Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Xuân Thịnh NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT DINH DƯỠNG CHỦ YẾU TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG AO NUÔI CÁ TRA VIỆT NAM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2022
2. Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Đặng Xuân Hiển 2. PGS.TS. Trần Văn Nhân Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Theo Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), năm 2019, Việt Nam xuất khẩu cá Tra sang 131 thị trường trong đó có 8 thị trường chính gồm: Trung Quốc – Hồng Kông, Mỹ, EU, ASEAN, Mexico, Brazil, Colombia và Nhật Bản đạt 1,61 tỷ USD [1]. Có thể thấy được ngành sản xuất và chế biến xuất khẩu cá Tra có tầm quan trọng rất lớn đối với sự phát triển của đất nước: Vùng đồng bằng sông Mekong chiếm 12% tổng diện tích và chiếm khoảng 80% lượng sản xuất thủy sản của cả nước. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng này lại dấy lên mối quan tâm từ người tiêu dùng, nhà sản xuất, các tổ chức phi chính phủ, các cơ quan nhà nước về các ảnh hưởng tiêu cực về mặt môi trường và xã hội như ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi chất thải, thức ăn dư thừa, cá chết và hóa chất của các trang trại nuôi và các cơ sở chế biến cá Tra [2]. Với lượng chất thải lớn và nồng độ các chất ô nhiễm khá cao, chất thải từ ao nuôi cá Tra đã và đang ảnh hưởng tới không chỉ với môi trường xung quanh mà còn đối với ngành thủy sản (sức khỏe của cá, các vấn đề lâu dài về sản lượng). Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để mô tả các quá trình diễn ra trong hồ là một giải pháp hữu hiệu nghiên cứu theo dõi diễn biến các thành phần trong hồ nuôi cá Tra, dự đoán các thay đổi của các quá trình với điều kiện môi trường khác nhau. Luận án “Nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra Việt Nam” thực hiện tính toán, mô phỏng các quá trình chuyển hóa của các chất dinh dưỡng chủ yếu, một số quá trình sinh học và mối tương quan của các yếu tố tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra. 1 | T r a n g
4. 2. Mục đích nghiên cứu ✓ Đánh giá được các đặc trưng chất lượng môi trường của ao nuôi; Có được bộ số liệu đánh giá về ảnh hưởng về việc bổ sung enzyme trong thức ăn đề việc giảm phát thải Phốt pho ra môi trường ao nuôi; ✓ Xây dựng được mô hình số phục vụ tính toán, mô phỏng các quá trình chuyển hóa của các chất dinh dưỡng chủ yếu, một số quá trình sinh học và mối tương quan của các yếu tố tác động đến môi trường ao nuôi cá Tra ở ĐBSCL (Việt Nam). 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu - Các chất dinh dưỡng và các thông số chất lượng nước trong ao nuôi cá Tra nước ngọt ở Đồng bằng sông Cửu Long. - Các quá trình sinh học của môi trường ao nuôi cá Tra ở điều kiện Việt Nam; Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ở đây tập trung vào các đặc trưng dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra. - Các quá trình sinh học diễn ra trong ao và sự phát triển của cá đối với các điều kiện ao nuôi. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các thông số đặc trưng chủ yếu của môi trường ao nuôi cá Tra ở điều kiện ĐBSCL (Việt nam); - Khảo sát quy trình bổ sung enzym phytase vào trong thức ăn nuôi cá Tra; - Thiết lập mối quan hệ tương hỗ giữa các thông số môi trường trong ao nuôi cá Tra; - Xây dựng thiết lập mô hình số mô phỏng các thông số môi trường N và P trong nước và bùn đáy ao, mô hình số mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du trong ao nuôi cá Tra. Các phương trình 2 | T r a n g
5. được giải số và được code số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, sau đó được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bằng các bộ số liệu đo thực tế. 4. Các đóng góp của luận án Tính mới của luận án: - Xác định được các thông số đặc trưng về môi trường ao nuôi: DO, 3- - + PO4 , TP, NO3 , NH4 , TN. - Đã đưa ra tỷ lệ bổ sung enzym phytase phù hợp vào trong thức ăn là 0,01% theo trọng lượng khô. - Luận án đã phát triển được mô hình toán mô phỏng các quá trình sinh học trong ao nuôi cá Tra ở Việt Nam; mô hình đã được kiểm nghiệm hiệu chỉnh và cho độ chính xác cần thiết có thể sử dụng giúp tác nghiệp/hỗ trợ công tác quản lý vận hành các ao nuôi cá Tra. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tính sáng tạo: Việc sử dụng mô hình toán để mô phỏng, qua đó điều chỉnh các chế độ dinh dưỡng cho ao nuôi cá giúp cắt giảm chi phí giá thành, thời gian nuôi và giảm thiểu ô nhiễm môi trường thể hiện tính sáng tạo của luận án. - Tính khoa học: Nghiên cứu dựa trên quá trình thu thập, phân tích mẫu của ao nuôi thực tế và dựa trên nguyên lý quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chính N, P, C, O2 qua đó so sánh kết quả đo thực và số liệu của mô hình để hiệu chỉnh đưa ra được mô hình hoàn chỉnh. - Giá trị thực tiễn: Mô hình mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong ao nuôi cá Tra ở Việt Nam rất quan trọng. Mô hình sẽ giúp các trang trại nuôi cá Tra quản lý tốt quá trình nuôi cá bằng cách kiểm soát tốt hơn các yếu tố đầu vào như: thức ăn, nước cấp, thay nước, nạo bùn, giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. 3 | T r a n g
6. Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cá Tra Cá Tra là một trong số 11 loài thuộc họ cá tra (Pangasiidae) đã được xác định ở ĐBSCL. Tên loài Pangasianodon hypophthalmus được Rainboth sử dụng lần đầu vào năm 1996 để chỉ định cho loài cá Tra. Hiện nay đã có 11 loài thuộc họ cá Tra được tìm thấy ở Việt Nam, trong đó có 5 loài là đối tượng nuôi quan trọng trong ao và bè. 1.2 Tổng quan về enzyme trong thức ăn thủy sản Vai trò và tác dụng của enzyme Phytase trong thức ăn thủy sản Phytase làm giảm số lượng các chất dinh dưỡng thải ra môi trường bằng cách tạo ra liên kết phốt pho cho cá tăng trưởng, vì thế nó được đưa vào cơ thể cá thay vì thải ra. Phytase được bổ sung vào chế độ ăn cải thiện prôtein và axit amin tiêu hóa ở cá, ngoài ra nó có thể cải thiện năng lượng trao đổi của thức ăn bằng cách phá vỡ hợp chất phytase-lipid. Các nghiên cứu ứng dụng của enzyme phytase trong nuôi trồng thủy sản Phytase là một enzym có thể giải phóng phytate được đính phosphor (P) để sử dụng trong đường tiêu hoá của vật nuôi dạ dày đơn. Một số thí nghiệm cho thấy việc bổ sung enzyme phytase vào thức ăn giúp thủy phân phytate giải phóng phốt pho và một số dưỡng chất khác từ đó cải thiện được hiệu quả sử dụng thức ăn, phốt pho và tốc độ tăng trưởng của cá. 1.4. Tổng quan về mô hình và mô hình hóa Có rất nhiều mô hình đã được phát triển góp phần vào việc quản lý sông hồ trên thế giới. Mô hình PC Lake nghiên cứu về hiện tượng phú dưỡng trong hồ nông Mô hình mô phỏng các cấu tử trong cột nước và lớp trầm tích bên trên, bao gồm các thành phần hữu sinh và vô sinh quan trọng, mà không phân tầng theo chiều sâu cũng như không có sự sai khác nồng độ các cấu tử theo chiều ngang hoặc chiều dọc của hồ; mô hình cho phép mô phỏng cả vùng đất ngập nước với thảm thực vật ngập nước. 4 | T r a n g
7. Nghiên cứu về mô hình hóa chu trình photpho gây phú dưỡng hồ Loosdrecht Mô hình mô phỏng chu trình photpho và tăng trưởng sinh vật phù du trong hồ nông, phú dưỡng Loosdrecht (Hà Lan) trước và sau các biện pháp phục hồi. Bên cạnh đó mô hình còn mô phỏng ba nhóm tảo bao gồm: tảo lục, tảo lam, tảo cát; động vật phù du, cá, mùn hữu cơ và trầm tích (cacbon và photpho). Nghiên cứu mô hình động lực dinh dưỡng trong ao nuôi cá bán thâm canh Nghiên cứu của Li (2003) đã đưa ra mô hình mô phỏng mối quan hệ giữa các thành phần dinh dưỡng có trong ao nuôi cá rô phi ở sông Nile. Mô hình được phát triển dựa trên phần mềm mô phỏng STELLA II được thiết kế để xác định các yếu tố dinh dưỡng cho quá trình sinh trưởng của cá. Nghiên cứu mô hình phú dưỡng hồ Washington Mô hình nghiên cứu mối tương quan dinh dưỡng phức tạp trong hồ Washington, Hoa Kỳ sử dụng để thử nghiệm các kế hoạch quản lý thay thế bao gồm: các chu kỳ nguyên tố (như C, N, P, Si, O), thực vật phù du (tảo cát, tảo lục, tảo lam), động vật phù du các nhóm được coi là cần thiết. Mô phỏng các chất dinh dưỡng và động học của thực vật phù du trong hồ Bắc Mỹ Bushra (2021) đã mô tả và cung cấp các công thức để dùng phần mềm MINLAKE2020 mô phỏng thực vật phù du không ổn định (được định lượng bằng cách sử dụng nồng độ chlorophyll-a), động vật phù du và các chất dinh dưỡng cho cả giai đoạn có nước bình thường và đóng băng. Các nghiên cứu về xây dựng mô hình mô phỏng trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam Trieu và Minjiao Lu (2013) đã nghiên cứu mô hình mô phỏng ni tơ và phốt pho thải ra từ các điểm khác nhau (nuôi ao và nuôi bè), thải liên tục (nuôi bè) và thải gián đoạn (nuôi ao) ra sông Mekong. 5 | T r a n g
8. N.V.A Tuấn và các cộng sự (2016) cũng đã ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm do nuôi trồng thủy sản trên một số sông lớn tỉnh Quảng Trị. 6 | T r a n g
9. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM 2.1 Thí nghiệm, thu mẫu và phân tích các thông số môi trường ao nuôi Bố trí thí nghiệm P, độ ẩm, đạm Thức ăn thô, protein tiêu hóa Nước cấp Nước ra vào BOD, COD, BOD, COD, - - TSS, H S, NO TSS, H S, NO , 2 2 Bùn đáy - 2 2 , NO , TAN, - 3 NO , TAN, Khối lượng cá, 3 NH , NH , TN, BOD, COD, TSS, 3 4 độ đạm, FCR, TN, TP NH , NH- , TN,- 3 4 PO , TP P, độ ẩm H S, NO , NO , Hình4 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm, thu mẫu phân2 tíchPO 2môi, TP trường3 TAN, NH4 , NH , Nghiên cứu đo đạc các thông số môi trường thông qua nuôi3 thử 4nghiệm cá TN, PO , TP Tra được thực hiện từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2016 trong4 4 ao nuôi với diện tích mỗi ao 200 m2, sâu 2,5 m tại Trang trại thủy sản mẫu (dự án SUPA) quận Cái Răng – tp Cần Thơ. Thí nghiệm gồm 2 nghiệm thức thức ăn có và không có bổ sung enzyme phytase. Mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần và được bố trí trong 4 ao nuôi. Thức ăn được sử dụng là thức ăn cho cá tra có hàm lượng protein thô là 28% và 22%. Phương pháp thu mẫu và phân tích Hàm lượng đạm thô, ẩm độ và hàm lượng phốt pho trong mẫu thức ăn và mẫu cá được phân tích theo phương pháp từ Hiệp hội phân tích hóa học - AOAC, 2000. Ẩm độ: được xác định bằng cách sấy mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105 oC cho đến khi khối lượng không đổi (khoảng 4-5 giờ). Các mẫu được thu thập tại cùng một điểm dưới cầu cho ăn, nơi cá được cho ăn mỗi lần. Độ pH, nhiệt độ và DO được đo được đo trực tiếp tại ao mỗi ngày (lúc 8 giờ sáng và 4 giờ chiều) bằng máy phân tích HANNA. Các mẫu của các 7 | T r a n g
10. 3- thông số khác như COD, BOD, TSS, H2S, TAN, P-PO4 , TKN, TP, N- - - NO2 , N-NO3 đã được thu trước khi nuôi (L1) và 10 ngày một lần vào buổi sáng (tổng cộng 13 lần). Mẫu nước được bảo quản và phân tích tuân theo hướng dẫn và tiêu chuẩn (APHA et al, 1995). 2.2 Phương pháp nghiên cứu thiết lập mô hình Từ các nghiên cứu trước đây về mô hình ao/hồ, một mô hình cấu trúc của các quá trình sinh học diễn ra trong ao nuôi cá Tra được xây dựng như sau: Hình 2.2. Mô hình cấu trúc diễn ra trong ao nuôi cá Tra Mô hình khái niệm Mô hình gồm 13 biến trạng thái gồm: thực vật phù du (3 nhóm: Diatoms, Greens, Cyanobacteria); tổng chất hữu cơ dạng hạt (POC); tổng chất hữu cơ hòa tan (DOC); tổng Nito hữu cơ; tổng Photpho hữu cơ; chất vô cơ + - 3- (NH4 , NO3 , PO4 ); nồng độ oxy hòa tan (DO); số lượng cá; và sinh khối cá trong ao. 10 biến phụ gồm: 6 biến phụ về hàm lượng N và P trong mỗi nhóm thực vật phù du; 4 biến phụ khác: tổng Nito hữu cơ hòa tan (DON), 8 | T r a n g
11. tổng Nito hữu cơ dạng hạt (PON) và tổng Photpho hữu cơ hòa tan (DOP), tổng Photpho hữu cơ dạng hạt (POP). Hình 2.4. Mô hình khái niệm các quá trình xảy ra trong ao nuôi cá Tra Ma trận tác động tương hỗ Trên cơ sở nghiên cứu mối liên hệ giữa các nghiên cứu tổng quan về các chu trình P, N, quá trình phát triển của cá, các quá trình sản xuất bậc 1, bậc 2, quá trình cấp dưỡng, bổ sung thức ăn thiết lập nên ma trận định tính thể hiện mối quan hệ tương hỗ giữa biến trạng thái trong đầm hồ nuôi cá Tra. Xây dựng các phương trình toán học Phương trình sự phát triển của cá trong hồ nuôi cá Tra Dựa trên nghiên cứu của Li (2003), các phương trình về phát triển của cá trong ao nuôi được mô tả như sau: Lượng thức ăn tự dưỡng dưới dạng năng lượng dA퐹푒 / dt = AFG – AFC – AFR – AFM Lượng thức ăn dinh dưỡng dị dưỡng dưới dạng năng lượng dH퐹푒 / dt = AFM + FW – HFC – HFS – HFD 9 | T r a n g
12. FW = SFA ― SFC + TFC ― FA Tổng sinh khối cá trong ao 퐹 = 퐹푃 × 퐹 +퐹 ― 퐹 ― 퐹푃 × × 퐹 푡 푠 푖 2 퐹 = 퐹 × 푒푒 +퐹 × 푠푡 × 푠푛 × 2( ) × 3( ) Tổng khối lượng cá trong ao dFP / dt = F푃푠 – INT(FB 2) Các phương trình tính toán các thông số môi trường Thực vật phù du: ∂PHYT (i,x) = growth ×f × f × f × ∂t max(i) nutrient(i,x) light(i,x) temperature(i,x) ktbm(i)(T(x)―Tref(i)) PHYT(i,x) - bmref(i) × e × PHYT(i,x) ― Vsettling(i) × ftemperature(x) × PHYT(i,x) × fdepth(x) - ∑j=cop, clad Grazing(i,j,x) × ftemperature(j,x) × ZOOP(j,x) ― outflows × PHYT(i, EPI) Động vật phù du: ∂ZOOP (j,x) = gref × f × ∂t (j,x) temperature(j,x) ∑i=diat,green,cyan Grazing(i,j,x) + Grazingdetritus(j,x) × ZOOP(j,i) ― bmref ktbm(j)(T(x)―Tref(j)) e × ZOOP(j,x) ― predation(j,x) ― outflows × ZOOP(푗, 푃 ) Amoni: ∂NH 4(x) = ― ∂t ∑i=diat,green,cyan prefNH4(i,x) × Nup(i,x) × Nfb(i,x) × PHYT(i,x) ― nitrification(x) + ∑ ktbm(i)(T(x)―Tref(i)) i=diat,green,cyan FBMNH4(i) × N(i,x) × bmref(i)e × PHYT(i,x) ∑ N ktbm(j)(T(x)―Tref(j)) + j=cop.clad FBMNH4(j) × × bmref(j)e × ZOOP(j,x) C(j) ∑ + KNmineral(x) × DON(x) + j=cop,clad FENH4(j) × Negestion(j,x) ― outflows × NH4(EPI) Photpho: Phương trình mô tả sự biến đổi của phốt pho trong ao nuôi cá: 10 | T r a n g
13. ∂PO 4(x) = ― ∂t ∑ ∑ ktbm(i)(T(x)―Tref(i)) ∑ ktbm(j)(T(x)―Tref(j) ∑ i=diat,green,cyan Pup(i,x) × Pfb(i,x) × PHYT(i,x) + i=diat,green,cyan FBMPO4(i) × P(i,x) × bmref(i)e × PHYT(i,x) + j=cop,clad FBMPO4(j) × P/C(j) × bmref(j)e × ZOOP(j,x) + KPmineral(x) × DOP(x) + j=cop,clad EFPO4(j) × Pegestion(j,x) ― outflows × PO4(EPI) Oxy hòa tan (DO): Phương trình mô tả sự biến đổi của ôxy hoà tan trong ao nuôi cá: ∂DO (x) = ∂t DO(x) ktbm(i)(T(x)―Tref(i)) ∑i=diat,green,cyan(1.3 ― 0.3 × prefNH4) × Growth(i,x) × RESPDO/C × PHYT(i,x) ― ∑i × bmref(i)e × RESPDO/C × PHYT(i,x) KHEXUD(i) DO(i) DO(x) ktbm(j)(T(x)―Tref(j)) ― ∑j × bmref(j)e × RESPDO × ZOOP(j,x) KHEXUD(j) DO(x) C DO(x) ― × K × RESPDO × DOC ― nitrification × DO(x) KHOOXRESP respdoc(x) (x) (x) C Kreaeration×Surface area NITRIF O + Epilimnion Volume × DOS ― DO(epi) NH4 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân Phương pháp giải hệ phương trình vi phân bằng thuật toán Runge Kutta bậc 4. Số hóa các phương trình Các phương trình toán được giải bằng phương pháp số sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab 2019. 11 | T r a n g
14. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu khảo sát biến động môi trường trong ao nuôi 3.1.1 Biến động Nhiệt độ, pH, DO giữa đối chứng và thí nghiệm Trong ao đối chứng (Control Pond - CT), các thông số vào buổi sáng và buổi chiều dao động trong các phạm vi nhiệt độ 29,3-33,3 oC, pH 6,8-8,5, và DO 1,6-8,3 mg/L. Trong ao thí nghiệm (Experiment Pond - ET), các thông số cũng dao động trong phạm vi nhiệt độ 29,5-33,1 oC, pH 7,0-8,0 và DO 2,0-8,5 mg/L. 10 DO (mg/L) CT-sang 8 ET-sang CT-chieu 6 4 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Thời gian (ngày) Hình 3.1. Biến động DO trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau 3.1.2 Biến động của BOD và COD Giá trị COD biến động ở mỗi mẫu thu được trong cả ao đối chứng (CT) và ao thí nghiệm (ET) khi thêm phytase. COD trước khi tăng ở ET là: 35,5 ± 1,36 mg/L và ở CT 23,5 ± 2,04 mg/L (P> 0,05) và COD sau khi thu hoạch ở ET là 57,6 ± 4,53 và tại CT là 20,8 ± 2,26 mg/L (P < 0,05). Tại ET, COD dao động trong khoảng 28.8-156 mg/L, giá trị trung bình của COD trong cả giai đoạn là 62,4 ± 33,2 mg/L cao hơn CT (COD 20,8-119 mg/L, giá trị trung bình là 47,5 ± 30,6 mg/L). 12 | T r a n g
15. COD mg/L mgCOD/g cá 180 160 120 CT 140 100 ET CT 120 80 100 ET 80 60 60 40 40 20 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thời gian (ngày) 100 110 120 130 Thời gian (ngày) Hình 3.2. Biến động COD trong ao nuôi cá Tra ở các thời điểm khác nhau BOD mg/L mg 25 BOD/g CT 35 cá ET 20 30 25 15 CT 20 ET 10 15 10 5 Thời gian (ngày) 5 Thời gian (ngày) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.3. Giá trị BOD trong ao nuôi cá Tra ở các thời điểm khác nhau 3.1.3 Biến động của TSS Giá trị TSS không có sự khác biệt đáng kể giữa ao đối chứng (CT) và ao thí nghiệm (ET) khi thêm phytase (p> 0,05). Trong CT, giá trị TSS là 26,5 - 222 mg/L, trung bình là 118 ± 60,5 mg/L. Trong ao thí nghiệm, TSS là 35,0 - 208 mg/L, trung bình là 116 ± 67,0 mg/L. Giá trị TSS trong nghiên cứu này có xu hướng tăng theo thời gian nuôi (L1 - L9). 13 | T r a n g
16. TSS mg/L 250 mg TSS/ g cá CT 200 ET 150 CT 150 ET 100 100 50 50 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 30 50 70 90 110 130 Hình 3.4. Hàm lượng của TSS trong ao nuôi cá Tra ở các thời điểm khác nhau + 3.1.4 Biến động của TAN, NH3 và NH4 Giá trị TAN của ao được thể hiện trong hình dưới. Trong ao đối chứng CT, trung bình TAN là 1,78 ± 0,035 mg/L (0,172 - 1,1 mg/L) và giá trị trung bình của ao thí nghiệm là 1,83 ± 0,047 mg/L (0,16 – 3,04 mg/L). TAN đã tăng nhanh từ mẫu thứ nhất đến mẫu thứ năm và giảm dần vào cuối kỳ. Những kết quả này cũng tương tự với các nghiên cứu khác của Nguyễn Thanh Phương et al. (2012) [118] với TAN trong ao là khoảng 2,86 – 4,06 mg/L. TAN mg/L mgTAN/ g cá 3.5 CT 3.0 3.0 CT ET 2.5 2.5 ET 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 Thời gian (ngày) 0.5 Thời gian (ngày) 0.0 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.5. Dao động của TAN trong ao nuôi cá Tra ở các thời điểm khác nhau 14 | T r a n g
17. + TAN là tổng giá trị của NH 3 và NH4 , trong đó NH3 là khí rất độc cho cá. NH3 trong ao đối chứng CT là khoảng 0,005 – 0,25 mg/L, trung bình 0,043 ± 0,067 mg/L; trong ao thí nghiệm ET là 0,002 – 0,172 mg/L, trung bình 0,042 ± 0,050 mg/L. 3.1.5 Biến động TP Giá trị TP trong ao đối chứng và ao thí nghiệm ngày càng tăng, đặc biệt từ mẫu thứ 8, giá trị TP trong ao thí nghiệm thấp hơn đáng kể (p < 0,05) so với ao đối chứng. Điều này đã được thể hiện rõ ở mẫu thứ 9 và 13, nồng độ TP tại ao thí nghiệm có thêm phytase (1,82 mg/L và 3,14 mg/L) thấp hơn nhiều so với ao đối chứng (3,49 mg/L và 3,47 mg/L). Do đó, việc bổ sung phytase vào thức ăn đã tạo ra kết quả tốt hơn, giảm TP và cải thiện điều kiện môi trường trong các ao nuôi cá Tra. 5.0 TP mg/L 2.0 mg TP/g cá CT 4.0 ET CT 1.5 3.0 ET 1.0 2.0 0.5 1.0 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 0.0 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.10. Giá trị TP trong ao nuôi cá Tra ở các thời điểm khác nhau 15 | T r a n g
18. 3.1.6 Biến động TN, TP bùn đáy ao mgTP/L bùn (a) mgTP/L 6 8 bùn/g cá 7 5 CT CT 6 ET 4 5 ET 4 3 3 2 2 1 Thời gian (ngày) 1 Thời gian (ngày) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.11. Biến động TP trong bùn ao cá Tra ở các thời điểm khác nhau 3- Nồng độ P-PO4 tăng từ đầu đến cuối giai đoạn nuôi trong cả ao đối chứng 3- CT và ao thí nghiệm ET. Giá trị trung bình của P-PO 4 tại ao đối chứng: 1,15 ± 1,07 mg/L (dao động từ 0,045 – 3,16 mg/L) cao hơn ao thí nghiệm: 0,816 ± 0,68 mg/L (dao động từ 0,07 – 1,88 mg/L) (p > 0,05). mgTN/L bùn (b) mg 5 4.5TN/L CT bùn/g cá 4 4.0 ET 4 3.5 CT 3 3.0 ET 3 2.5 2 2.0 2 1.5 1 1.0 Thời gian (ngày) 1 0.5 Thời gian (ngày) 0 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Hình 3.12. Hàm lượng TN trong bùn ao cá Tra ở các thời điểm khác nhau 16 | T r a n g
19. 3.1.7 Đánh giá ảnh hưởng của bổ sung enzime phytase lên hiệu quả sử dụng thức ăn và môi trường ao nuôi cá Tra Đánh giá tốc độ tăng trưởng, tỉ lệ sống và hiệu quả sử dụng thức ăn của cá Tra ở thí nghiệm Kết quả thí nghiệm cho thấy tăng trưởng tuyệt đối (DWG) của cá ở nghiệm thức bổ sung phytase điều thể hiện cao hơn và có ý nghĩa thống kê (P<0,05) so với nghiệm thức đối chứng qua các lần thu mẫu. Hiệu quả của bổ sung enzyme phytase lên môi trường 3- Kết quả phân tích cho thấy: Hàm lượng P-PO 4 , TP và TP bùn tại ao thí nghiệm thấp hơn lần lượt là 40,9%, 23,6% và 23,9% so với ao đối chứng đều nằm ở mức thích hợp cho cá Tra nuôi. Do đó việc bổ sung enzyme phytase đã giúp làm giảm hàm lượng phốt pho trong ao nuôi cá Tra. 3.2. Mô phỏng quá trình phát triển và chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao 3.2.1 Ôxy hòa tan Kết quả từ việc thu thập và phân tích số liệu cho thấy hàm lượng DO ban đầu 6,5 mg/L là khá cao trong những ngày bắt đầu nuôi và giảm dần trong 20 ngày đầu xuống ở mức 2,7 mg/L. Sau đó nồng độ DO lại tăng dần trong những ngày tiếp theo và đạt đỉnh ở ngày thứ 40 ở mức 6,8 mg/L. Hàm lượng DO trong ao nuôi 8.0 Hàm lượng DO 10 CT 1 DO thực tế 6.0 CT 2 ET 1 DO tìm được từ mô hình 4.0 5 2.0 Hàm lượng DO (mg/L) 0.0 Hàm lượng DO (mg/L) 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 100 110 120 Hình 3.19. Biến thiên nồng độ DO tại ao nuôi thực địa (trái) mô phỏng biến thiên của DO trong ao nuôi cá (phải) tại các thời điểm khác nhau 17 | T r a n g
20. Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ DO từ mô hình không có sự khác biệt quá lớn so với nồng độ DO đo được từ thực tế. Sai số của kết quả mô phỏng so với thực tế trong khoảng 5,1 – 27%, trung bình 12,58% và đều cùng chung xu thế biến thiên với nhau. 3.2.2 Phốt pho Các chất nitơ vô cơ và phốt pho vô cơ được coi là những thành phần cần thiết trong chất dinh dưỡng nuôi cá. Tổng nitơ vô cơ hòa tan và phốt pho hòa tan trong nước và tổng nitơ và phốt pho trầm tích được coi là bốn biến trạng thái quan trọng. Do không có số liệu thực tế nên photpho hữu cơ được hiệu chỉnh gián tiếp qua TP (tổng phốt pho). Như vậy kết quả hiệu chỉnh của photpho giữa giá trị thực tế và mô hình được biểu diễn qua: PO4 và TP. Sai số trung bình của đồ thị hiệu chỉnh PO4 và TP lần lượt là 40 % và 30,83% (≤40%). Sự sai khác mà mô hình không thể mô phỏng là bởi các yếu tố khách quan như sự thay đổi trong điều kiện thời tiết, nhiệt độ không còn lý tưởng, hay bởi lượng nhỏ cá chết (0-6%) trong suốt quá trình sinh trưởng, phát triển của cá Tra, thay đổi trong việc quản lý của con người: bổ sung và thay nước. Đồ thị hiệu chỉnh PO4 Đồ thị hiệu chỉnh TP 3.5 5 PO4 thực tế 3 4 PO4 mô hình 2.5 TP thực tế 3 2 1.5 2 TP (mg/L) 1 PO4 (mg/L) 1 0.5 0 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 3- Hình 3.21. Đồ thị hiệu chỉnh PO4 (trái) và TP (phải) trong ao nuôi cá theo thời gian 18 | T r a n g
21. 3.2.3 Nitơ Do không có số liệu thực tế nên nito hữu cơ được hiệu chỉnh gián tiếp qua TN (tổng nitơ). Như vậy kết quả hiệu chỉnh của nitơ giữa giá trị thực tế và mô hình được biểu diễn qua: NO3, NH4 và TN. Đồ thị hiệu chỉnh NO3 1 Đồ thị hiệu chỉnh NH4 3 NO3 thực tế 0.8 2.5 NH4 thực tế NO3 mô NH4 mô 0.6 hình 2 hình 1.5 0.4 NO3 (mg/L) NH4 (mg/L) 1 0.2 0.5 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) - + Hình 3.23. Đồ thị NO3 (trái) và NH4 (phải) trong ao nuôi cá theo thời gian Sai số trung bình của đồ thị hiệu chỉnh NO 3 và NH4 lần lượt là 21,9 % và 21,4% trong 70 ngày đầu khảo sát. Ở 30 ngày sau đó giá trị tìm được của mô hình tiếp tục tăng dần trong khi giá trị đo đạc từ thực tế giảm xuống nhanh chóng. Sai số trong 30 ngày cuối khi hiệu chỉnh NO3 cho thấy sự sai khác rất lớn (> 40%). 3.2.4 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước Tổng nitơ (TN) trong cột nước ở ao đối chứng (DC) có giá trị trung bình là 4,38±1,88 mg/L (0,659-6,79 mg/L) và ao thí nghiệm là 4,48±1,84 (0,975- 6,55 mg/L). TN tăng nhẹ trong giai đoạn đầu kỳ và đạt giá trị cao nhất vào ngày thứ 60 và 70, sau đó giảm dần về cuối chu kỳ nuôi. 19 | T r a n g
22. Tổng N trong cột nước Tổng P trong cột nước 8.0 5.0 6.0 4.0 3.0 4.0 CT 1 Nồng độ (mg/L) CT 2 2.0 ET 1 Nồng độ (mg/L) 2.0 ET 2 CT 1 1.0 CT 2 ET 1 ET 2 0.0 0.0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 100 110 120 Hình 3.26. Đồ thị tổng N (trái) và tổng P (phải) trong cột nước thời gian trong ao nuôi cá Giá trị tổng phốt pho (TP) trong ao đối chứng (DC) và ao thí nghiệm (TN) tăng dần theo thời gian, đặc biệt từ ngày thứ 70, giá trị TP trong ao thí nghiệm thấp hơn đáng kể so với ao đối chứng. Mô phỏng tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi cá Tra Kết quả cho thấy sai số của mô phỏng so với số liệu thực của thí nghiệm nằm trong khoảng rất rộng từ 0,5 đến 251%, trong đó sai số thấp nhất ở ngày thứ 60-70 và cao nhất ở ngày thứ 10, sai số trung bình là 47,19%. Đối với TP, sai số nằm trong khoảng 0,84 - 65,38%, trong đó sai số thấp nhất vào ngày thứ 80 và cao nhất vào ngày thứ 10, sai số trung bình là 23,06%. 20 | T r a n g
23. Tổng N trong cột nước Tổng P trong nước 10.00 4.50 4.00 8.00 3.50 3.00 6.00 2.50 2.00 4.00 Nồng độ P (mg/L) Nồng độ N (mg/L) Thực tế 1.50 1.00 Thực tế 2.00 Mô hình 0.50 Mô hình 0.00 0.00 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 100 110 120 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) Hình 3.28. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá 3.2.5 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng Tổng N trong bùn lắng Tổng P trong bùn lắng 4.0 8.0 CT 1 CT 2 ET 1 3.0 6.0 ET 2 2.0 4.0 CT 1 Hàm lượng (mg/L) 1.0 Hàm lượng (mg/L) CT 2 2.0 ET 1 ET 2 0.0 0.0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Thời gian (ngày) 100 110 120 Thời gian (ngày) Hình 3.29. Đồ thị thể hiện tổng N (TN) (trái) và tổng P (TP) (phải) trong bùn lắng Ở ao đối chứng (CT), giá trị trung bình TN là 2,21 ± 0,88 mg/L, trong khi TN dao động từ 0,513 mg/L đến 3,66 mg/L; ở ao thí nghiệm (ET) là 2,34 ± 0,82 mg/L và dao động từ 0,9 mg/L đến 3,67 mg/L. TN tăng ngay từ đầu 21 | T r a n g
24. chu kỳ nuôi và dao động từ ngày thứ 50 - 60 sau đó tăng nhanh về cuối kỳ. Điều này là do nitơ đã được tích tụ trong bùn lắng. TP trong bùn lắng cũng tăng nhẹ đặc biệt từ ngày 30 đến cuối vụ, giá trị trung bình của TP ở ao đối chứng là 2,7 ± 1,19 mg/L (dao động trong khoảng 1,51 - 5,54 mg/L), ở ao thí nghiệm là 3,37 ± 1,53 mg/L (dao động trong khoảng 1,77 - 6,67 mg/L). Mô phỏng Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng trong ao nuôi thực địa Tổng N trong bùn lắng Tổng P trong bùn 4.50 8.00 4.00 7.00 3.50 6.00 3.00 2.50 5.00 2.00 4.00 1.50 3.00 Thực tế Nồng độ P (mg/L) 1.00 Nồng độ N (mg/L) Thực tế Mô hình 2.00 0.50 Mô hình 1.00 0.00 0 0.00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thời gian (ngày) 100 110 120 Thời gian (ngày) Hình 3.31. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong bùn lắng Nhận xét Sau hiệu chỉnh mô hình cho kết quả tương đối gần với thực tế, tuy nhiên vẫn có một số điểm sai số. Kết quả sau quá trình hiệu chỉnh, tương quan với số liệu thực tế đạt 60-80%. Mô hình đã mô phỏng được các quá trình diễn ra trong hồ và dự đoán được các xu thế biến đổi theo thời gian. Mô hình bao gồm các phương trình mô tả toán học sự phát triển của cá trong hồ nuôi cá Tra (gồm dinh dưỡng thức ăn, sự tăng trưởng của cá, chất dinh dưỡng cơ bản và oxy hoà tan). 22 | T r a n g
25. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết quả nghiên cứu tại ao thực địa Nghiên cứu dựa trên quá trình thu thập, phân tích mẫu của ao nuôi thực tế và kết quả nghiên cứu cho thấy: - Đối với các yếu tố vật lý của môi trường nước trong ao (pH, nhiệt độ, TSS): Trong ao đối chứng (CT) các thông số vào buổi sáng và buổi chiều dao động trong các phạm vi nhiệt độ 29,3-33,3oC, pH 6,8-8,5; trong ao thí nghiệm (ET) các thông số cũng dao động trong phạm vi nhiệt độ 29,5-33,1oC, pH 7,0-8,0. - Đối với các thông số hóa học: DO (ao CT): 1,6-8,3 mg/L, DO (ao ET): 2,0-8,5 mg/L; COD (ao CT): 20,8-119 mg/L, COD (ao ET): 35,5 – 57,6 mg/L; BOD (ao CT): 6,26 – 16 mg/L, BOD (ao ET): 8,85 – 18 mg/L; TAN (ao CT): 0,172 - 1,1 mg/L, TAN (ao ET): 0,002 – 0,172 mg/L; N-NO2 (ao CT): 0,009 – 0,15 mg/L, N-NO2 - (ao ET): 0,012 – 0,377 mg/L; N-NO3 (ao CT): 0,009 – 1,21 mg/L, - 3- N-NO3 (ao ET): 0,043 – 0,715 mg/L; P-PO4 (ao CT): 0,045 – 3,16 3- mg/L, P-PO4 (ao ET): 0,07 – 1,88 mg/L. - Việc thêm enzyme phytase giúp làm giảm hàm lượng phốt pho thải 3- ra trong quá trình nuôi cá Tra trong ao. Cụ thể: hàm lượng P-PO 4 , TP và TP tại ao thí nghiệm (bổ sung enzyme phytase) thấp hơn lần lượt là 40,9%, 23,6% và 23,9% so với ao đối chứng (không bổ sung enzyme). Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình - Trên cơ sở phân tích và đánh giá các ma trận ảnh hưởng tương hỗ của các quá trình sinh học trong ao nuôi đã thiết lập được các phương trình toán học mô tả các quá trình sinh học trong ao nuôi cá Tra. Các phương trình này được giải số bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 và được code số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. - Mô hình số được xây dựng đã mô tả được các quá trình dinh dưỡng, ảnh hưởng của thức ăn bổ sung và các nguyên tố dinh dưỡng N, P đến sinh trưởng, tăng trưởng, mô tả được sự phát triển của cá trong ao nuôi cá Tra. 23 | T r a n g
26. - Mô hình số ở đây đã được hiệu chỉnh và thử nghiệm bằng cách sử dụng bộ dữ liệu của các ao nuôi cá Tra thực tế (tại thành phố Cần Thơ). - Các tham số VPsettling; KCrefdissolution; KNrefdissolution; KNrefmineral; KPrefmineral có ảnh hưởng lớn nhất đến các thông số môi trường mô phỏng trong ao nuôi. Cụ thể, các tham số có ảnh hưởng lớn nhất đối với COD, TSS là VPsettling, KCrefdissolution, FBMDOC(i), FBMPOC(i), KrefrespDOC, kfo. Các tham số ảnh hưởng lớn nhất tới TN là: VPsettling, kfn, KNrefdissolution, KNrefmineral. Các tham số ảnh hưởng lớn nhất tới TP là: - + VPsettling, KPrefmineral. Của NO 3 , NH4 là: kfn, KNrefmineral, Ψ (i), nitrifmax; 3- PO4 là: kfp, KPrefmineral; DO là: KCrefdissolution, kfo, Kreaeration. Các tham số đặc trưng của mô hình toán cho ao nuôi cá Tra Việt Nam phù hợp với điều kiện Đồng bằng Sông Cửu Long là KNrefdissolution, KNrefmineral, KPrefmineral, Kreaeration, KrefrespDOC. - Kết quả mô hình sau hiệu chỉnh tương đối gần với thực tế, tuy nhiên vẫn có một số điểm sai số có thể có thể do trong quá trình thí nghiệm thực tế, một số yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện môi trường như thời tiết, nước đầu vào. Kết quả sau quá trình hiệu chỉnh tương quan với số liệu thực tế từ 60-80%. Kiến nghị Do sai số của mô hình vẫn còn tương đối lớn, sự khác biệt giữa mô hình với số liệu thực tế còn cao nên mô hình cần được nghiên cứu thêm để tìm ra các yếu tố động lực học phù hợp cho mô hình ao nuôi cá Tra tốt nhất tại Việt Nam. Cần phải thu thập thêm nhiều các thông số môi trường khác ở các ao nuôi thực địa trên nhiều địa bàn ở nhiều thời điểm khác nhau kèm theo các thông số liên quan đến thủy văn, thời tiết, của khu vực để phục vụ quá trình tính toán và hoàn chỉnh mô hình. 24 | T r a n g
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Trương Ngọc Trinh, Lê Xuân Thịnh, Dương Nhựt Long. Ảnh hưởng của mật độ lên sự lựa chọn thức ăn và tăng trưởng của cá Tra khi ương từ giai đoạn bột lên giống. Báo cáo Hội nghị Khoa học trẻ Thủy sản toàn quốc lần thứ VI, 2015. Viện nghiên cứu nuôi trồng thủy sản III. 2. Truong Ngoc Trinh, Le Xuan Thinh, Duong Nhut Long. Technical Solution for Improving and Enhancing the survival rate of stripped catfish (Pangasius) during fingerling nursing state. Proceeding of 5th International Fisheries Symposium Dec 2015, Penang Malaysia. 3. Le Xuan Thinh, Dang Xuan Hien, Tran Van Nhan, Nguyen Hoang Thanh. Research on the effects of environmental water factors to the growth and survival rate of catfish (Pangasianodon hypophthalmus) with different densities in the Mekong farm. Proceeding at International Conference “Environmental Engineering and Management for Sustainable Development” ISBN: 978-604-95-0000-8. Sep. 2016. 4. Le Xuan Thinh. Dang Xuan Hien. Truong Ngoc Trinh. Evaluating the addition of enzyme phytase to feed consumption efficiency and phosphorous concentration in the outlet water and sludge of pangasius pond. The 10th Regional Conference on Environmental Engineering 2017 (RC EnE 2017) ISBN 987-604-95-0308-5. Oct 2017. 5. Le Xuan Thinh. Dang Xuan Hien. Truong Ngoc Trinh. Effect of enzyme phytase on the water environment of Vietnamese pangasius pond. Journal of Vietnamese Environment. ISSN: 2193-6471 Vol 10 No 1 (2018) (TU Dresden - Germany) 6. Le Xuan Thinh. Dang Xuan Hien. Tran Van Nhan, Truong Ngoc Trinh. Identifying the relationship of environmental water factors in pangasius pond as adding phytase enzyme to feed. Proceeding at Workshop on Green Technologies for sustainable development (GreenTech 2018). Science and Technics Publishing House ISBN: 978- 604-67-1146-9, Oct 2018. 7. Le Xuan Thinh, Dang Xuan Hien, Tran Van Nhan. Application of a mathematic model to evaluate the impact of temperature to plankton development processes in the pangasius (pangasianodon hypophthalmus) production pond in Viet Nam. Vietnam Journal of Science and Technology 58 (3A) (2020) 59-67; doi:10.15625/2525- 2518/58/3A/14252. 8. Le Xuan Thinh, Dang Xuan Hien, Tran Van Nhan. Establish a Mathematical Model for Key Nutrients in Catfish Ponds. American Journal of Environmental Science and Engineering 2021; 5(4): 87-94. doi: 10.11648/j.ajese.20210504.12; ISSN: 2578-7985 (Print); ISSN: 2578-7993 (Online) 9. Le Xuan Thinh, Dang Xuan Hien, Tran Van Nhan. Use a mathematical model to simulate the nutrients (N, P) in water and sediment of catfish (pangasianodon hypophthalmus) ponds in Vietnam. Vietnam Journal of Science and Technology (accepted for publication). 25 | T r a n g