Luận án tiến sĩ nông nghiệp nghiên cứu mô phỏng quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu

Trang | 1

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Đặng Xuân Hiển và

PGS.TS Trần Văn Nhân đã tận tình hướng dẫn, quan tâm, giúp đỡ trong quá trình học

tập và nghiên cứu thực hiện luận án.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban Lãnh đạo Viện, các Thầy, Cô giáo,

các anh chị và các bạn tại Viện Khoa học và Công nghệ môi trường – Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và

làm việc tại Trường.

Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn tới Liên minh Châu Âu (EU) – Chương trình

SwitchAsia đã hỗ trợ một phần kinh phí cho các nghiên cứu thực địa tại các ao nuôi

trong khuôn khổ dự án “Xây dựng chuỗi cung ứng cá tra bền vững ở Việt Nam –SUPA“

và cảm ơn các đồng nghiệp trong dự án đã hỗ trợ tác giả thực hiện các nghiên cứu này.

Để có những số liệu phục vụ quá trình nghiên cứu, tác giả xin được bày tỏ sự quan tâm

giúp đỡ của Ban Lãnh đạo, các Thầy Cô và các anh chị nghiên cứu viên Khoa Thủy sản

– Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện về thời gian, thiết bị phân tích.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã khuyến khích, động

viên, chia sẻ trong suốt thời gian nghiên cứu luận án này.

Trang | 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực

và chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2022

Tác giả

Lê Xuân Thịnh

Trang | 3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 1

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 2

MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 7

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................... 9

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... 11

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12

1. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 12

2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 14

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 14

3.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 14

3.2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 14

3.3 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 14

4. Các đóng góp của luận án .......................................................................................... 15

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 15

Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 16

1.1 Tổng quan về cá Tra ................................................................................................... 16

1.1.1 Phân loại .................................................................................................................. 16

1.1.2 Đặc điểm hình thái .................................................................................................. 16

1.1.3 Đặc điểm phân bố .................................................................................................... 17

1.1.4 Đặc điểm sinh trưởng .............................................................................................. 17

1.1.5 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra ............................................................................... 17

1.1.5.1 Cân bằng dinh dưỡng trong ao nuôi ................................................................. 17

1.1.5.2 Dinh dưỡng và thức ăn cá Tra .......................................................................... 19

1.1.6. Các chế độ nuôi ...................................................................................................... 21

1.1.6.1 Quản lý thức ăn ................................................................................................. 21

1.1.6.2 Quản lý chất lượng nước ................................................................................... 21

1.1.6.3 Phòng trị bệnh ................................................................................................... 22

1.1.7 Thu hoạch cá Tra .................................................................................................... 22

1.2. Các vấn đề môi trường trong ao nuôi cá Tra ............................................................ 22

1.2.1 Các thông số thủy lý ................................................................................................ 22

1.2.1.1 Nhiệt độ.............................................................................................................. 22

1.2.1.2 Độ đục ................................................................................................................ 23

1.2.1.3 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) .............................................................................. 23

1.2.1.4 Màu nước ........................................................................................................... 24

1.2.2 Các thông số thủy hóa trong ao nuôi ..................................................................... 24

1.2.2.1 pH ...................................................................................................................... 24

1.2.2.2 Oxy hòa tan ........................................................................................................ 25

1.2.2.3 Tổng nitơ amôn .................................................................................................. 26

1.2.2.4 Nitrit................................................................................................................... 26

1.2.2.5 Nitrat .................................................................................................................. 27

Trang | 4

1.2.2.6 Tổng đạm ........................................................................................................... 27

1.2.2.7 PO4

3- .................................................................................................................. 27

1.2.2.8 Tổng phốt pho .................................................................................................... 28

1.2.2.9 Hydro Sunfit (H2S) ............................................................................................. 28

1.2.3 Tính chất của bùn đáy ao nuôi cá Tra ................................................................... 28

1.2.3.1 pH bùn đáy ......................................................................................................... 28

1.2.3.2 Độ dẫn điện ....................................................................................................... 28

1.2.3.3 Nồng độ chất hữu cơ .......................................................................................... 29

1.2.3.4 Tổng nitơ (TN) ................................................................................................... 29

1.2.3.5 Tổng phốt pho (TP) ............................................................................................ 29

1.2.3.6 Kali (K) .............................................................................................................. 29

1.2.3.7 Biến động nồng độ Ca và Mg (mg/kg) ............................................................... 29

1.2.3.8 Nồng độ các nguyên tố vi lượng – kim loại nặng .............................................. 30

1.2.4 Tảo và các chất hữu cơ trong ao ............................................................................ 31

1.2.4.1 Chất hữu cơ ....................................................................................................... 31

1.2.4.2 Tảo ..................................................................................................................... 31

1.2.5 Các chu trình sinh học trong ao ............................................................................. 32

1.2.5.1 Chu trình nitơ .................................................................................................... 32

1.2.5.2 Chu trình phốt pho ............................................................................................. 34

1.2.5.3 Chu trình các bon .............................................................................................. 35

1.2.6 Các quá trình chuyển hóa trong bùn đáy ao .......................................................... 36

1.3 Enzyme trong thức ăn thủy sản ................................................................................... 37

1.3.1 Vai trò và tác dụng của enzyme phytase trong thức ăn thủy sản .......................... 37

1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng của enzyme phytase trong nuôi trồng thủy sản ......... 38

1.4. Mô hình và mô hình hóa .............................................................................................. 39

1.4.1. Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường .......................................................... 40

1.4.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường .................................. 41

1.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước ao, hồ ................................................. 42

1.4.3.1 Các tính chất đặc trưng của hồ ......................................................................... 42

1.4.3.2 Các quá trình chuyển đổi vật chất trong hồ ...................................................... 43

1.4.4 Các nghiên cứu về mô phỏng mô hình lưới thức ăn ............................................. 46

1.4.4.1 Giới thiệu chung mô hình lưới thức ăn .............................................................. 46

1.4.4.2 Tính toán, mô phỏng các mối quan hệ trong lưới thức ăn trong ao nuôi cá ..... 51

1.4.5 Một số mô hình được nghiên cứu trên thế giới ..................................................... 57

1.4.5.1 Mô hình PCLake nghiên cứu về hiện tượng phú dưỡng trong hồ nông ............ 57

1.4.5.2 Nghiên cứu về mô hình hóa chu trình photpho gây phú dưỡng hồ Loosdrecht 60

1.4.5.3 Nghiên cứu mô hình động lực dinh dưỡng trong ao nuôi cá bán thâm canh .... 62

1.4.5.4 Nghiên cứu mô hình phú dưỡng hồ Washington ............................................... 63

1.4.5.5 Mô phỏng các chất dinh dưỡng và động học của thực vật phù du trong hồ Bắc

Mỹ .................................................................................................................................. 66

1.4.5.6 Các nghiên cứu về xây dựng mô hình mô phỏng trong nuôi trồng thủy sản ở

Việt Nam ........................................................................................................................ 67

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM ........................... 70

Trang | 5

2.1 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 70

2.2 Thí nghiệm, thu mẫu và phân tích các thông số môi trường ao nuôi ...................... 71

2.2.1. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................... 71

2.2.2 Phương pháp thu mẫu và phân tích ....................................................................... 72

2.2.2.1 Đánh giá hiệu quả sử dụng thức ăn................................................................... 72

2.2.2.2 Phương pháp thu mẫu và phân tích ................................................................... 73

2.3 Thiết lập mô hình .......................................................................................................... 75

2.3.1 Cơ sở thiết lập các phương trình ............................................................................ 75

2.3.1.1 Mô hình các quá trình sinh học trong đầm hồ và đầm hồ nuôi cá Tra ............. 75

2.3.1.2. Mô hình hóa sự phát triển của cá Tra .............................................................. 75

2.3.2 Mô hình khái niệm ao nuôi cá Tra ......................................................................... 76

2.3.2.1 Các giả thiết của mô hình .................................................................................. 76

2.3.2.2 Mô hình khái niệm ............................................................................................. 77

2.3.2.3 Ma trận tác động tương hỗ ................................................................................ 78

2.3.2.4 Cơ sở thiết lập mối quan hệ toán học giữa các cấu tử và các quá trình sinh học

xảy ra trong ao nuôi ...................................................................................................... 80

2.3.3 Xây dựng các phương trình toán học ..................................................................... 81

2.3.3.1 Phương trình sự phát triển của cá trong hồ nuôi cá Tra .................................. 81

2.3.3.2 Các phương trình tính toán các thông số môi trường ....................................... 86

2.3.4 Giải hệ phương trình vi phân ................................................................................. 95

2.3.5 Giải bằng phương pháp số trên cơ sở ngôn ngữ máy tính .................................... 95

2.4. Phương pháp phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình ......................................... 98

2.4.1 Phân tích độ nhạy ................................................................................................... 98

2.4.2 Hiệu chỉnh ............................................................................................................... 99

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 100

3.1. Ảnh hưởng của enzyme phytase đến môi trường trong ao nuôi ............................ 100

3.1.1 Biến động nhiệt độ, pH, DO giữa đối chứng và thí nghiệm ................................ 100

3.1.2 Biến động của BOD và COD ................................................................................ 101

3.1.3 Biến động của TSS ................................................................................................ 102

3.1.4 Biến động của TAN, NH3 và NH4

+ ....................................................................... 102

3.1.5 Biến động N-NO2

-

, N-NO3

-

................................................................................... 104

3.1.6 Biến động P-PO4

3- và TP ....................................................................................... 105

3.1.7 Biến động TN, TP bùn đáy ao .............................................................................. 106

3.1.8 Đánh giá ảnh hưởng của bổ sung enzym phytase lên hiệu quả sử dụng thức ăn và

môi trường ao nuôi cá Tra ............................................................................................. 107

3.1.8.1 Đánh giá tốc độ tăng trưởng, tỉ lệ sống và hiệu quả sử dụng thức ăn của cá Tra

ở thí nghiệm ................................................................................................................. 107

3.1.8.2 Hiệu quả của bổ sung enzyme phytase lên môi trường ................................... 108

3.2. Số liệu chạy mô hình .................................................................................................. 108

3.3. Kết quả phân tích độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình ................................................. 109

3.3.1 Phân tích độ nhạy ................................................................................................. 109

3.3.2 Hiệu chỉnh ............................................................................................................. 111

3.4. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du trong ao cá ....................... 112

Trang | 6

3.5. Mô phỏng quá trình phát triển và chuyển hóa các chất dinh dưỡng chủ yếu trong

ao ……………………………………………………………………………………….115

3.5.1 Quá trình phát triển của cá ................................................................................... 115

3.5.1.1 Quá trình phát triển của cá tại ao nuôi thực địa ............................................. 115

3.5.1.2 Mô phỏng quá trình phát triển của cá trong ao nuôi ...................................... 116

3.5.2 Ôxy hòa tan ............................................................................................................ 117

3.5.2.1 Biến động ôxy hòa tan trong ao nuôi thực địa ................................................ 117

3.5.2.2 Mô phỏng quá trình biến thiên của ôxy trong ao nuôi .................................... 119

3.5.3 Phốt pho ................................................................................................................. 120

3.5.4 Nitơ ......................................................................................................................... 122

3.5.5 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước .......................................................... 124

3.5.5.1 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi thực địa ................ 124

3.5.5.2 Mô phỏng tổng nitơ và tổng phốt pho trong cột nước trong ao nuôi cá Tra .. 126

3.5.6 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng ......................................................... 127

3.6.6.1 Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng ao nuôi thực địa .......................... 127

3.6.6.2 Mô phỏng Tổng nitơ và tổng phốt pho trong bùn lắng trong ao nuôi thực địa

..................................................................................................................................... 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 134

Kết luận .............................................................................................................................. 134

Kiến nghị ............................................................................................................................ 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 146

PHỤ LỤC ................................................................................................................... 147

Phụ lục 1. SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG AO NUÔI CÁ TRA Ở VIỆT NAM .................. 147

Phụ lục 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM AO NUÔI THỰC ĐỊA ................... 151

Phụ lục 3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIAO DIỆN KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH ........... 152

Phụ lục 4. BẢNG GIÁ TRỊ THAM SỐ VÀ CODE SỐ ................................................. 153

Trang | 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASEAN Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á

BOD Nhu cầu ôxy sinh hóa

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

C Các bon

COD Nhu cầu ôxy hóa học

COP Thông số của độ dốc đường cong oxy

CT Nghiệm thức đối chứng (Control Treatment)

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

ĐBSH Đồng bằng sông Hồng

DM Vật chất khô (Dry Matter)

DO Ôxy hòa tan

DOC Các bon hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Carbon)

DON Nitơ hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Nitrogen)

DOP Phốt pho hữu cơ hòa tan (Dissolve Organic Phosphorous)

DVPD Động vật phù du

DWG Tốc độ tăng trưởng tuyệt đối (Daily Weight Gain)

EC Độ dẫn điện

ET Nghiệm thức thí nghiệm (Experiment Treatment)

EU Liên minh Châu Âu (European Union)

FCR Hệ số chuyển đổi thức ăn (Food Convertion Rate)

FIXN Tỉ lệ Nitơ cố định do thực vật phù du

FOX Hàm số của tỉ lệ chết các vi sinh vật

FQ Chất lượng thức ăn (Food Quality)

GAP Thực hành nuôi trồng thủy sản tốt (Good Aquaculture Practises)

HUFA Axit béo không bão hòa (Highly unsaturated fatty acids)

IN Ni tơ vô cơ

IP Phốt pho vô cơ

MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error)

N Ni tơ

NPU Hệ số sử dụng Prôtein (Net Protein Utilization)

NTU Đơn vị đo độ đục khuyếch tán (Nephelometric Turbidity Units)

O Ôxy

OC Các bon hữu cơ (Organic Carbon)

OSS Vật chất hữu cơ lơ lửng (Organic Suspended Solid)

P Phốt pho

P:E Tỉ lệ chuyển đổi protein thành năng lượng (Ratio of dietary protein

to energy)

PER Hiệu quả sử dụng protein (Protein Efficiency Ratio)

PHR Tỉ lệ tích lũy phốt pho

POC Các bon hữu cơ dạng hạt (Particulate Organic Carbon)

PON Ni tơ hữu cơ dạng hạt (Particulate Organic Nitrogen)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

RMSE Sai số trung bình bình phương gốc (Root Mean Square Error)

SDA Tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn (Specific Dynamic Action)

SEDP Tỉ lệ lắng chìm tối đa của phốt pho (Sedimentation parameter of

phosphorus)

SOD Tổng nhu cầu ôxy (Sum of potential oxygen-demanding processes)

Trang | 8

SS Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

TAN Tổng đạm amôn

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS Tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solid)

TN Tổng nitơ (Total Nitrogen)

TP Tổng phốt pho (Total Photphorous)

TSS Tổng chất rắn lơ lửng

TVPD Thực vật phù du

UIA Amoni dạng liên kết (chưa ion hóa) (Unionized Ammonia)

VASEP Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam

Trang | 9

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) ................................................................. 16

Hình 1.2. Chu trình Nitơ trong ao nuôi cá ................................................................................ 33

Hình 1.3. Chu trình phốt pho trong ao nuôi cá ......................................................................... 34

Hình 1.4. Chu trình các bon trong ao nuôi ............................................................................... 36

Hình 1.5. Trao đổi cation giữa các phần tử đất và nước. .......................................................... 36

Hình 1.6. Mối liên hệ giữa môi trường, sinh thái, quản lý và công nghệ môi trường. ............. 41

Hình 1.7. Chu trình nitơ trong nước ......................................................................................... 44

Hình 1.8. Chu trình phốt pho trong nước ................................................................................. 44

Hình 1.9. Chu trình của thực vật phù du trong nước ................................................................ 45

Hình 1.10. Chu trình của động vật phù du trong nước ............................................................. 45

Hình 1.11. Sơ đồ chuỗi thức ăn hồ Ontario .............................................................................. 47

Hình 1.12. Kết quả mô phỏng chuỗi thức ăn từ quá trình phân tích số liệu ............................. 48

Hình 1.13. Sơ đồ mô hình cấu trúc dinh dưỡng động vật thủy sinh ......................................... 49

Hình 1.14. Mô hình dinh dưỡng hồ sinh thái Kelavarapalli. .................................................... 51

Hình 1.15. Mô hình khái niệm mối tương quan các chất dinh dưỡng trong ao nuôi................ 52

Hình 1.16. Chu trình vật chất trong ao cá ................................................................................. 53

Hình 1.17. Cung cấp và thiêu thụ ôxy trong ao cá ................................................................... 54

Hình 1.18. Cấu trúc mô hình PCLake. ..................................................................................... 58

Hình 1.19. Tổng quan về đầu vào và đầu ra của PCLake......................................................... 59

Hình 1.20. Chu trình cacbon (a) và Chu trình Photpho (b). ..................................................... 61

Hình 1.21. Sơ đồ cấu trúc hồ, bao gồm của hai phần không gian (epilimnion và hypolimnion).

.................................................................................................................................................. 64

Hình 1.22. (a-d) Mô hình các chu trình dinh dưỡng trong hồ Washington .............................. 65

Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu ....................................................................................... 70

Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm, thu mẫu phân tích môi trường ........................................... 71

Hình 2.3. Mô hình cấu trúc diễn ra trong ao nuôi cá Tra ......................................................... 75

Hình 2.4. Các quá trình sinh học diễn ra trong ao nuôi cá Tra ................................................. 76

Hình 2.5. Mô hình khái niệm các quá trình sinh hóa xảy ra trong ao nuôi cá Tra ................... 78

Hình 2.5. Giao diện Matlab ...................................................................................................... 96

Hình 2.6. Sơ đồ khối thuật toán Runge Kutta bậc 4 giải hệ phương trình vi phân .................. 97

Hình 3.1. Biến động DO trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ............................. 100

Hình 3.2. Biến động COD trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 101

Hình 3.3. Giá trị BOD trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................................. 102

Hình 3.4. Hàm lượng của TSS trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau .................... 102

Hình 3.5. Dao động của TAN trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ..................... 103

Hình 3.6a. Giá trị của NH3 trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau .......................... 103

Hình 3.6b. Hàm lượng của NH4

+

trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................ 103

Hình 3.7. Giá trị N-NO2

-

trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ............................. 104

Hình 3.8. Biến động N-NO3

-

trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ....................... 104

Hình 3.9. Dao động PO4

3- trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 105

Hình 3.10. Giá trị TP trong ao nuôi cá Tra ở các thời gian khác nhau ................................... 106

Hình 3.11. Biến động TP trong bùn ao cá Tra ở các thời gian khác nhau .............................. 106

Trang | 10

Hình 3.12. Hàm lượng TN trong bùn ao cá Tra ở các thời gian khác nhau ........................... 107

Hình 3.13. Biểu đồ thể hiện sai số cục bộ của các tham số đối với các biến dinh dưỡng trong

ao nuôi. ................................................................................................................................... 110

Hình 3.14. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du ở 28o

C trong ao cá. ........... 113

Hình 3.15. Mô phỏng quá trình phát triển động thực vật phù du ở 30o

C trong ao cá. ........... 114

Hình 3.16. Tổng số lượng cá phát triển theo thời gian trong ao nuôi ..................................... 115

Hình 3.17. Khối lượng cá phát triển theo thời gian trong ao nuôi .......................................... 115

Hình 3.18. Đồ thị mô phỏng sự phát triển của cá tại các thời gian khác nhau ....................... 117

Hình 3.19. Biến thiên nồng độ DO trong ao nuôi qua thời gian ............................................ 118

Hình 3.20. Đồ thị kết quả mô phỏng biến thiên của DO trong ao nuôi cá tại các thời gian khác

nhau ........................................................................................................................................ 119

Hình 3.21. Đồ thị hiệu chỉnh PO4

3- trong ao nuôi cá theo thời gian ....................................... 120

Hình 3.22. Đồ thị hiệu chỉnh TP trong ao nuôi cá theo thời gian ........................................... 121

Hình 3.23. Đồ thị hiệu chỉnh NO3

-

trong ao nuôi cá theo thời gian ....................................... 122

Hình 3.24. Đồ thị hiệu chỉnh NH4

+ trong ao nuôi cá theo thời gian ....................................... 123

Hình 3.25. Đồ thị hiệu chỉnh TN trong ao nuôi cá theo thời gian .......................................... 123

Hình 3.26. Đồ thị biểu thị giá trị tổng N trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ...... 125

Hình 3.27. Đồ thị biểu thị giá trị tổng P trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ....... 126

Hình 3.28. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong cột nước theo thời gian trong ao

nuôi cá .................................................................................................................................... 127

Hình 3.29. Đồ thị thể hiện tổng N (TN) trong bùn lắng ......................................................... 128

Hình 3.30. Đồ thị thể hiện tổng P (TP) trong bùn lắng .......................................................... 129

Hình 3.31. Đồ thị mô phỏng TN (trái) và TP (phải) trong bùn lắng ...................................... 130

Trang | 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Nhu cầu chất đạm của một số loài cá da trơn .......................................................... 20

Bảng 1.2. Nhu cầu protein tiêu hóa và tỉ lệ P/E cho cá Tra ở các kích cỡ khác nhau .............. 20

Bảng 1.3. Nồng độ các nguyên tố vi lượng, kim loại nặng trong bùn đáy ao nuôi cá Tra ....... 30

Bảng 1.4. Phân loại mô hình hồ ............................................................................................... 43

Bảng 2.1. Thành phần dinh dưỡng của thức ăn 28% và 22% đạm ........................................... 71

Bảng 2.2. Phương pháp phân tích các thông số môi trường ao nuôi cá Tra ............................. 74

Bảng 2.3. Ma trận tác động tương hỗ giữa tảo, cá với các chất dinh dưỡng có trong nước hồ 78

Bảng 2.4. Ma trận tương hỗ giữa các chất dinh dưỡng đối với cá ........................................... 79

Bảng 2.5. Ma trận liên đới của hệ phương trình toán. .............................................................. 86

Bảng 2.6. Các phương trình mô phỏng. .................................................................................... 98

Bảng 2.7. Tham số sử dụng trong mô hình .............................................................................. 98

Bảng 3.1. Số liệu môi trường nước ban đầu tại thời điểm t=0 của mô hình .......................... 108

Bảng 3.2. Kết quả các tham số mô hình có độ nhạy lớn nhất. ............................................... 109

Bảng 3.3. Kết quả các tham số mô hình có độ nhạy bé nhất. ................................................. 110

Bảng 3.4. Bản giá trị các tham số mô hình có độ nhạy lớn nhất sau hiệu chỉnh .................... 111

Bảng 3.5. Số lượng cá theo thời gian trong ao nuôi (con) ...................................................... 116

Bảng 3.6. Khối lượng cá theo thời gian trong ao nuôi (kg) .................................................... 116

Bảng 3.7. Số liệu kết quả mô hình mô phỏng số lượng cá trong ao nuôi (con) ..................... 117

Bảng 3.8. Kết quả hiệu chỉnh nồng độ DO trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ........ 119

Bảng 3.9. Kết quả hiệu chỉnh giá trị PO4

3- trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ........ 121

Bảng 3.10. Kết quả hiệu chỉnh giá trị TP trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau .......... 121

Bảng 3.11. Kết quả hiệu chỉnh giá trị NO3

-

trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ....... 122

Bảng 3.12. Kết quả hiệu chỉnh giá trị NH4

+

trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau ...... 123

Bảng 3.13. Kết quả hiệu chỉnh giá trị TN trong ao nuôi cá ở các thời gian khác nhau .......... 124

Bảng 3.14. Nồng độ tổng ni tơ trong cột nước (mg/L) ........................................................... 125

Bảng 3.15. Nồng độ tổng phốt pho trong cột nước (mg/L) .................................................... 125

Bảng 3.16. Kết quả mô phỏng TN và TP trong cột nước theo thời gian trong ao nuôi cá ..... 126

Bảng 3.17. Hàm lượng Ni tơ trong bùn lắng (mg/L) .............................................................. 128

Bảng 3.18. Hàm lượng Phốt pho trong bùn lắng (mg/L) ........................................................ 128

Bảng 3.19. Kết quả mô phỏng TN và TP trong bùn lắng ....................................................... 129

Trang | 12

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) là loài cá nước ngọt phân bố ở sông Cửu Long,

sông Chaopraya và có thể các lưu vực Mekong ở Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt

Nam, cùng với các lưu vực sông Ayeyawady (My-an-ma), trong phạm vi 19 °N đến 8

°N, có nhiều tên tiếng Anh phổ biến bao gồm Cá Tra, cá da trơn, và cá da trơn sọc. Nó

được gọi là 'Pa sooai' và 'Pa sooai khaeo tại Lào, Pla Sawai tại Thái Lan, Pra' và 'Trey

pra Khmer và tiếng Việt là cá Tra.

Cá Tra giai đoạn con giống có hai sọc màu đen hai bên cơ quan đường bên. Chúng có

màu trắng sáng óng ánh. Tuy nhiên cá trưởng thành không có sọc hai bên, thân có màu

xám nhạt, lưng màu xám đen, bụng hơi bạc, vây lưng và vây bụng xám đen, cuối vây

đuôi hơi đỏ, thân dài, dẹp ngang, đầu nhỏ vừa phải, mắt tương đối to, có 2 đôi râu dài.

Vây lưng và vây ngực có gai cứng, mang răng cưa mặt sau. Ở Campuchia, tỷ lệ cá Tra

thả nuôi chiếm 98 % trong 3 loài thuộc họ cá Tra, chỉ có 2 % là cá ba sa và cá vồ đém,

sản lượng cá Tra nuôi chiếm một nửa tổng sản lượng các loài cá nuôi. Một số nước trong

khu vực như Thái Lan, Malaysia, Indonesia đã nuôi cá Tra với các mô hình chuyên canh,

nuôi ghép và kết hợp có hiệu quả từ những thập niên 70 – 80.

Nghiên cứu đặc điểm sinh học của cá Tra cho thấy đây là loài có nhiều ưu điểm mà

những loài cá khác không có được như: phổ dinh dưỡng rộng, tăng trưởng nhanh, đặc

biệt là khả năng thích nghi của cá Tra rất tốt với điều kiện môi trường nuôi khắc nghiệt

như: cá có khả năng chịu đựng được với điều kiện pH nước biến động, hàm lượng dưỡng

khí trong ao nuôi thấp, hàm lượng ammonia, COD và H2S tăng cao và cuối cùng là năng

suất cá thương phẩm thu được sau một chu kỳ nuôi thường đạt rất cao (250 – 300

tấn/ha)…đã góp phần quan trọng trong việc tăng nhanh sản lượng thu hoạch qua các

năm sản xuất.

Trong nhiều năm qua, nhờ những ưu ái mà thiên nhiên ban tặng, nghề nuôi cá Tra và cá

ba sa (Pangasius bocourti) là những loài cá có giá trị xuất khẩu cao và là một trong

những đối tượng nuôi trồng thủy sản đang được phát triển với tốc độ nhanh tại các tỉnh

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) bao gồm An Giang, Đồng Tháp, Tiền Giang, Cần

Thơ, Vĩnh Long, Bến Tre, Hậu Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh, Kiên Giang với tổng diện

tích canh tác 5.400 ha (2018) và dự kiến sẽ tăng lên tới 7.600 – 7.800 ha vào năm 2020.

Các tỉnh Cần Thơ, An Giang và Đồng Tháp là những vùng nuôi lớn nhất ở ĐBSCL

chiếm hơn 75% tổng sản lượng cá Tra của cả nước. Theo Bộ NN và PTNT năm 2019,

tổng diện tích nuôi cá Tra ở ĐBSCL ước đạt 6.600 ha tăng 22,2% so với năm 2018 sản

lượng đạt 1,42 triệu tấn (Báo cáo kết quả sản xuất thủy sản năm 2019 – Bộ NNPTNT).

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. Trong số 17,4 triệu

người sống ở vùng châu thổ sông Mekong, có đến 10,3 triệu người đang ở độ tuổi lao

động. Theo thống kê từ năm 2003, có 553.900 người làm việc trong lĩnh vực nuôi trồng

thủy sản sơ cấp và 1,3 triệu người còn lại làm trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản thứ

Trang | 13

cấp. Tuy nhiên vào năm 2008, tổng nguồn nhân lực trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản

đã mở rộng lên tới 3,5 triệu người. Sự mở rộng nhanh chóng nguồn nhân lưc này nghĩa

là ngày càng cần có nhiều người để làm các công việc cả sơ cấp và thứ cấp.

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). Lượng nước thải ra khi sản

xuất 1 tấn cá Tra thành phẩm là 4.023m3

nước, trong đó, lượng nước lấy từ sông chiếm

63%, từ kênh chính chiếm 19% và từ ruộng hay vườn là 11%. Trung bình phải sử dụng

450 - 480 tấn thức ăn để nuôi 300 tấn cá thành phẩm, tuy nhiên, chỉ khoảng 75% lượng

thức ăn này được cá sử dụng, phần còn lại là thức ăn thừa, thối rữa lắng đọng xuống đáy

ao (nuôi ao đất) hoặc các con sông [3].

Theo [4], với ao nuôi đạt năng suất 300 tấn/ha/vụ thì mỗi vụ nuôi sẽ thải ra môi trường

khoảng 2.677 tấn bùn ướt (tương đương 937 tấn bùn khô) và 77.930 m3

nước thải. Lượng

chất thải này thải trực tiếp ra môi trường gây suy giảm chất lượng môi trường nước, ô

nhiễm môi trường, phát sinh dịch bệnh, từ đó làm giảm tính bền vững của nghề nuôi cá

Tra. Quá trình tích lũy và thải chất dinh dưỡng trong ao nuôi cá Tra cho thấy, khi cho

cá ăn 100% lượng thức ăn công nghiệp thì lượng vật chất dinh dưỡng mà cá tích lũy

được trong cơ thịt chỉ chiếm khoảng 37,5%, trong đó vật chất khô: nitơ, phốt pho tích

lũy trong cá chiếm lần lượt là 32,6%; 42,7%; 29,8%. Trong khi vật chất khô thải ra môi

trường chiếm đến 67,4% (5% trong nước, 45,63% trong bùn đáy và 16,74% mất đi do

bay hơi hoặc thẩm thấu). Điều này đã dẫn đến sự tích lũy hàm lượng dinh dưỡng trong

bùn tăng cao, hàm lượng hữu cơ chiếm khoảng 10,5 - 11,7% [4], TN (tổng đạm) chiếm

khoảng 0,5% và TP (tổng lân) chiếm khoảng 0,22% [5].

Nuôi cá Tra là quá trình bao gồm đưa một một lượng lớn vật chất vào trong ao nhưng

sau đó chỉ thu hoạch được một lượng nhỏ cá nuôi, phần còn lại là chất thải đưa vào môi

trường nước. Việc nuôi cá Tra có thể dẫn đến ô nhiễm nước, nguyên nhân chính làm

cho môi trường nước trên các sông rạch vùng nuôi cá Tra ngày càng xấu đi, chưa kể

chất thải nuôi cá Tra đổ ra khiến dịch bệnh diễn biến phức tạp. Mức độ ô nhiễm của

vùng nuôi cá Tra là khá lớn, đặc biệt là chất ô nhiễm dạng nitơ và phốt pho.

Vì vậy, để nghề nuôi cá Tra bền vững, ngay bây giờ song song với quy hoạch phát triển

nghề nuôi cần chú trọng vấn đề bảo vệ môi trường, trong đó quan trọng là tìm ra các

giải pháp hợp lý, có tính thực tiễn cao để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu

đầu vào và giảm thiểu các chất thải phát sinh trong nuôi cá Tra. Các chất dinh dưỡng

chủ yếu trong ao nuôi cá Tra như: các chất của C, N, P, O2, thực vật phù du (tảo lục, tảo

lam và tảo cát), động vật phù du (copepods và cladocerans) cần được quan tâm nghiên

cứu để có thể kiểm soát nhằm tối ưu hóa quá trình nuôi cũng như kiểm soát đầu vào đầu

ra để nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu các tác động đến môi trường.

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.

Ở Việt Nam, hiện có rất ít các công trình nghiên cứu về phát triển mô hình số để mô

Trang | 14

phỏng các chất dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra. Đây là hướng nghiên cứu góp

phần thực hiện mục tiêu phát triển bền vững thủy sản Việt Nam theo Quyết định số

339/QĐ-TTg ngày 11/3/2021 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển

Thủy sản Việt Nam đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2045 với định hướng “Khuyến

khích phát triển các mô hình nuôi trồng thủy sản áp dụng công nghệ mới, tiên tiến, giảm

giá thành sản xuất, thân thiện môi trường, thích ứng với biến đổi khí hậu; các mô hình

nuôi hữu cơ, nuôi sinh thái, áp dụng các tiêu chuẩn chứng nhận thực hành nuôi trồng

thủy sản tốt (GAP) để nâng cao giá trị và phát triển bền vững”.

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 góp phần

xác định chế độ dinh dưỡng phù hợp trong ao nuôi giúp cắt giảm chi phí thức ăn và giảm

thiểu ô nhiễm môi trường ao nuôi, đưa ngành thủy sản nói chung và cá Tra nói riêng

phát triển nhanh và bền vững.

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 và 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).

Để đạt được điều đó, nghiên cứu này tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau:

- Làm rõ các đặc tính thủy lý, thủy hóa của các thông số môi trường trong ao nuôi,

mối quan hệ giữa thức ăn và chế độ nuôi;

- Xây dựng được mô hình toán để mô phỏng các quá trình sinh học diễn ra trong

ao nuôi;

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 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;

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ở đây tập trung vào các đặc trưng dinh dưỡng chủ yếu trong ao nuôi cá Tra

như: các chất của C, N, P, O2, thực vật phù du (tảo lục, tảo lam và tảo cát), động vật phù

du (copepods và cladocerans), cá Tra, đây là các nhóm được coi là quan trọng nhất trong

ao nuôi cá Tra.

Nghiên cứu tập trung vào các quá trình sinh học diễn ra trong ao và sự phát triển của cá

đối với các điều kiện ao nuôi, xem xét ảnh hưởng của ao nuôi đối với môi trường, sự

phát sinh chất thải, dự đoán các tác động tới môi trường.

3.3 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);

Trang | 15

- 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 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 nước ao nuôi: DO,

PO4

3-, 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; đã so sánh lượng hóa được ảnh hưởng của enzym

đến việc làm giảm hàm lượng phốt pho thải ra nước trong ao nuôi.

 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. Vì vậy, kết quả nghiên cứu hoàn toàn

đảm bảo tính khoa học.

- 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.