Chương 5: Vi khuẩn trong hệ thống aquaponic

Vi khuẩn đóng vai trò then chốt trong hệ thống aquaponics, vi khuẩn là cầu nối giữa cá và cây, nó như là bộ máy xử lý chất thải cá thành dinh dưỡng cho cây. Chương này sẽ đánh giá chi tiết hơn về các nhóm vi khuẩn quan trọng trong hệ thống aquaponics bao gồm vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn dị dưỡng trong quá trình khoáng hóa chất thải rắn, nhóm vi khuẩn có hại như vi khuẩn khử nitrat, khử sulfat, các mầm bệnh … Trong chương này cũng sẽ thảo luận về sự phát triển của vi khuẩn trong hệ aquaponics nhất là hệ mới khởi động.

5.1 Vi khuẩn nitrat hóa và bộ lọc vi sinh

Quá trình nitrat hóa có 2 nhóm vi khuẩn quan trọng nhất là Nitrosomonas – nhóm oxy hóa amoniac thành nitrit (AOB), và Nitrobacter – là nhóm oxy hóa nitrit thành nitrat (NOB).

Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

1. Vi khuẩn AOB chuyển amoniac (NH₃) thành nitrit (NO₂-)
2. Sau đó vi khuẩn NOB chuyển đổi nitrit (NO₂-) thành nitrat (NO₃-)

Muốn quá tình nitrat hóa diễn ra hiệu quả cần xây dựng một tập đoàn vi khuẩn mạnh khỏe. Đối với hệ thống mới khởi động điều này có thể mấy nhiều ngày hoặc vài tuần. Nhiều hệ thống đã thất bại ngay từ đầu khi vi khuẩn chưa phát triển mạnh đã thả cá hoặc thả quá nhiều cá.

Các tập đoàn vi khuẩn thường có màu nâu nhạt hoặc màu tro,chúng có độ nhớt và mùi đặc trưng, và không quá hôi. Vi khuẩn đói hỏi có vị trú trú ngụ rộng, chất lượng lướng tốt giàu thức ăn và oxy để phát triển.

5.1.1 Diện tích bề mặt

Diện tích bề mặt của giá thể vi sinh (SSA) càng cao càng tốt cho vi khuẩn. Đơn vị thường dùng cho SSA là m2/m3 (tổng diện tích bề mặt trên mét khối). Nói một cách đơn giản là hạt nhỏ có nhiều lỗ thì tốt cho vi khuẩn. Ví dụ như SSA của hạt đất sét nung (250), hạt lọc kaldnes (>600), các loại vật liệu khác sẽ trình bày chi tiết hơn ở phụ lục 4.

Loại vật liệu	Diện tích bề mặt (m2/m3)	pH	Chi phí	Trọng lượng
Đá túp	300-400	Trung tính	Trung bình	Trung bình
Sỏi núi lửa	200-300	Trung tính	Cao vừa	Nhẹ
Đá vôi	150-200	Bazơ	Rẻ	Rất nặng
Sỏi nhẹ,Đất nung (LECA)	250-300	Trung tính	Cao	Nhẹ
Nắp chai nhựa	50-100	Trơ	Rẻ	Nhẹ
Sơ dừa	200-400	Trung tính	Rẻ vừa	Nhẹ

5.1.2 pH nước

Vi khuẩn nitrat hóa phát triển tốt ở dải pH từ 6 – 8.5. Ở pH cao thì vi khuẩn phát triển tốt hơn, Nitrosomonas hoạt động tốt nhất trong dải pH 7.2 – .7.8, Nitrobacter pH từ 7.2 – 8.2. Tuy nhiên, như chương chất lượng nước đã nói để cân bằng cho cả vi khuẩn, cá, rau thì pH của hệ thống aquaponic chỉ từ 6 – 7.

5.1.3 Nhiệt độ nước

Vi khuẩn phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ từ 17 – 34°C, phạm vi này khuyến khích vi khuẩn tăng trưởng và năng suất xử lý chất thải của vi khuẩn được tăng lên.

5.1.4 Ôxy hòa tan (DO)

Vi khuẩn cần oxy hòa tan trong nước cao để phát triển lành mạnh và có năng suất cao . Mức tối ưu cho cả 3 nhóm sinh vật là 4-8 mg/lít. Nitrat hóa là phản ứng ôxy hóa vì vậy nếu nồng độ oxy giảm dưới 2 mg/lít thì phản ứng dừng lại.

5.1.5 Tia cực tím (UV)

Vi khuẩn nitrat hóa khá nhạy cảm với tia UV có nghĩa là vi khuẩn sợ ánh sáng mặt trời nhất là lúc hệ thống mới đi vào hoạt động. Tốt nhất là nên che chắn không để ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ lọc vi sinh.

5.1.6 Theo dõi hoạt động của vi khuẩn

Khi tất cả các thông số trên được đảm bảo thì có thể đoán vi khuẩn đã có mặt và sinh sôi tuy không thể quan sát bằng mắt thường.

Cách để theo dõi hoạt động của vi khuẩn là test chỉ số amoniac, nitrit, nitrat của nước . Nếu nồng độ amoniac, nitrat tiệm cận 0 mg/l hoặc < 1mg/l có nghĩ là vi khuẩn đang hoạt động tốt. Nếu nồng độ cao hơn 1mg/l có nghĩa là thông số trên không được đảm bảo hoặc bộ lọc vi sinh quá nhỏ không đủ công suất để xử lý .

5.2 Vi khuẩn dị dưỡng và khoáng hóa

Nhóm vi khuẩn quan trọng không kém với aquaponics là nhóm vi khuẩn dị dưỡng lấy carbon hữu cơ để ăn và chủ yếu liên quan đến việc phân hủy chất thải rắn và chất thải thực vật. Hầu hết các loài cá chỉ giữ lại 30 – 40% thực phẩm chúng ăn, có nghĩa là 60-70% những gì chúng ăn được thải ra dưới dạng chất thải.

Trong số chất thải này, 50-70 phần trăm là chất thải hòa tan được giải phóng dưới dạng amoniac. Tuy nhiên, chất thải còn lại là hỗn hợp hữu cơ chứa protein, carbohydrate, chất béo, vitamin và khoáng chất. Các vi khuẩn dị dưỡng chuyển hóa các chất thải rắn này trong một quá trình gọi là khoáng hóa tạo ra các vi chất dinh dưỡng thiết yếu cung cấp cho thực vật trong aquaponics (Hình 5.2).

Các vi khuẩn dị dưỡng, cũng như một số loại nấm xuất hiện tự nhiên, giúp phân hủy phần rắn của chất thải cá, giải phóng các chất dinh dưỡng. Quá trình khoáng hoá là rất cần thiết vì cây không thể hấp thụ các chất dinh dưỡng dưới dạng rắn. Chất thải phải được chia thành các phân tử đơn giản để rễ cây hấp thụ. Vi khuẩn dị dưỡng có thể ăn bất kỳ dạng chất hữu cơ nào, chẳng hạn như chất thải rắn, thức ăn thừa, thực vật chết, hoặc thậm chí là vi khuẩn chết.

Vi khuẩn dị dưỡng cũng yêu cầu lượng oxy hòa tan cao như vi khuẩn nitrat hóa, chúng phát triển rất nhất và tập trung ở nơi chất thải rắn tích tụ, thường ở dưới đáy khay rau trong hệ thống Media bed, hoặc trong bộ lọc trong hệ thống NFT, DWC.

Quá trình khoáng hóa còn được hỗ trợ bởi giun đất, giun quế ấu trùng, và các loài giáp xác.

5.3 Các loại vi khuẩn không mong muốn

5.3.1 Vi khuẩn khử sulfat

Trong điều kiện thiếu oxy loại vi khuẩn này được tìm thấy. Chúng lấy năng lượng từ phản ứng oxy hóa khử tạo ra H₂S ( Hydro sulfua có mùi trứng thối)  là một chất cực độc cho cá.

Hệ aquaponic có mật độ thả cá cao nếu lọc không đủ mạnh và nhanh thì vi khuẩn này sẽ phát triển rất nhanh và tạo ra các chất độc cho cá. Mô hình aquaponics quy mô thương mại thường có bể tách H₂S còn mô hình quy mô nhỏ thì không cần thiết.

Tuy nhiên nếu ngửi thấy mùi trứng thối trong hệ thì phải tăng cường sục oxy và ngăn ngừa tích tụ chất thải.

5.3.2 Vi khuẩn khử nitrat

Trong môi trường thiếu oxy một nhóm vi khuẩn khác cũng khá phổ biến trong aquaponics  đó là vi khuẩn khử nitrat. Chúng khử nitrat thành khí Nitơ làm giảm lượng dinh dưỡng trong nước. Vì vậy, khi hệ thống cân bằng mà lượng nitrat vẫn quá thấp thì cần kiểm tra các máng DWC và tăng cường sục ôxy.

5.3.3 Vi khuẩn gây bệnh

Ngăn chặn mầm bệnh xâm nhập vào hệ thống bằng cách: đảm bảo vệ sinh lao động tốt, tránh sử dụng nguồn nước ô nhiễm, không cho cá ăn thức ăn sống, ngăn ngừa các loài động vật như gà, vịt, chuột, chó, mèo tiếp xúc với hệ thống. Thận trọng với nước mưa vì có thể có phân chim , nếu sử dụng nước mưa phải đảm bảo mái nhà sạch hoặc nước qua xử lý.

5.4 Chu trình khởi động hệ thống ( Chu trình Nitrogen)

Một hệ thống mới đi vào hoạt động thường sẽ có hàm lượng amoniac và nitrit cao, nguyên nhân là tập đoàn vi khuẩn chưa đủ mạnh, thời gian này sẽ kéo dài từ 3 đến 5 tuần có khi cả 2 tháng. Nếu thả cá ngay sẽ dẫn đến việc cá bị ngộ độc và chết hết vì vậy cần phải khởi động hệ thống bằng cách chạy chu trình nitrogen.

Khởi động chu trình nitron gen bằng cách bổ sung Amoniac là nguồn thức ăn ban đầu cho nhóm vi khuẩn AOB. Sau 5-7 ngày, các tập đoàn AOB được hình thành và bắt đầu oxy hóa amoniac thành nitrit. Chúng ta cần bổ sung lượng amoniac  liên tục nhưng cần thận trọng để không trở nên độc hại với AOB. Sau 5-7 ngày tiếp theo, nồng độ nitrit trong nước cũng bắt đầu tăng, do đó sẽ thu hút nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit NOB. Khi dân số NOB tăng thì nồng độ nitrit lại giảm xuống và nồng độ nitrat bắt đầu tăng lên.

Chu trình khởi động kết thúc khi nồng độ nitrit bằng 0 mg/lít, amoniac nhỏ hơn 1mg/lít, và  nồng độ nitrat tăng dần. Một hệ thống mới khởi động mất khoảng 25 đến 40 ngày để hoàn thành chu trình nitrogen ( chu trình nitơ ). Có thể rút ngắn thời gian bằng cách bổ sung vào nước 2 chủng visinh trên để giảm thời gian chờ.

Một số người dùng cá để cung cấp amoniac tuy nhiên cá dễ bị chết vì hàm lượng amoniac và nitrit cao. 1 số lại không đủ kiên nhẫn chờ chu trình kết thúc và thả cá. Trường hợp này nhiều đến nỗi người ta gọi đó là “hội chứng bể mới” (new tank syndrome) và hậu quả là cá cũng bị chết.

Nguồn cung cấp amoniac tốt nhất cho hệ khởi động là thức ăn cho cá vì đây là sản phẩm an toàn , không sử dụng các loại phân động vật khác, thức ăn ko rõ nguồn gốc.

Song hành với việc bổ sung amoniac cần theo dõi nồng độ amoniac, nitrit, nitrat 2-3 ngày/lần, nên ghi chú lại và vẽ ra đồ thị. Chỉ tiêu của amoniac là từ 1-2 mg/lít, nếu quá 3 mg/lít cần phải pha loãng nước, tránh làm vi khuẩn bị ức chế.

5.4.1 Thời gian thả cá và trồng rau.

Say khi chu trình khởi động hệ thống hoàn tất là thời gian thả cá và trồng rau. Riêng rau có thể trồng sớm hơn một chút nếu có sử dụng mô hình media beds . Tuy nhiên sau khi thả cá vẫn phải theo dõi nồng độ của amoniac, nitrit và nitrat để có thể nhanh chóng pha loãng nước nếu nồng độ amoniac và nitrit cao hơn 1mg/l

5.5 CHƯƠNG TÓM TẮT

• Trong aquaponics, amoniac phải được oxy hóa thành nitrat để ngăn ngừa độc tính cho cá.
• Quá trình nitrat hóa là một quá trình vi khuẩn gồm hai bước trong đó vi khuẩn oxy hóa amoniac chuyển đổi amoniac (NH₃) thành nitrit (NO₂-), và sau đó vi khuẩn oxy hóa nitrit chuyển nitrit thành nitrat (NO₃-)
• Năm yếu tố quan trọng nhất để nitrat hóa tốt là: Diện tích bề mặt cao; pH (6-7); nhiệt độ nước (17-34 ° C); DO (4-8 mg / lít); che chắn tia UV tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời
• Chu trình khởi động hệ thống là quá trình ban đầu để xây dựng một tập đoàn vi khuẩn nitrat hóa trong một đơn vị aquaponic mới. Quá trình 3-5 tuần này bao gồm thêm một amoniac vào hệ thống (thức ăn cho cá với nồng độ trong nước 1-2 mg / lít) để kích thích sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa. Điều này nên được thực hiện từ từ và nhất quán. Amoniac, nitrite và nitrate được theo dõi để xác định trạng thái của bộ lọc sinh học. Cá và thực vật chỉ được thêm vào khi nồng độ amoniac và nitrit thấp dưới 1mg/l và mức nitrat bắt đầu tăng.
• Các xét nghiệm amoniac và nitrit được sử dụng để theo dõi chức năng của vi khuẩn nitrat hóa và hiệu suất của bộ lọc sinh học. Trong một hệ thống chức năng, ammonia và nitrite phải gần 0 mg / lít. Mức độ cao của ammonia hoặc nitrite đòi hỏi phải có hành động ngay như pha loãng nước tăng cườn bộ lọc vi sinh. Thông thường, quá trình nitrat hóa kém là do sự thay đổi nhiệt độ nước, DO hoặc pH.
• Một loại vi sinh vật khác xuất hiện tự nhiên trong aquaponics là vi khuẩn dị dưỡng. Chúng phân hủy chất thải rắn, giải phóng một số chất dinh dưỡng vào nước trong một quá trình gọi là khoáng hóa.