Chương 5: Vi sinh trong hệ thống aquaponic

Chương này sẽ đánh giá chi tiết về các nhóm vi khuẩn quan trọng bao gồm vi khuẩn dị dưỡng trong quá trình khoáng hóa chất thải rắn, vi khuẩn có hại – khử nitrat, khử sulfat, các mầm bệnh, và cuối cùng sẽ thảo luận về sự phát triển của vi khuẩn trong hệ aquaponic mới.

5.1 Vi khuẩn nitrat hóa và bộ lọc vi sinh
Có 2 nhóm vi khuẩn quan trọng nhất của quá trình nitrat hóa là Nitrosomonas – là nhóm ôxy hóa amoniac thành nitrit (AOB), và Nitrobacter - là nhóm ôxy hóa nitrit thành nitrat (NOB). Quá trình diễn ra như sau:

Để quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả, cần xây dựng một tập đoàn vi khuẩn khỏe mạnh, điều này có thể mất nhiều ngày đôi khi hàng tuần sau khi đi vào hoạt động. Nhiều hệ thống đã thất bại khi vi khuẩn chưa phát triển đầy đủ đã bắt đầu nuôi quá nhiều cá.

Thông thường, các tập đoàn vi khuẩn có màu nâu nhạt hoặc màu tro, có độ nhớt và mùi đặc trưng, không quá hôi. Vi khuẩn đòi hỏi một vị trí rộng, chất lượng nước tốt, đầy đủ thức ăn và ôxy 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 của SSA là m²/m³ – tổng diện tích bề mặt trên mét khối. Nói đơn giản là hạt nhỏ có nhiều lỗ thì tốt cho vi khuẩn. Ví dụ như hạt đất sét nung (250), hạt lọc kaldnes (>600), các loại vật liệu khác sẽ nói rõ ở phụ lục 4.

5.1.2 pH nước
Vi khuẩn nitrat hóa phát triển tốt ở mức pH từ 6 – 8.5. Ở pH cao thì vi khuẩn phát triển tốt hơn, Nitrosomonas hoạt động tốt nhất trong khoảng pH 7.2 - .7.8, Nitrobacter pH từ 7.2 – 8.2. Tuy nhiên, 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^oC, phạm vi này khuyến khích tăng trưởng và năng suất.

5.1.4 Ôxy hòa tan (DO)
Vi khuẩn cần ôxy trong nước để phát triển lành mạnh và có năng suất. Mức tối ưu cho cả 3 nhóm sinh vật là 4-8 mg/lít. Nitrat hóa là phản ứng ôxy hóa, nếu nồng độ ôxy 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, nhất là lúc hệ thống mới đi vào hoạt động. Tốt nhất nên để bộ lọc vi sinh tránh bị ánh sáng mặt trời dọi trực tiếp.

5.1.6 Theo dõi hoạt động của vi khuẩn
Nếu tất cả 5 thông số trên được đảm bảo, thì có thể đoán vi khuẩn đã có mặt và sinh sôi. Tuy nhiên, vi khuẩn là vi sinh vật, không thể thấy bằng mắt thường. Có một cách khác để theo dõi hoạt động của vi khuẩn là kiểm tra nồng độ amoniac, nitrit luôn phải nhỏ hơn 1mg/lít. Nếu nồng độ này cao hơn, có thể là do 5 thông số trên không được đảm bảo hoặc do bộ lọc vi sinh quá nhỏ.

5.2 Vi khuẩn dị dưỡng và khoáng hóa
Có một nhóm vi khuẩn khác cũng quan trọng là nhóm vi khuẩn dị dưỡng, lấy carbon hữu cơ để ăn. 60 – 70% lượng thức ăn bị cá thải ra, trong số đó 50 – 70% là amoniac, còn lại là một 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 cần thiết cho thực vật.

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 ôxy hòa tan cao như vi khuẩn nitrat hóa, nhưng khả năng phát triển rất nhanh, 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, ấu trùng, và các loài giáp xác.

5.3 Các loại vi khuẩn không mong muốn
5.3.1 Vi khuẩn làm giảm sulfat
Loại vi khuẩn này được tìm thấy trong điều kiện thiếu ôxy, chúng lấy năng lượng từ phản ứng ôxy hóa khử, tạo ra Hydro sulfua H₂S – là chất cực độc cho cá. Trong hệ thống aquaponic có mật độ thả cá cao, nếu không lọc đủ nhanh thì loại vi khuẩn này sẽ nhân lên và tạo ra các chất độc hại. Với mô hình aquaponic quy mô lớn thường có một bể tách khí H₂S, với mô hình quy mô nhỏ thì không cần thiết nhưng nếu ngửi thấy mùi hôi như trứng thối thì cần tăng cường ôxy và ngăn ngừa tích tụ chất thải. 

5.3.2 Vi khuẩn khử nitrat
Nhóm vi khuẩn này khá phổ biến trong mô hình DWC, cũng phát triển trong môi trường thiếu ôxy, chuyển nitrat thành khí nitơ. Trong hệ thống aquaponic, vi khuẩn này 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 kênh nước và tăng cường sục ôxy.

5.3.3 Vi khuẩn gây bệnh
Ngăn chặn mầm bệnh xâm nhập bằng cách: đảm bảo vệ sinh lao động tốt, ngăn ngừa các loài động vật như gà, vịt, chuột, chó, mèo tiếp xúc với hệ thống, tránh sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm, không cho cá ăn thức ăn còn sống. Điều đặc biệt quan trọng là không nên sử dụng nước mưa từ mái nhà có thể chứa phân chim, trừ khi nước đã qua xử lý.

5.4 Chu kỳ hệ thống 
Khi một hệ thống aquaponic mới đi vào sử dụng, hàm lượng amoniac và nitrit tương đối cao. Nguyên nhân do đây là thời gian hình thành các tập đoàn vi khuẩn, kéo dài khoảng 3-5 tuần. Trong thời gian này, đảm bảo tất cả các bộ phận của aquaponic tránh ánh sáng trực tiếp, nhất là bể cá và bộ lọc vi sinh.

Một khi được đưa vào hệ thống, amoniac thành nguồn thức ăn ban đầu cho nhóm vi khuẩn AOB. Sau 5-7 ngày, các tập đoàn AOB được hình thành và bắt đầu ôxy hóa amoniac thành nitrit. 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 ôxy hóa nitrit NOB. Khi dân số NOB tăng thì nồng độ nitrit lại giảm xuống và nồng độ nitrat bắt đầu tăng lên.
 

Chu kỳ kết thúc khi nồng độ nitrit bằng 0 mg/lít, amoniac nhỏ hơn 1mg/lít, và lượng nitrat tăng dần. Thông thường, thời gian để hoàn thành chu kỳ từ 25-40 ngày, nhưng nếu nhiệt độ quá lạnh thì có thể mất vài tháng. Nếu có một hệ thống aquaponic cũ đang hoạt động ở gần đó thì tốt nhất là chia sẻ một phần bộ lọc vi sinh để tiết kiệm thời gian.

Một số người dùng cá để cung cấp amoniac trong một hệ thống mới, tuy nhiên hàm lượng amoniac và nitrat cao làm cá dễ bị chết. Một số người cũng không đủ kiên nhẫn và thả cá trước khi chu kỳ kết thúc. 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.

Một số nguồn cung cấp amoniac cho aquaponic là thức ăn cho cá, chất thải động vật đã được khử trùng, phân bón amoniac. Trong đó tốt nhất là thức ăn cho cá vì đây là một sản phẩm an toàn, dễ kiểm soát lượng amoniac thêm vào. Còn các loại phân chuồng như phân gà, mặc dù là nguồn cung cấp amoniac rất tốt, nhưng tiềm ẩn các loại vi khuẩn gây bệnh như Escherichia coli và Salmonella spp.

Amoniac cần bổ sung chậm rãi và liên tục, theo dõi nồng độ amoniac, nitrit, nitrat 2-3 ngày/lần, nên ghi lại và vẽ ra đồ thị. Mục 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.
Thả cá sau khi chu kỳ đã hoàn tất, thời gian trồng rau cũng như vậy nhưng có thể sớm hơn một chút. Sau khi thả cá, nồng độ amoniac có thể tăng lên. Vì vậy, cần tiếp tục theo dõi nồng độ của cả 3 loại nitơ và pha loãng nước nếu nồng độ amoniac và nitrit lớn hơn 1mg/lít.