacter). Ở các sản phẩm thương mại, chúng thường là các sản phẩm dung dịch có màu đỏ nhạt, chủ yếu do các sắc tố tự nhiên của vi khuẩn tạo nên và có mùi hơi khó chịu (như mùi mốc). Đôi là có màu nâu sẫm hoặc đen và có mùi trứng thối. Đây là điều hiếm khi gặp, tuy nhiên nó không phải là sản phẩm bất thường. Mà nguyên nhân là do sự hiện diện của hàm lượng sunfat còn lại đã được chuyển hóa thành sulfide. Điều này không gây ảnh hưởng đến các vi khuẩn nitrat hóa. Và nồng độ của khí sunfua chỉ là một vài phần tỷ, không gây độc hại cho ao nuôi. Nếu muốn loại bỏ hoàn toàn lượng khí sunfua này có thể mở nắp sản phẩm để trong điều kiện thoáng khí trước khi dùng.
— Cải tạo ao nuôi kỹ lưỡng, loại bỏ hoàn toàn các cặn bã dưa thừa khỏi ao nuôi trước mỗi mùa vụ.
— Lựa chọn và sử dụng định kỳ các loại men vi sinh chất lượng, đáng tin cậy.
— Duy trì hàm lượng tảo có lợi cho ao nuôi tôm.
— Cung cấp đầy đủ hàm lượng oxy trong ao phục vụ quá trình Nitrat hóa.
— Bố trí quạt nước hợp lý, xi phông loại bỏ các chất thải dưới đáy ao thường xuyên.
— Quản lý cho ăn tốt, bố trí sàng ăn hợp lý tránh dư thừa thức ăn trong ao.
