Nồng độ oxy hòa tan trong nước nuôi trồng thủy sản

Ảnh hưởng tới năng suất nuôi trồng thủy sản không chỉ có thức ăn mà còn có điều kiện sống của môi trường, trước hết là hàm lượng Oxy hòa tan trong nước. Trước hết oxy được các loại động vật sử dụng vào quá trình hô hấp và trong điều kiện thông thường nồng độ của oxy trong nước cũng không cao (xem bảng 2.5)

Bảng 1 Nồng độ Oxy  hòa tan trong nước (mg/l) phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối tại điều kiện không khí ẩm, áp suất 760 mmHg.

Oxy hòa tan được sử dụng làm dưỡng khí cho động vật thủy sinh và các hoạt động sinh hóa khác xảy ra trong ao hồ của vi sinh vật, thực vật nên rất dễ dẫn đến sự thiếu hụt. Oxy trong ao hồ được sinh ra hay mất đi chủ yếu do các quá trình: thấm từ khí quyển, do bị bùn hấp thu, hô hấp của động vật, thực vật và quang hợp của thủy thực vật.

Khi tiếp xúc với không khí, oxy trong khí quyển sẽ thấm vào nước qua bề mặt phân cách giữa không khí và lớp nước. Quá trình hòa tan oxy kết thúc khi đạt tới độ bão hòa, phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối của nước như ghi trong bảng 1. Nồng độ oxy được đo theo mg/l (g/m³) hay tính theo phần trăm, tức là đo theo tỉ lệ giữa số đo và trị số bão  hòa là do các quá trình sinh hóa thải ra oxy mà nó chưa kịp thoát ra khỏi nước.

Phần tiếp theo chúng ta xem xét một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cân đối oxy trong các ao hồ nuôi thủy sản.

Quá trình thấm oxy từ khí quyển

Oxy của không khí chỉ thấm vào nước khi nồng độ oxy trong nước ở trạng thái dưới mức bão hòa và sẽ thoát lại vào khí quyển khi ở mức trên bão hòa. Động lực của quá trình thấm oxy chính là sự chênh lệch oxy tại thời điểm đó. Tuy vậy, tốc độ thấm khí bị giới hạn, nên dù quá trình thấm vẫn diễn ra nhưng trong nước không bao giờ đạt mức bão hòa nếu lượng tiêu thụ nhiều hơn hay bằng lượng thấm. Giữa nước và không khí tồn tại một mặt phân cách pha nước – pha không khí, mặt phân cách này có độ dày không lớn nhưng nó ảnh  hưởng mạnh đến quá trình khuếch tán. Tốc độ thấm khí vào nước trước hết phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc của oxy khí quyển với bề mặt phân cách pha này. Bề mặt phân cách pha có thể xem như một lớp màng rất mỏng, nồng độ oxy trong màng đạt bão hòa khá nhanh, quá tình thấm oxy sâu xuống dưới lớp nước xảy ra chậm  hơn nhiều do quá trình khuếch tán phân tử nếu nguồn nước tĩnh lặng. Trong trường hợp nguồn nước bị khuấy đảo cưỡng bức thì quá trình thấm sâu vào nước chủ yếu là quá trình chuyển khối do đối lưu.

Trong điều kiện tự nhiên, tốc độ gió đóng vai trò quan trọng nhất đối với quá trình thấm oxy vì nó tạo ra các dòng đối lưu, gây ra sóng làm tăng tiết diện tiếp xúc giữa không khí và mặt nước.

Trong phần lớn trường hợp, lượng oxy mà nguồn nước nhận được từ không khí thường rất nhỏ so với các quá trình khác. Điều đó là hoàn toàn hợp lí nếu quan sát suốt thời gian 24h: do khi trời nắng mức oxy trong nước đạt mức trên bão hòa, oxy thoát vào không khí, lượng thấm vào nước ở các thời điểm khác chỉ đủ để bù lại lượng thoát khỏi nước.

Tuy nhiên, quá trình thấm oxy từ khí quyển có vai trò quan trọng trong các trường hợp sau:

+ Sinh ra và tiêu thụ oxy thấp do các quá trình sinh hóa trong ao  hồ.

+ Trong điều kiện có gió to.

+ Nước trong ao hồ rất thiếu oxy và được sục khí bổ sung.

Trong trường hợp quá trình sinh hóa trong ao hồ xảy ra thấp thì quá trình thấm oxy từ khí quyển có vai trò đáng kể, tức là quá trình quang hợp (sinh ra oxy) thấp và quá trình hô hấp của động, thực vật cũng thấp. Trường hợp đó xảy ra khi mật độ tảo, mật độ vật nuôi thấp hoặc do nhiệt độ thấp kìm hãm sự hoạt động của chúng. Ví dụ trong thời kì đầu nuôi thả, mật độ (số lượng, kích cỡ) của vật nuôi và tảo thấp, nước nuôi chưa bị ô nhiễm nặng. Lượng thức ăn tổng hợp sử dụng cũng chưa nhiều. Khi đó nồng độ oxy hòa tan hầu như không đổi, đạt mức gần bão hòa do lượng oxy thấm từ không khí tuy chậm nhưng đều.

Trong trường hợp nhiệt độ thấp quá trình sinh hóa động và thực vật xảy ra chậm nên lượng oxy sinh ra và tiêu thụ đều thấp ngay cả khi mật độ vật nuôi và tảo cao. Tại một số nơi khi trời lạnh thì thường gió lại to vì vậy lượng oxy thấm từ khí quyển thỏa mãn được nhu cầu.

Trong điều kiện gió to, lượng oxy thấm từ khí quyển sẽ rất đáng kể ngay cả khi lượng oxy sinh ra và tiêu hao do các quá trình sinh hóa là lớn. Trong điều kiện gió, hàm lượng oxy biến động trong ngày không lớn do tốc độ thấm oxy cao về đêm khi nồng độ oxy trong nước thấp và tốc độ thải oxy vào khí quyển tăng khi trời nắng lúc nồng độ oxy cao hơn mức bão hòa. Do tạo ra được sóng và tăng cường khả năng khuấy trộn, nồng độ oxy trong nước tương đối đồng đều theo chiều sâu của nước.

Khi nồng độ oxy trong nước quá thấp thì biện pháp sục khí sẽ phát huy tác dụng mạnh. Sục khí cơ học vừa có tác dụng tăng cường khả năng tiếp xúc giữa không khí với nước và tăng khả năng khuấy trộn.

Hao tổn oxy do các chất sa lắng

Chất sa lắng hấp thu oxy hòa tan là do các phản ứng hóa học và do các loại vi sinh vật tồn tại trong bùn. Các phản ứng tiêu thụ oxy trước hết là các phản ứng oxy hóa của sắt (II), mangan (II) hoặc hidro sunfua (HS):

2 Fe²⁺ + ½ O₂ + 2 H₂O --> Fe₂O₃ + 4 H⁺.

Mn²⁺ + ½ O₂ + 2 H₂O --> MnO₂ + 2 H⁺

HS + 2 O₂ --> SO₄^2- + H⁺

Một số vi sinh vật cũng sử dụng oxy cho các phản ứng phân hủy hiếu khí chất hữu cơ hoặc OXH chất vô cơ loại vi sinh vật tự dưỡng (ví dụ OXH ammoniac thành nitrat). Lượng Oxy bị tiêu hao do vật sa lắng chủ yếu là do vi sinh vật, phản ứng hóa học tiêu thụ oxy chỉ đáng kể khi độ pH của nước thấp, khi đó một số kim loại hóa trị thấp (Fe²⁺, Mn²⁺) tan vào nước và chúng tham gia các phản ứng hóa học. Một số chất hữu cơ như tảo chết, thức ăn dư thừa, phân khi lắng xuống đáy, trong điều kiện không đủ oxy sẽ bị phân hủy yếm khí (quá trình lên men, trong đó hóa trị của các nguyên tố C không thay đổi), một loạt các chất hình thành từ phân hủy yếm khí có tính khử cao – các chất có mùi hôi, hydro sunfua (mùi trứng thối), chúng phản ứng với oxy khá dễ dàng. Nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ tiêu thụ oxy của các chất sa lắng nằm trong khoảng 50 đến 500 mgO₂/(m².giờ) tùy thuộc vào vật nuôi, cách nuôi (thâm canh, quảng canh) và điều kiện vệ sinh ao hồ.

Tiêu thụ oxy do hô hấp của động vật

Lượng oxy tiêu thụ do hô hấp của tôm cá, loài nhuyễn thể phụ thuộc vào loài và kích cỡ của chúng, vào nhiệt độ, mức độ hoạt động, thời điểm sau khi cho ăn. Ví dụ trong cùng điều kiện môi trường và mức độ hoạt động (bơi lội) giống nhau, tám loại cá nước ngọt có mức độ tiêu thụ oxy rất khác nhau, trong khoảng từ 205 – 500 mgO₂/kg cơ thể. Cùng loài cá nhưng với kích cỡ khác nhau lượng oxy tiêu thụ trên đơn vị khối lượng cơ thể cũng khác nhau. Ví dụ đối với cá da trơn tốc độ tiêu thụ oxy như sau (bảng 2)

Bảng 2: Mức độ tiêu thụ oxy của cá có kích cỡ khác nhau

Trên cùng một khối lượng cơ thể, loại cá bé tiêu thụ oxy nhiều hơn loại cá to. Cá cho ăn no tiêu thụ nhiều oxy hơn là loại cá đói do quá trình sinh hóa, tiêu hóa thức ăn xảy ra mạnh. Số liệu (bảng 3) cho thấy mức độ tiêu thụ oxy của cá theo thời gian sau lúc cho ăn.

Bảng 3: Mức độ tiêu thụ oxy của ca da trơn sau thời điểm cho ăn.

Mức độ tiêu thụ oxy của cá phụ thuộc vào mức độ vận động của chúng, ví dụ đối với cá rô phi khi bị ép bơi với tốc độ 30 cm/s và 60 cm/s thì tốc độ tiêu thụ oxy tương ứng là 220 và 460 mgO₂/(kg.giờ).

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến lượng oxy hô hấp của cá, đối với phần lớn các loại cá lượng oxy tiêu thụ tăng khoảng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10⁰C.

Hiện có rất ít số liệu về lượng oxy hô hấp của tôm, mặc dù vậy  nhưng khoảng trị số có được cũng dao động lớn, từ 200 đến 400 mgO₂/(kg.giờ), mức độ tiêu thụ oxy của tôm giảm khi nồng độ oxy hòa tan thấp.

Mức độ và sự biến động về lượng tiêu thụ oxy của loài nhuyễn thể cũng tương tự như cá, tức là tăng với loại kích thước nhỏ, sau khi ăn, mức độ vận động và nhiệt độ.

Oxy trong quang hợp và hô hấp của tảo

Nhiều công trinh khảo sát chỉ ra rằng quá trình sinh hóa của tảo là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến động thái oxy trong ao hồ nuôi trồng thủy sản trong điều kiện thời tiết nóng ẩm. Với mật độ thông dụng của tảo trong các ao hồ nuôi thì quá trinh quang hợp là nguồn sản sinh chính của oxy và quá trình hô hấp là nguồn tiêu thụ oxy lớn nhất.

Quan sát tổng thể trong một ngày, lượng oxy dư do quang hợp sinh ra trừ đi lượng hô hấp của tảo chính là lượng đáp ứng nhu cầu cho động vật thủy sinh sống trong ao hồ. Với các ao hồ có mật độ nuôi và tảo cao, tại một số thời điểm nhất định lượng oxy có thể bị thiếu nên cần phải được bổ sung thêm bằng biện pháp sục khí. Từ các biện pháp tính toán và kinh nghiệm thức tế cho thấy để đạt được nồng độ oxy tối đa trong nước, mật độ tảo tối ưu là 15 – 30mg/l/. Khi mật độ tảo thấp, tốc độ quang hợp trên một đơn vị sinh khối tảo cao do đủ thức ăn dinh dưỡng và ánh sáng nhưng tổng lượng oxy thì thấp do mật độ thưa. Khi mật độ tảo tăng lên, nguồn ánh sáng và dinh dưỡng cho tảo bị hạn chế. Vì ban ngày mức độ quang hợp của tảo tăng, nhả ra nhiều oxy, nhưng về đêm quá trình hô hấp cũng xảy ra rất mạnh, quá trình này cạnh trnah oxy với quá trình hô hấp của động vật, khi đó lượng oxy thực tế trong nước thấp, đó là chưa kể tới hiện tượng khi mật độ tảo cao, phần tảo chết lắng xuống đáy bị vi sinh vật phân hủy.

Nghiên cứu về mức độ cân đối oxy phụ thuộc vào mật độ tảo trong hồ nuôi cá da trơn có diện tích 1 ha, nhiệt độ 25⁰C, năng suất nuôi 5 tấn/ha, kích cỡ cá 0.5 kg/con được trình bày trong bảng 4 (bỏ qua quá trình thấm oxy từ khi quyển)

Bảng 4: Ảnh hưởng của mật độ tảo lên cân đối oxy trong ao hồ nuôi.

Từ số liệu vảu bảng 4 cho thấy: trong ao hồ không có tảo thì nồng độ oxy thấp vì vậy sự có mặt của tảo là cần thiết. Với mật độ tảo khoảng 10 mg/l, lượng oxy trong nước chủ yếu là do quang hợp của tảo sinh ra. Điều kiện về oxy tốt nhất trong hồ ao với một mức độ tảo trung bình nào đó, không quá cao và quá thấp. Khi mật độ tảo cao lượng oxy do quang hợp sinh ra không đủ bù đắp cho các quá trình hô  hấp vì vậy nồng độ oxy trong nước rất thấp có hại cho động vật thủy sinh.

Nguồn: Nước Nuôi Thủy Sản – Chất Lượng & Giải Pháp Cải Thiện Chất Lượng (NXB KH&KT, 2006)