Chương này thảo luận về các quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống aquaponic. Đầu tiên là các khái niệm chính và quá trình liên quan, bao gồm nitrat hóa. Sau đó thảo luận về vai trò quan trọng của vi khuẩn. Cuối cùng, nêu tầm quan trọng của việc cân bằng hệ sinh thái aquaponic bao gồm cá, thực vật và vi khuẩn.
2.1 Các thành phần sinh học quan trọng của aquaponics
Như được mô tả trong Chương 1, aquaponics là một hình thức nông nghiệp kết hợp hai kỹ thuật chính, nuôi trồng thuỷ sản và thủy canh. Trong một vòng tuần hoàn liên tục, dòng nước cùng chất thải của cá thoát khỏi bể, đi qua bộ lọc cơ học để hút chất thải rắn, và sau đó đi qua bộ lọc vi sinh, nơi amoniac bị oxy hóa thành nitrat – được cây trồng hấp thụ lại. Cuối cùng, nước tinh khiết chảy vào vào bể cá.
Bộ lọc vi sinh cung cấp môi trường sống cho vi khuẩn để biến đổi chất thải của cá (chứa amoniac) thành dinh dưỡng cho cây trồng (nitrat). Do đó, tất cả các sinh vật cùng làm việc để tạo ra một môi trường phát triển với nhau, với điều kiện hệ thống cân bằng.
2.1.1 Chu trình nitơ
Chu trình nitơ là một quá trình mà nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất của nó. Việc biến đổi này có thể được tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học. Quá trình quan trọng trong chu trình nitơ bao gồm: cố định nitơ, khoáng hóa, nitrat hóa, và khử nitrat.
Quá trình sinh học quan trọng nhất trong aquaponics là quá trình nitrat hóa. Nitơ (N) là một nguyên tố hóa học thiết yếu đối với sự sống. Nó hiện diện trong tất cả các axit amin, tạo nên tất cả các protein cần thiết cho nhiều quá trình sinh học quan trọng đối với động vật như điều tiết enzym, xây dựng cấu trúc tế bào.
Trong thực vật, Nitơ là chất cần thiết cho quá trình quang hợp và phát triển. Mặc dù nitơ trong khí quyển rất phong phú, tuy nhiên hầu hết thực vật không thể sử dụng trực tiếp. Quá trình hóa học, hoặc quá trình cố định nitơ tự nhiên là cần thiết để chuyển đổi khí nitơ thành các dạng mà sinh vật có thể sử dụng được
Nói đơn giản trong hệ aquaponic, đây là quá trình biến đổi amoniac NH3 có trong phân cá (cây trồng không thể hấp thụ được) thành Nitrat NO3– (cây trồng có thể hấp thụ được), quá trình này cần sự tham gia của vi khuẩn.
Amoniac (NH3) từ chất thải động vật hoặc từ các chất hữu cơ phân rã, chẳng hạn như thực vật hoặc động vật chết, được phân rã bởi nấm và các nhóm vi khuẩn khác nhau. Sau đó được chuyển hóa bởi vi khuẩn nitrat hóa, những vi khuẩn này chuyển amoniac thành các hợp chất nitrit (NO2–) và cuối cùng là các hợp chất nitrat (NO3–)
Quá trình nitrat hoá xảy ra trong đất cũng tương tự như ở trong nước. Đối với aquaponics, chất thải động vật là phân cá. Các vi khuẩn nitrit hóa sống trên đất cũng tự nhiên hình thành trong nước, chuyển amoniac từ chất thải của cá thành nitrat dễ hấp thụ cho cây.
2.2 Lọc vi sinh
Vi khuẩn nitrat hóa là thành phần rất quan trọng trong hệ thống aquaponic. Hai nhóm vi khuẩn chủ yếu tham gia quá trình nitrat hóa là:
- Vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) chuyển amoniac (NH3) thành nitrit (NO2–)
- Vi khuẩn oxy hoá nitrit (NOB) chuyển nitrit (NO2–) thành nitrat (NO3–)
2 loại vi khuẩn này thường là Nitrosomonas (oxy hóa amoniac) và Nitrobacter (oxy hoá nitrit)
Nói tóm lại, hệ sinh thái trong aquaponic hoàn toàn phụ thuộc vào vi khuẩn. Nếu vi khuẩn không có hoặc không hoạt động bình thường, nồng độ amoniac trong nước sẽ giết chết cá. Điều quan trọng là giữ môi trường cho vi khuẩn phát triển lành mạnh để giữ mức amoniac gần bằng không.
2.3 Duy trì một tập đoàn vi khuẩn khỏe mạnh (Bacterial Colony)
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn trong bộ lọc vi sinh là diện tích bề mặt và chất lượng nước
2.3.1 Diện tích bề mặt
Vi khuẩn có thể phát triển mạnh trên rễ cây, xung quanh bể cá, kể cả trong ống nước… Tổng diện tích này sẽ xác định lượng amoniac mà chúng có thể chuyển hóa. Hệ thống có mật độ thả cá cao đòi hỏi một bộ phận lọc vi sinh riêng – nơi chứa vật liệu có diện tích bề mặt cao, chẳng hạn như hạt lọc, hạt đất sét nung.
2.3.2 Độ pH
pH thể hiện độ axit hay độ chua của nước. Mức độ pH có tác động đến hoạt tính sinh học của vi khuẩn nitrat hoá, khả năng chuyển đổi amoniac và nitrit. PH cho vi khuẩn phát triển là từ 6 – 8.5. Đối với 2 loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter tốt nhất là trên 7.2.
Tuy nhiên, đối với aquaponics, khoảng pH thích hợp là từ 6 – 7, vì phạm vi này tốt cho thực vật và cá. Hơn nữa, lượng vi khuẩn có thể được bù đắp bằng cách tăng kích cỡ bộ lọc vi sinh.
2.3.3 Nhiệt độ nước
Nhiệt độ nước là một yếu tố quan trọng cho vi khuẩn và aquaponics nói chung. Nhiệt độ lý tưởng cho vi khuẩn là 17-34°C. Nếu nhiệt độ nước giảm xuống dưới 17°C, năng suất của vi khuẩn sẽ giảm. Dưới 10°C, năng suất có thể giảm 50% hoặc nhiều hơn.
2.3.4 Oxy hòa tan
Vi khuẩn nitrat hóa luôn cần oxy hòa tan (DO) trong nước để duy trì năng suất cao. Nitrat hóa là một phản ứng oxy hoá. Không có oxy, phản ứng dừng lại. Mức tối ưu của DO là 4-8 mg / lít. Hơn nữa, nếu không có oxy, một loại vi khuẩn kị khí có thể phát triển, chuyển ngược nitrate thành hợp chất nitơ không thể sử dụng được.
2.3.5 Tia cực tím
Vi khuẩn nitrat hóa là các vi sinh vật nhạy cảm với ánh sáng, có nghĩa là ánh sáng cực tím (UV) từ mặt trời là một mối đe dọa. Đặc biệt là trong quá trình hình thành ban đầu của các tập đoàn vi khuẩn khi hệ thống aquaponic mới đi vào sử dụng. Một khi vi khuẩn đã phát triển (từ 3-5 ngày), tia cực tím không gây ra vấn đề lớn.
2.4 Cân bằng hệ sinh thái aquaponic
Thuật ngữ cân bằng được sử dụng để mô tả hệ sinh thái của cá, thực vật và vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động. Đơn giản là cân bằng giữa số lượng cá, số lượng cây trồng và kích thước của bộ lọc vi sinh – số lượng vi khuẩn. Phần này khá ngắn, nhưng rất cần thiết, giới thiệu cách cân bằng một hệ thống. Quy mô lọc và mật độ cá sẽ nói rõ hơn ở Chương 8
2.4.1 Cân bằng Nitrat
a. Sự cân bằng trong một hệ thống aquaponic có thể được so sánh với một cái bập bênh – nơi cá và thực vật nằm ở 2 bên, và tay đòn được làm bằng vi khuẩn nitrat hóa. Nếu tay đòn này không đủ mạnh thì sẽ bị gãy, nghĩa là lọc vi sinh không đủ
b. Nếu lượng chất thải của cá và kích thước của bộ lọc vi sinh cân bằng, lượng amoniac được xử lý hiệu quả. Tuy nhiên, nếu lượng cây trồng nhỏ hơn thì hệ thống sẽ bắt đầu tích tụ chất dinh dưỡng. Về mặt lý thuyết, nồng độ các chất dinh dưỡng cao hơn không gây hại cho cá và cây trồng, nhưng đó là dấu hiệu cho thấy hệ thống này hoạt động kém hiệu quả.
c. Sai lầm thường gặp nhất là có quá nhiều cây trồng trong khi quá ít cá. Trong trường hợp này amoniac được xử lý bằng vi khuẩn nitrat hóa, nhưng lượng nitrat và các chất dinh dưỡng khác không đủ để đáp ứng nhu cầu của thực vật. Tình trạng này dẫn đến suy giảm nồng độ dinh dưỡng và sản lượng cây trồng.
Bài học từ các ví dụ trên là việc đạt được sản lượng tối đa từ aquaponics đòi hỏi phải duy trì sự cân bằng giữa chất thải của cá và nhu cầu dinh dưỡng của cây, đồng thời đảm bảo đủ điều kiện cho vi khuẩn để chuyển đổi hết chất thải của cá.
2.4.2 Tỷ lệ thức ăn
Nhiều yếu tố được xem xét khi cân bằng một hệ thống, nhưng các nghiên cứu đã đơn giản hóa vấn đề này. Tỷ lệ thức ăn phụ thuộc vào ba thành phần trọng nhất, đó là: lượng thức ăn cho cá hàng ngày, loại rau (rau ăn lá hoặc rau lấy quả) và diện tích trồng theo mét vuông.
Tỷ lệ thức ăn phụ thuộc vào các yếu tố.
- Phương pháp nuôi trồng.
- Loại cá (ăn thịt hay ăn tạp, mức độ hoạt động).
- Loại thức ăn cho cá (hàm lượng protein).
- Loại cây trồng (rau ăn lá, lấy củ hay quả).
- Hình thức trồng (một hoặc nhiều loại đan xen).
- Điều kiện môi trường và chất lượng nước.
- Phương pháp lọc
Lượng thức ăn cho cá được gợi ý:
Rau ăn lá: 40-50 gram/m2/ngày
Rau lấy quả: 50-80 gram/m2/ngày
Đây là phương pháp tính lượng thức ăn cho cá dựa trên diện tích trồng rau, sau đó tính lượng cá dựa trên lượng thức ăn đã có.
Tỷ lệ thức ăn cung cấp một hệ sinh thái cân bằng cho cá, thực vật và vi khuẩn, với điều kiện là có lọc vi sinh đầy đủ. Điều quan trọng là tỷ lệ này chỉ là một gợi ý, vì các yếu tố khác có thể tác động, chẳng hạn như nhiệt độ nước thay đổi theo mùa.
2.4.3 Kiểm tra sức khỏe cho cá và rau.
Cây trồng hoặc cá không khỏe mạnh thường do hệ thống không cân bằng. Các triệu chứng thiếu hụt đối với thực vật cho thấy không có đủ chất dinh dưỡng từ cá. Thiếu chất dinh dưỡng thường biểu hiện như tăng trưởng kém, lá vàng, rễ phát triển kém. Có thể giải quyết bằng cách tăng mật độ thả cá, tăng thức ăn cho cá, tăng mức độ lọc vi sinh, hoặc bớt lượng rau đi. Tương tự như vậy, nếu cá có dấu hiệu như thở hổn hển, cọ xát vào xung quanh bể, hoặc nổi màu đỏ xung quanh vây, mắt, mang, hoặc chết, thường do tích tụ amoniac hoặc nitrit độc hại.
2.4.4 Kiểm tra Nitơ
Phương pháp này kiểm tra nồng độ nitơ trong nước bằng các bộ dụng cụ kiểm tra đơn giản và không tốn kém. Nếu amoniac hoặc nitrit quá cao (hơn 1 mg/lít) là do lọc vi sinh không đủ và cần phải tăng khả năng lọc lên. Còn nồng độ nitrat tăng lên là tốt, cá có thể chịu được nồng độ nitrat cao, nhưng nếu nồng độ cao hơn 150 mg/lít trong vài tuần, nước nên lấy bớt để tưới cho các loại cây trồng khác.
Nếu nồng độ nitrat thấp hơn 10 mg/lít trong vài tuần, tăng thức ăn cho cá một chút để đảm bảo đủ chất dinh dưỡng cho rau. Tuy nhiên, nếu cá ăn không hết thì cũng đừng bao giờ cho dư, có thể giải quyết bằng cách tăng mật độ thả cá, còn không thì phải bớt lại rau.
Một lần nữa, tất cả các tính toán và tỷ lệ đề cập ở trên, bao gồm mật độ thả cá, diện tích trồng và quy mô lọc vi sinh sẽ được giải thích chi tiết hơn ở các chương sau (đặc biệt trong Chương 8). Mục đích chính của phần này là thể hiện sự quan trọng của việc cân bằng hệ sinh thái trong aquaponics.
Theo phanlecuong.com