Tỷ lệ C/N trong hệ thống biofloc

Tỷ lệ giữa Carbon và Nitơ (C/N) đã được sử dụng để đánh giá tình trạng chất hữu cơ của đất và tính hữu dụng của phân chuồng cũng như các nguồn hữu cơ khác như tính chất đất và phân bón trong nông nghiệp truyền thống từ nhiều thập kỷ. Tỷ lệ C/N cũng là một chỉ số về độ phì của đất đáy ao và chất lượng phân hữu cơ trong nuôi trồng thủy sản. Gần đây, tỷ lệ C/N đã tạo cơ sở cho việc cải thiện phát triển biofloc trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản biofloc.

Nuôi tôm biofloc ở Bạc Liêu     Ảnh: PTC 

Tỷ lệ C/N của chất hữu cơ ổn định trong đất trên cạn thường là khoảng 10:1 - 12:1 và tỷ lệ khoảng 6:1 - 12:1 trong đất ao. Phân hữu cơ có tỷ lệ C/N cao hơn với khoảng từ 20:1 - 100:1. Khi chất hữu cơ bị phân hủy, vi khuẩn sử dụng chúng làm nguồn năng lượng trong hô hấp và CO2 được khoáng hóa vào môi trường. Điều này làm giảm lượng Carbon hữu cơ dư lượng phân hủy trong khi Nitơ được giữ lại với dư lượng trong sinh khối vi khuẩn. Kết quả là giảm tỷ lệ C/N khi dư lượng phân hủy.

Tỷ lệ C/N (trên cơ sở trọng lượng khô) là khoảng 5:1 đối với vi khuẩn và khoảng 10:1 đối với nấm. Vi sinh vật phân rã có hàm lượng Nitơ cao (10% trong vi khuẩn và 5% trong nấm). Bởi vì vi sinh vật đòi hỏi rất nhiều Nitơ để tạo ra các tế bào mới, chúng thường phân hủy dư lượng hữu cơ với nhiều Nitơ nhanh hơn so với chúng phân hủy với ít Nitơ hơn. Dư lượng thường có hàm lượng Carbon cao (30 - 45%), nhưng vi khuẩn và nấm là 50% Carbon. Khi Carbon bị mất do hô hấp của vi khuẩn, tỷ lệ C/N khá ổn định trong đó vi khuẩn hô hấp chậm hơn nhiều so với chất hữu cơ tươi.

Các nghiên cứu về vi sinh vật đất thường chỉ ra rằng vi khuẩn chuyển đổi khoảng 5 - 10 % chất hữu cơ cho các tế bào mới trong quá trình phân hủy trong khi chuyển đổi của nấm là 30 - 40 %. Một nghiên cứu gần đây từ một trường Đại học lớn của Mỹcó một kết quả, trong 100 gram chất hữu cơ tạo ra 3 - 8 gram sinh khối vi khuẩn, 60 - 80 gram CO2 và 13 - 38 gram chất hữu cơ còn lại sẽ tiếp tục phân hủy từ từ trong vài năm. Điều này cho thấy sự chuyển đổi sang các tế bào vi khuẩn mới từ 3,4 đến 12,9%. Vi khuẩn và các vi sinh vật dị dưỡng khác có nhịp sống ngắn và chúng góp phần vào bể chất hữu cơ khi chúng chết. Sinh khối vi sinh có tỷ lệ C/N thấp và phân hủy dễ dàng.

Hiệu suất tăng trưởng vi sinh

Trong vật chất hữu cơ tươi dễ phân hủy, lượng sinh khối vi khuẩn được hình thành trên một đơn vị chất hữu cơ bị phân hủy lớn hơn nhiều so với nghiên cứu trên. Một bài báo năm 2006 của J. Six và các đồng nghiệp được công bố trên tạp chí Soil Science Society of America Journal đã xem xét về hiệu quả tăng trưởng vi sinh vật (MGE) - thường được gọi là hiệu quả đồng hóa Carbon.

Trong phòng thí nghiệm, MGE (gram Carbon trong tế bào vi khuẩn mới /gram Carbon chuyển hóa) dao động từ 0,1 đến 0,85 (trung bình 0,42); 0,01 - 0,70 (trung bình 0,33) trong môi trường thủy sinh và 0,14 - 0,77 (trung bình 0,53) trong đất trên cạn. Phạm vi rộng trong MGE có thể là do sự khác biệt về bản chất của chất hữu cơ bị phân hủy, tức là độ phức tạp hóa học, nồng độ Nitơ, tỷ lệ C/N và điều kiện môi trường. Có thể thấy rằng MGE trong thủy sản ít hơn trong môi trường trên cạn. Việc nghiên cứu cũng cho biết thêm, các mô hình động lực Carbon hữu cơ sử dụng các giá trị MGE từ 0,30 đến 0,55.

Phân bón hữu cơ được bổ sung vào ao nuôi trồng thủy sản có tỷ lệ C/N rộng (thường 20 - 40 hoặc cao hơn) nên chúng sẽ phân hủy khá chậm, vì thiếu Nitơ. Phân bón hóa học có chứa Nitơ thường được áp dụng với phân bón hữu cơ để cung cấp một nguồn Nitơ nhanh chóng để tăng tỷ lệ phân hủy phân hữu cơ và tạo ra khoáng hóa phốt pho để kích thích năng suất sơ cấp.

Thức ăn trong nuôi trồng thủy sản có tỷ lệ C/N thu hẹp từ 7: 1 đến 10: 1, C/N trong phân bón rộng hơn trong thức ăn, nhưng tỷ lệ C/N sinh vật phù du đã chết tương tự như nguồn cấp dữ liệu. Chất hữu cơ được thêm vào và sản xuất tự nhiên trong các ao nuôi trồng thủy sản dựa trên thức ăn cũng như được bổ sung vào ao nuôi và các hệ thống nuôi trồng thủy sản khác phân hủy nhanh hơn nhiều so với phân hữu cơ.

Khi dư lượng phân hủy hữu cơ với tỷ lệ C/N thấp, Nitơ trong phân cao hơn so với vi khuẩn có thể sử dụng cho sự tăng trưởng và Nitơ được khoáng hóa vào môi trường như amoniac. Nói cách khác, càng nhiều Nitơ càng có nhiều amoniac khoáng. Tất nhiên, nếu không có đủ Nitơ trong ao để đáp ứng các yêu cầu của vi sinh vật ngay lập tức, sự phân hủy sẽ chậm. Vi sinh vật phải chết và Nitơ của chúng được tái chế để các chất tồn dư để tiếp tục phân hủy. Trong những tình huống mà amoniac và nitrat dồi dào trong môi trường, vi khuẩn dị dưỡng có thể sử dụng hai dạng Nitơ vô cơ hòa tan trong khi phân hủy chất hữu cơ - một quá trình gọi là cố định Nitơ. Việc sử dụng urê với phân bón hữu cơ được đề cập trước đó nhằm kích thích phân hủy phân hữu cơ, C/N cao bằng cách tạo điều kiện cố định đạm.

Biofloc và Carbohydrate đầu vào

Nuôi trồng thủy sản biofloc rất chuyên sâu và tỷ lệ cho ăn có thể vượt quá 500 kg/ha/ngày. Vi khuẩn ôxy hóa thức ăn thừa, phân và bài tiết trao đổi chất của động vật nuôi cung cấp nhiều NH3-N hơn có thể được sử dụng bởi thực vật phù du và vi khuẩn nitrat hóa. Cộng đồng sinh vật phù du trong một hệ thống sản xuất chuyên sâu chuyển từ sự thống trị của thực vật phù du sang sự thống trị của vi khuẩn dị dưỡng khi tăng tỷ lệ cho ăn. Tuy nhiên, NH3-N tích lũy trong nước vì vi khuẩn phân hủy dư lượng với tỷ lệ C/N thấp và lượng biofloc có thể không lớn.

Biofloc được các loài nuôi ăn và điều này có thể làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn bằng cách tái chế Nitơ thải từ thức ăn thành biofloc. Kiểm soát NH3 cũng là kết quả của việc cố định amoniac hòa tan trong biofloc. Do đó, việc phát triển bioflocs  được khuyến khích trong việc quản lý các hệ thống biofloc.

Theo John Hargreaves, ông đã thảo luận về bioflocs trong một Hội nghị Nuôi trồng Thủy sản Miền Nam và kết luận rằng con đường dị dưỡng (hình thành biofloc) được ưu tiên theo tỷ lệ C/N từ 12:1 đến 15:1. Tỷ lệ C/N cao hơn sẽ dẫn đến sản lượng biofloc lớn hơn để cố định NH3-N . Đề nghị của John Hargreaves là thêm 0,5 - 1 kg một nguồn Carbohydrate như đường cho mỗi kg thức ăn được áp dụng.

Lượng đường hoặc nguồn Carbohydrate khác được áp dụng trong các hệ thống biofloc có thể được tính toán bằng cách bổ sung MGE. Một thử nghiệm được đưa ra trong đó giả định rằng với 35% protein thô (5,6% Nitơ) trong thức ăn được áp dụng ở mức 400 kg/ngày trong một hệ thống biofloc nuôi tôm có thể tích 10.000 m3 với FCR là 1,3. Lượng NH3-N hàng ngày vào nước được ước tính là 14 kg (1,4 mg/L tương đương trong 10.000 m3 nước).

Đồng hóa thành vi khuẩn mới 1,4 mg/L NH3-N sẽ dẫn đến 14 mg/L sinh khối vi khuẩn (1,4 mg/L NH3/ 0,1 mg Nitơ/mg vi khuẩn). Lượng vi khuẩn này chứa 7 mg/L Carbon (14 mg/L vi khuẩn/ 0,5 mg Carbon/mg vi khuẩn). Đường tinh khiết (C6 H12O6) là 40% Carbon. Giả sử, MGE bổ sung là 0,5; Carbon hữu cơ là 14 mg /L (7 mg/L Carbon vi khuẩn/ 0,5 MGE). Đường là 40% Carbon và 35 mg/L nên được áp dụng hàng ngày (14 mg/L đường/ 0,4 mg Carbon/mg đường). Tỷ lệ ứng dụng đường sẽ là 350 kg đường/ngày trong hệ thống 10.000 m3, bởi vì 1 mg/L là 1 kg/ 1.000 m3.

Kết hợp đầu vào của 350 kg đường (40 % C) và 400 kg thức ăn (42 % C; 5,6% N2) kết quả tỷ lệ C/N là 13,8: 1. Tỷ lệ được Hargreaves đề xuất là 12:1 - 15:1. Tỷ lệ đầu vào Carbohydrate ước tính bằng cách sử dụng MGE trong một tỷ lệ C/N là thích hợp. Tỷ lệ đường được tính toán cũng nằm trong khoảng 0,5 - 1,0 kg đường cho mỗi kg thức ăn.

Lượng đường cần thiết trong hệ thống biofloc đại diện cho chi phí và nhu cầu ôxy. Nhu cầu ôxy của đường là 1,07 mg/L ôxy cho mỗi mg/L tăng đường và lượng đường đầu vào 350 kg/ngày vào một hệ thống biofloc 10.000 m3 tương đương 37,5 mg/L.

Carbohydrates phải liên tục được bổ sung vào hệ thống biofloc để duy trì tốc độ hình thành biofloc cao. Trong trường hợp không có chất hữu cơ dễ phân hủy, vi khuẩn sẽ không thể sử dụng amoniac dồi dào và duy trì MGE cao. Sự tích lũy NH3 trong nước sẽ tăng lên MGE sẽ giảm và sẽ có ít biofloc hơn.

Do các biến đổi lớn của MGE trong môi trường thủy sinh và trên cạn đã được báo cáo, các nghiên cứu về MGE trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản biofloc chắc chắn sẽ mang lại nhiều hữu ích cho ngành nuôi thủy sản.