Vai trò của nhóm vi khuẩn Bacillus spp trong quản lý môi trường ao nuôi thủy sản

Nuôi trồng thủy sản hiện đang là hoạt động sản xuất không thể thiếu nhằm thỏa mãn nhu cầu thực phẩm của con người. Tuy nhiên, hoạt động này gây suy thoái nhanh chất lượng nước do việc sử dụng thức ăn viên, giải phóng chất thải (phân và xác tôm cá,…) ra môi trường trong quá trình nuôi .

Có nhiều biện pháp để duy trì chất lượng nước ao nuôi, trong đó sử dụng chế phẩm sinh học (probiotics) chứng minh được có nhiều ưu thế hơn vì nó không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn mang lại nhiều lợi ích khác.

Bacillus là chế phẩm sinh học có các đặc điểm ưu việt hơn các chế phẩm sinh học khác bao gồm khả năng tạo bào tử và các chất chuyển hóa có hiệu quả chống lại nhiều loại vi khuẩn gây bệnh. Trong khuôn khổ của bài viết này, chúng tôi chỉ làm nổi bật vai trò của Bacillus trong việc cải thiện một số yếu tố chất lượng nước.

Mô hình nuôi tôm thâm canh trên ao bạt hiện nay

Tăng oxy

Vi sinh vật sẽ sử dụng oxy trong quá trình khoáng hóa vật chất hữu cơ thành CO₂, nước và các chất dinh dưỡng. CO₂ và các chất dinh dưỡng sẽ được sử dụng trong quá trình quang hợp của thực vật phù du. Kết quả là oxy được sinh ra từ quá trình quang hợp. Mặt khác, do probiotics điều chỉnh oxy hòa tan sẽ giảm stress ở cá (thể hiện qua nồng độ cortisol) nên sẽ tiêu thụ oxy ít hơn.

Điều chỉnh pH và độ kiềm

Bacillus đẩy nhanh quá trình khoáng hóa các vật chất hữu cơ trong ao, tạo tiền đề cho chu trình quang hợp của thực vật. Tảo sử dụng CO₂ nên làm gia tăng pH, ngoài ra tảo và một số thực vật có khả năng kết hợp Bicarbonate (HCO₃^–) để lấy CO₂ cho quá trình quang hợp của chúng và giải phóng CO₃^2- và sự phóng thích Carbonate làm tăng pH. Ngoài ra, quá trình nitrit hóa NH₄ ⁺ giải phóng các ion hydro (H⁺) góp phần vào quá trình axit hóa nước nuôi trồng thủy sản. Các nghiên cứu chỉ ra rằng B. megaterium duy trì độ kiềm của nuôi cá trôi (major carp) hoặc làm thay đổi pH của nước ao nuôi cá rô phi (trong điều kiện nước ao có tính axit thì Bacillus làm tăng pH, ngược lại trong điều kiện nước ao có tính kiềm thì Bacillus làm giảm pH là trung tính.

Chuyển đổi các hợp chất nitơ

Tổng amon (TAN) N-NO₃, N-NO₂và tổng đạm (TKN) là các dạng nitơ khác nhau được sử dụng bởi một số vi sinh vật bao gồm cả chế phẩm sinh học để chuyển hóa chúng, góp phần loại bỏ nitơ khỏi cột nước. Amon hóa, nitrit hóa, loại nitrit là các quá trình trong chu trình nitơ. Từ dạng nitơ ban đầu là xác của động thực vật hoặc chất thải của chúng ở dạng nitơ hữu cơ, được nấm hoặc vi khuẩn bao gồm các loài Bacillus chuyển thành amoni (NH₄⁺) và amoniac (NH₃) trong quá trình amon hóa. Amoni được chuyển đổi thành nitrit (NO₂^–) và sau đó thành nitrat (NO₃^–) chủ yếu do các loài Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng trong một quá trình gọi là nitrit hóa. Tiếp theo là quá trình chuyển đổi nitrat thành khí nitơ (N₂) (khử nitơ), do đó loại bỏ nitơ khả dụng sinh học và trả lại khí quyển. Các nghiên cứu cũng cho thấy Bacillus velezensis AP193 làm giảm 75 % nitrat và 43 % tổng đạm (total nitrogen) trong ao nuôi cá da trơn.

Khác với Nitrosomonas và Nitrobacter (chủ yếu tham gia vào quá trình nitrat hóa và đôi khi khử nitơ), các loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ thông qua tất cả quá trình từ amon hóa, nitrit hóa và khử nitơ cũng như cố định nitơ. Ví dụ, Bacillus amyloliquefaciens DT đã chuyển nitơ hữu cơ thành amoni (và Bacillus cereus PB8 loại bỏ NO-2-N khỏi nước thải. Do đó, các loài Bacillus có thể loại bỏ các dạng nitơ khác nhau từ nước thải nuôi trồng thủy sản. Bacillus sẽ khoáng hóa các họp chất ni tơ thông qua quá trình nitrit hóa và loại nitrit (denitrification) để loại bỏ các hợp chất nitơ trong nước.Các nghiên cứu sinh lý về Bacillus spp. cũng cho thấy rằng Bacillus spp. có thể sử dụng nitrat và nitrit làm chất nhận điện tử và nguồn nitơ thay thế gtrong quá trình phát triển nên có thể làm ni tơ trong nước

Giảm lượng Phospho thải

Cũng giống như nitrat, sự tích tụ phosphat dẫn đến hiện tượng tảo nở hoa trong ao nuôi. Phospho tồn tại trong nước dưới dạng các ion phosphat. Các nguồn chính chứa nhiều phospho trong nước nuôi là thức ăn cho cá và phân bón liên tục giải phóng ra môi trường ao, nên không thể ngăn chặn sự tích tụ phosphat mà chỉ có thể kiểm soát và điều chỉnh. Các loài Bacillus đã chứng minh khả năng sử dụng phosphat mạnh trong quá trình trao đổi chất, nên làm giảm phosphat trong nước. Thí nghiệm cũng chứng minh hỗn hợp B. subtilis, Bacillus mojavensis, và B. cereus giảm 81 % ion phosphat trong ao nuôi.

Giảm vật chất hữu cơ

Nồng độ chất hữu cơ cao là một vấn đề phổ biến trong chất lượng nước nuôi trồng thủy sản. Các loài Bacillus có thể cải thiện chất lượng nước ao thông qua việc phân cắt chất hữu cơ thành các đơn vị nhỏ hơn. Bacillus chuyển đổi chất hữu cơ thành CO₂một cách hiệu quả (CO₂ lần lượt được vi khuẩn β- và γ-proteobacteria sử dụng làm nguồn cacbon). Trong khi các vi khuẩn khác chuyển đổi phần lớn chất hữu cơ thành nhớt hoặc tăng sinh khối vi khuẩn. Bacillus chủ yếu được sử dụng để loại bỏ lượng chất hữu cơ trong nuôi trồng thủy sản do đó tái chế chất dinh dưỡng trong cột nước và giảm tích tụ bùn đáy ao.

Quản lý mầm bệnh

Nghiên cứu ở quy mô thí nghiệm đã chứng minh rằng các loài Bacillus có thể làm giảm hoặc ngăn chặn sự gia tăng của mầm bệnh thông qua việc sản xuất bacteriocin, sản xuất enzyme phá hủy màng tế bào, sản xuất kháng sinh, cạnh tranh vị trí bám dính, chất dinh dưỡng và năng lượng,…

Duy trì quần xã vi sinh vật trong ao cũng là một thuộc tính của các loài Bacillus. Điều này đảm bảo rằng không có loài nào chiếm ưu thế, đặc biệt là các loài vi sinh vật gây bệnh. Do đó Bacillus đảm bảo sự cân bằng của quần thể vi sinh vật.