›
›

Giáo trình Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Chương 3: Đặc tính hóa học của môi trường nước

doc 31 trang huongle 2790
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Chương 3: Đặc tính hóa học của môi trường nước", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docgiao_trinh_quan_ly_chat_luong_nuoc_nuoi_trong_thuy_san_chuon.doc

Nội dung text: Giáo trình Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Chương 3: Đặc tính hóa học của môi trường nước

  1. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản CHƯƠNG 3 ĐẶC TÍNH HÓA HỌC CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC THIÊN NHIÊN Các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong nước tự nhiên có thể tồn tại ở dạng ion hòa tan, khí hòa tan hoặc rắn hoặc lỏng. Chính sự phân bố của các hợp chất này quyết định bản chất của nước tự nhiên: nước ngọt, nước lợ hay nước mặn; giàu dinh dưỡng hay nghèo dinh dưỡng; nước cứng hoặc nước mềm; nước bị ô nhiễm nặng hay nhẹ Chúng ta có gặp trong nước thiên nhiên hầu hết các nguyên tố có trong vỏ trái đất và trong khí quyển, song chỉ có một số nguyên tố có số lượng đáng kể, nhiều nguyên tố này ta gọi là thành phần chính của nước thiên nhiên (nguyên tố đa lượng). Những nguyên tố là thành phần chính của nước thiên nhiên là: H, O, N, C, Na, Ca, Mg, I, Cl, S , K, Fe, Mn, Br, Si, P. Ngoài ra, còn có nhiều nguyên tố khác với số lượng ít hơn (nguyên tố vi lượng): Al, Zn, Cu, Mo, Co, B, F, Nước tự nhiên là dung môi tốt để tan hầu hết các acid, baz và muối vô cơ. - Các hợp chất hữu cơ hòa tan như: đường, acid béo, amino acid, acid humic, tanin, vitamine, peptid, protein, urea, sắc tố thực vật và vài hợp chất sinh hóa khác - Các chất vẩn hữu cơ như: keo hay các sản phẩm phân hủy của các hợp chất hữu cơ, động thực vật phù du, vi sinh vật - Các chất vẩn vô cơ như: keo sét hay các loại hạt sét thô. Ta nhận thấy rằng tổng nồng độ các ion hòa tan trong nước biển cao hơn so với trong nước sông. Sự hòa tan các chất rắn (ion) trong nước chính là yếu tố quyết định độ mặn của nguồn nước. Nồng độ các ion hòa tan càng cao độ dẫn điện (EC) của nước càng cao. Độ mặn được định nghĩa là tổng chất rắn hòa tan (TDS) trong nước. Do vậy độ mặn có thể được xác định qua độ dẫn điện. Độ dẫn điện (EC) được đo bằng qua đơn vị micro Siemen/cm (S/cm). 24
  2. Đặc tính hóa học của môi trường nước Bảng 3-1. Thành phần các phần tử hòa tan trong nước biển và nước sông trên thế giới Nước biển Nước sông Phần tử Nồng độ (mg/L) Xếp hạng Nồng độ (mg/L) Xếp hạng Yếu tố đa lượng - 8 5 Chloride (Cl ) 19.340 1 Sodium + 10.770 2 6 6 Sulfate (Na ) 2.712 3 11 4 2- Magnesium (SO ) 1.294 4 4 7 4 Calcium 2+ 412 5 15 2 Potassium (K(Mg ) 399 6 2 8 ) 2+ - Bicarbonate (Ca 3 ) 140 7 58 1 - Bromide + 65 8 - - (Br ) Strontium (HCO+ ) 9 9 - - (Sr ) Yếu tố vi lượng mg/L Boron 4,500 1 10 15 Silicon (B) (5.000) 2 13.100 3 Fluoride (Si) 1.400 3 100 12 Nitrogen (F) (250) 4 230 11 Phosphorus (N) (35) 5 20 13 Molybdenum (P) (Mo) 11 6 1 18 Zinc (Zn) 5 7 20 14 Iron (Fe) 3 8 670 9 Cooper (Cu) 3 9 7 17 Manganese (Mn) 2 10 7 16 Nickle (Ni) 2 11 0,3 19 Aluminum (Al) 1 12 (400) 10 Theo Nicol 1960, Burton 1976, and Liss 1976 (Trích dẫn bởi C.K. Lin & Yang Yi, 2001). Xếp hạng và các yếu tố vi lượng ở nước biển được chú ý và sắp hạng riêng biệt trong khi ở nước ngọt các yếu tô được xếp hạng chung. Giá trị trong dấu ngoặc là giá trị trung bình. 2 PH 2.1 Động thái của ion H trong+ môi trường nước Nồng độ ion H + trong dung dịch biểu thị bằng trị số pH, pH = - lg[H ]. Khái+ niệm pH được phát triển từ quá trình ion hóa của nước: + - + - H 2O + H O = H 2O + OH hay đơn giản hơn là H O =H2 + OH (2.1) 3 Hằng số cân bằng K w của quá trình phân ly trên phụ thuộc vào nhiệt độ của nước. Thí o -14 dụ, trong môi trường nước sạch ở nhiệt độ 25 C K = 10w (Bảng 3-2). + -14 [H - ][OH ] = K w = 10 (2.2) Từ phương trình (2.1) mỗi phân tử nước phân ly thành 1 ion H và 1 ion +OH , nên - + [H - ]=[OH ]. Thế vào phương trình (2.2) ta được: + -14 + -7 [H + ][H ] = K w = 10 ⇒ [H ] = 10 = 0,0000001 mole/L Để tránh sử dụng giá trị số quá nhỏ, các nhà hóa học đã chuyển đổi giá trị nồng độ [H +] thành -lg[H ] =+ pH vào đầu những năm của thế kỷ 1900. 25
  3. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản -7 pH = lg[10 ] = 7 Bảng 3-2. Hằng số ion hóa của nước, K w theo Garrels và Christ (1965) Nhiệt độ Kw Nhiệt độ Kw 0 0,1139 x 10 5 0,1846 x 10 -14 -14 10 15 -14 -14 0,2920 x 10 0,4505 x 10 20 25 -14 -14 30 0,6809 x 10 35 1,008 x 10 -14 -14 40 1,496 x 10 2,089 x 10 + Mặc dù pH bằng 7 thường là điểm trung tính-14 (điểm mà nồng độ [H ] bằng nồng độ - 2,919 x 10 o [OH ], nhưng không hoàn toàn đúng ngoại trừ trường hợp nhiệt độ là 25 C, khi đó -14 o K w =10 . Thí dụ, ở nhiệt độ 35 C thì điểm trung tính là: [H + ] = 2,1 x 10-14 -13,68 2 =10 -6,84 [H+] = 10 pH = 6,84 Thang đo pH thường là 0-14, nhưng giá trị pH có thể cao hơn 14 hoặc nhỏ hơn 0. + Dung dịch chứa nồng độ [H ] lớn hơn 1 mole/L thì pH nhỏ hơn 0 hoặc dung dịch có -14 nồng độ nhỏ hơn 10 mole/L thì giá trị pH lớn hơn 14. Thí dụ, dung dịch chứa nồng + -16 + độ [H ]=10 thì pH = -lg[10] = -1; hay [H ] = 10-16 thì pH = -lg[10 ] = 16. Ion H + có trong môi trường nước chủ yếu là sản phẩm của quá trình thủy phân các ion Fe 3+ 3+và Al trao đổi trong keo đất, quá trình oxy hóa các hợp chất của sắt và lưu huỳnh (quá trình oxy hóa đất phèn tiềm tàng - FeS 2). Quá trình oxy hóa đất phèn tiềm tàng thường làm pH giảm thấp (dưới 4,5). + 2- 2FeS 2 + 7O + 2H 2 O = 2FeSO 4 + 4H + 2SO 4 2 2FeSO 4 + 1/2O 2 + H 2SO 4 = Fe 2(SO 4) 3 + H 2O + 2- FeS 2 + 7Fe (SO ) 2 + 8H O 4 = 15FeSO +4 18H + 8SO 4 3 2 + 2 Fe 2(SO ) + 4 6H 3 O = 2Fe(OH) +2 6H + 3SO 4 2 pH của nước còn bị giảm do quá trình phân hủy hữu cơ, hô hấp của thủy sinh vật, hai + quá trình này giải phóng ra nhiều CO2 , CO 2 phản ứng với nước trạo ra H vàbicarbonate làm giảm pH của nước. Các phương trình phản ứng như sau: C 6H 12O 6 + O 2 CO 2 + H 2O + Q CO 2 + H 2O = H 2CO3 - H CO = H + HCO 3 2 3 + 26
  4. Đặc tính hóa học của môi trường nước Ngược lại, quá trình quang hợp của thực vật hấp thu CO 2 làm pH tăng dần, khi CO 2 tự do hòa tan trong nước bị hấp thụ hoàn toàn thì pH tăng lên 8,34. Do thực vật quang hợp hấp thụ CO 2 nhanh hơn lượng CO 2 tạo ra từ quá trình hô hấp của thủy sinh vật - nên thực vật phải lấy CO 2 từ sự chuyển hóa HCO và3 sinh ra nhiều carbonate làm tăng pH của nước lên trên 8,34. - 2- 2HCO 3 CO 2 + CO3 + H 2O Do quá trình quang hợp diễn ra theo chu kỳ ngày đêm nên dẫn đến sự biến động pH theo ngày đêm. Ban ngày có ánh sáng, thực vật quang hợp làm pH của nước tăng dần, pH đạt đến mức cao nhất vào lúc 14:00-16:00 giờ vì lúc này cường độ ánh sáng cao nhất. Ban đêm chỉ có quá trình hô hấp xảy ra làm tăng hàm lượng CO 2 làm pH giảm, pH giảm đến mức thấp nhất vào lúc binh minh (6:00 giờ). Biên độ biến động pH theo ngày đêm phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng của môi trường nườc vì dinh dưỡng quyết định đến mật độ của thực vật. pH Giàu dinh dưỡng Nghèo dinh dưỡng 6:00 14:00 6:00 t Hình 3-1. Biến động pH theo ngày đêm Nước thiên nhiên trong các thủy vực, pH của môi trường được tự điều chỉnh nhờ hệ đệm carbonic-bicarbonate (xem mục 3.1) + 2.2 Ý nghĩa sinh thái học của ion H trong môi trường nước pH là một trong những nhân tố môi trường có ảnh hưởng rất lớn trực tiếp và gián tiếp đối với đời sống thủy sinh vật như: sinh trưởng, tỉ lệ sống, sinh sản và dinh dưỡng. pH thích hợp cho thủy sinh vật là 6,5-9. Khi pH môi trường quá cao hay quá thấp đều không thuận lợi cho quá trình phát triển của thủy sinh vật. Tác động chủ yếu của pH khi quá cao hay quá thấp là làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào dẫn đến làm rối loạn quá trình trao đổi muối-nước giữa cơ thể và môi trường ngoài. Do đó, pH là nhân tố quyết định giới hạn phân bố của các loài thủy sinh vật. pH có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của phôi, quá trình dinh dưỡng, sinh trưởng và sinh sản của cá. Cá sống trong môi trường có pH thấp sẽ chậm phát dục, nếu pH quá thấp sẽ không đẻ hay đẻ rất ít. 27
  5. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Không sinh sản Không sinh sản Sinh trưởng Chết Sinh trưởng chậm Sinh trưởng tốt chậm Chết 4 5 6 7 8 9 10 11 pH Hình 3-2. Ảnh hưởng của pH đến đời sống của cá 2.3 Biện pháp quản lý pH 2.3.1 Biện pháp khắc phục tránh pH thấp Trong ao nuôi thủy sản pH thường giảm mạnh (dưới 4,5) gây chết cá thường là do nguyên nhên oxy hóa của đất phèn, do đó để quản lý pH thấp trong vùng chịu ảnh hưởng của đất phèn cần chú ý một số vấn đề sau: - Ở vùng đất phèn không phơi đáy ao nứt nẻ - Tránh trường hợp đất phèn tiếp xúc với không khí (đất đào ao bị phơi khô) - Trước những cơn mưa đầu mùa cần bón vôi xung quanh bờ ao (đối với ao mới đào) - Ao mới đào nên trao đổi nước nhiều, bón vôi (CaCO 3, hay Dolomite) và bón phân - Thay nước, cấp nước mới khi pH giảm thấp Trong trường hợp pH giảm do CO 2 sinh ra từ quá trình hô hấp của thủy sinh vật hay phân hủy hữu cơ thường không gây chết cá nhưng pH thấp (dưới 6,5) cũng không có lợi cho cá. Cần hạn chế sự tích lũy vật chất hữu cơ từ phân bón và thức ăn thừa trong ao, nếu mật độ nuôi cao cần áp dụng biện pháp sục khí để làm giảm CO 2 và làm tăng hàm lượng oxy hòa tan. 2.3.2 Biện pháp khắc phục khi pH cao Để hạn chế pH tăng cao trong ao nuôi thủy sản cần áp dụng một số biện pháp tránh tích lũy dinh dưỡng trong ao để hạn chế sự phát triển quá mức của thực vật. - Cải tạo ao tốt ở đầu vụ nuôi - Không cho thức ăn quá thừa và bón phân quá liều - Áp dụng các biện pháp khống chế sự phát triển của thực vật. Khi độ pH của nước tăng cao trên 9 có thể áp dụng biện pháp hóa học là dùng phèn nhôm Al 2(SO 4) 3.14H 2O để hạ pH xuống 8,34. A 2l ( SO 4 3) . 14H 2O + H 2O 2Al(OH) 3 + 6H + + 3SO 4 + 14H 2O 28
  6. Đặc tính hóa học của môi trường nước A 2l ( SO 4 3) . 14H = 6CaCO3 2O 6H+ 594, 1 4 600, 4 8 x mg mg x=0, 9 9 1 mg/L mg/L Như vậy, dùng khoảng 1 mg phèn có thể loại bỏ 1 mg độ kiềm carbonate. Ngoài phèn nhôm, thạch cao (CaSO 4.2H 2O) cũng được dùng để điều hòa pH vì Ca kết tủa carbonate. 3 CACBON DIOXIDE (CO 2) 3.1 Động thái của CO 2 trong môi trường nước CO 2 là nguồn carbon ban đầu cho các quá trình sinh học trong thủy vực. CO 2 hòa tan trong nước được cung cấp từ một số quá trình sau: - Khuếch tán từ không khí theo quy luật Henry. Thí dụ, độ hòa tan của CO 2 ở áp o suất không khí là 1 atm (760 mm Hg) và 30 C trong nước tinh khiết là C s=665 mL/L x 0,03% = 0,2 mL/L CO 2 (hoặc 0,4 mg/L). Độ hòa tan của CO 2 có thể được xác định theo bảng sau: Bảng 3-3. Độ hòa tan của CO 2 (mg/L) trong nước có nhiệt độ và nồng độ muối khác nhau từ không khí ẩm ở áp suất 1 atm. Nhiệt độ Nồng độ muối (‰) o ( C) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1,09 1,06 1,03 1,00 0,98 0,95 0,93 0,90 0,88 5 0,89 0,87 0,85 0,83 0,81 0,79 0,77 0,75 0,73 0,75 0,73 0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,63 0,61 10 15 0,63 0,62 0,60 0,59 0,57 0,56 0,54 0,53 0,52 20 0,54 0,53 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 25 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,41 0,40 0,39 30 0,40 0,39 0,39 0,38 0,37 0,35 0,35 0,35 0,34 35 0,35 0,35 0,34 0,33 0,33 0,31 0,31 0,31 0,30 40 0,31 0,30 0,30 0,29 0,29 0,28 0,28 0,27 0,27 - Sản phẩm hô hấp của thủy sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng vtheo phản ứng: C 6H 12O 6 + O 2 CO 2 + H 2O - Sự hòa tan của đá nền đáy (đá vôi, đá vôi đen ) 2+ - H 2CO + CaCO 3 Ca(HCO ) 3 Ca + 2HCO 3 3 2+ 2+ - CaMg(CO )3 2 + 2CO + 2H 2 O Ca + Mg + 4HCO3 2 - - Quá trình chuyển hóa từ HCO , 3quá trình này chỉ xảy ra khi có sự quang hợp của thực vật phù du, lúc đó thực vật hấp thu mạnh CO 2. - 2- 2HCO 3 CO 2 + CO3 + H 2O 29
  7. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hàm lượng CO 2 hòa tan trong nước thiên nhiên ở các thủy vực thường gia tăng vào ban đêm và giảm thấp vào ban ngày, nghĩa là nó niến thiên hoàn toàn ngược lại với oxy hòa tan. Khi hòa tan trong nước, một phần nhỏ CO 2 sẽ liên kết với nước hình thành H 2CO 3, - 2- phần lớn bị phân ly thành ion HCO 3 và CO 3 hình thành một hệ thống cân bằng động: CO 2 trong không khí, CO 2 trong nước, H 2CO 3, Ca(HCO 3) 2, CaCO 3 hòa tan trong nước và CaCO 3 kết tủa. Tỷ lệ của các thành phần trên trong muối phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Sự phân ly của H 2CO 3 và hằng số cân bằng (K 1) được trình bày như sau: CO 2 + H 2O ⇔ H 2CO3 H CO ⇔ H + HCO - -6,35 2 3 3 K1 = 10 + H 2CO 3 là một chất phân ly mạnh nên chúng luôn tồn tại trong nước với tỉ lệ dưới 1%, đo đó hàm lượng của H 2CO 3 và CO 2 được gộp chung gọi là tổng CO 2 (Total CO 2): + - CO 2 + H O ⇔ H + HCO 3 (3.1) 2 Như vậy, có thể trình bày phương trình cân bằng động của phản ứng (3.1) như sau: [H ][HCO ] 3 K 10 6,35 (3.2) [Tông CO ] 1 2 o Nước sạch bão hòa CO ở 225 C và áp suất khí quyển (760 mm Hg) có hàm lượng tổng CO 2 là 0,46 mg/L (Bảng 3-3) và theo lý thuyết nếu tính toán dựa trên phương trình cân bằng (3.2) thì độ pH của nước là 5,68. Ở hàm lượng tổng CO 2 cao hơn thì pH sẽ thấp hơn. Thí dụ, hàm lượng tổng CO 2 là 30 mg/L thì độ pH khoảng 4,8. CO 2 hòa tan trong nước không thể làm giảm pH xuống dưới 4,5. Độ hòa tan của CO 2 trình bày ở Bảng 3-3 chỉ áp dụng cho điều kiện nước sạch. Trong - nước có chứa hàm lượng bicarbonate (HCO ) cao3 hơn thì hàm lượng CO ở trạng 2thái cân bằng sẽ cao hơn nhiều. Thí dụ, ở pH bằng 7 và hàm lượng bicarbonate là 61 mg/L thì hàm lượng tổng CO 2 ở trạng thái cân bằng được tính như sau: [H ][HCO ] (10 7 )(103 3 10 6,35 ) [Tông CO 2 ] (Tông CO 2 ) (10 10 ) Tông 10 3, 65 9 8,m g 6,35 (10 ) / L Bicarbonate được hình thành từ sự phân ly của acid carbonic có thể tiếp tục bị phân ly với hàng số cân bằng (K 2) theo phương trình: HCO -⇔ H + + CO 2- -10,33 3 3 K2 = 10 (3.3) Phương trình cân bằng động của phản ứng (3.3) như sau: 30
  8. Đặc tính hóa học của môi trường nước [H ][CO2 3 K 10 10,33 ] 2 [HCO ] 3 2- Bởi vì K rất nhỏ nên hàm lượng CO 3 không đáng kể ngay cả trong nước sạch với 2 2- hàm lượng CO cao. Tuy nhiên, nếu pH tăng thì hàm lượng CO 3 và tổng CO 2 giảm 2 để duy trì hằng số cân bằng K 1 và K 2. 2- 2- Hàm lượng của tổng CO và CO 3 rất thấp khi [CO 3 ] = [Tổng CO 2] (xem hình 3-3). 2 Giá trị pH lúc đó bằng 8,34 và được tính như sau: 2 [H ][HCO 3 ] [H ][CO 3 6,35 10,33 x K 1x K 2 10 10 ])[ Tông CO ] 2 [HCO 3 ] 2 2 10 16,68 [H ] [CO 3 ] 2- [Tông CO ] + 2 -10,68 + -8,34 [CO ] = [Tổng CO 2 ] ⇒ [H ] = 10 ⇒ pH = 8,34 3 2 ⇒ [H ] = 10 Hình 3-3. Ảnh hưởng của pH lên tỉ lệ của các dạng Tổng CO , HCO , CO - . 2- 2 3 3 Khi pH cao hơn 8,34 thì trong nước không tồn tại CO tự do và khi pH thấp hơn 8,34 2- 2 thì không tồn tại CO3 trong nước. - 2- Như vậy, sự tồn tại của các dạng CO , HCO2 , CO 3 có liên quan đến độ kiềm và pH 3 - 2- + - 3- 2- của nước. Trong nước các ion HCO3 , CO 3 , NH , OH4 , PO 3 , đều có tính 4 bazơSIO gây nên độ kiềm của nước. Tuy nhiên, nước dùng trong nuôi trồng thủy sản thì - 2- HCO 3 , CO 3 tạo nên độ kiềm của nước là chính. Có thể phân biệt làm 2 loại độ kiềm: 31
  9. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Độ kiềm tổng cộng: tổng hàm lượng bazơ chuẩn độ trong nước thể hiện bằng đơn vị mg CaCO 3/L pH>4,5 - Độ kiềm phenoltalein hay độ kiềm carbonate, pH>8,34 Nước thiên nhiên thường có độ kiềm biến động trong khoảng 5-500 mg/L. Theo Boyd & Walley (1975) (trích dẫn bởi Boyd, 1990), ao có độ kiềm thấp thường ở vùng đất cát, trong khi ao có độ kiềm cao thường ở vùng đất thịt và sét, nơi có chứa nhiều CaCO 3. Hàm lượng kiềm lớn hơn 20 mg CaCO 3/L là thích hợp cho ao nuôi giúp ổn định pH và tăng lượng khoáng. - - CO 2 và HCO 3 tồn tại trong nước sẽ giúp ổn định pH, CO -HCO2 được3 gọi là hệ đệm của nước. Khả năng đệm của nước dùng để chỉ khả năng chống lại sự thay đổi pH khi - môi trường tăng tính acid hay bazơ nhờ khả năng trung hòa acid của HCO và khả 3 năng trung hòa bazơ của CO 2. + - H + HCO H O + CO 2 3 2 - - OH + CO 2 HCO 3 2- - CO 3 + CO 2 + H 2O 2HCO3 + - Nếu ion H tăng (pH giảm) thì HCO 3sẽ phản ứng với H+ tạo ra CO , hằng số2 cân bằng K 1 được duy trì và pH ít thay đổi. Ngược lại, khi ion bazơ tăng, CO 2 sẽ phản ứng + nước sinh ra H để trung hòa bazơ ngăn cản quá trình tăng pH. 3.2 Ý nghĩa sinh thái học của CO 2 trong môi trường nước CO 2 đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống của vùng nước, CO 2 là một bộ phận cơ bản tham gia vào việc tạo thành chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. CO 2 gắn liền với vòng tuần hoàn của các chất trong thủy vực, trong đó có việc tạo thành và phân hủy các hợp chất hữu cơ trao đổi Ca, Mg và các muối bicacbonate, cacbonate trong nước. Vì vậy, nếu hàm lượng CO 2 hòa tan trong nước thấp sẽ hạn chế năng suất sinh học sơ cấp. Tuy nhiên, CO 2 tồn tại dưới dạng tự do ở nồng độ cao cũng không có lợi cho đời sống của thủy sinh vật. Nếu áp suất của CO 2 trong nước lớn hơn áp suất của CO 2 trong máu cá sẽ làm cản trở quá trình bài tiết CO 2 từ máu cá ra môi trường ngoài, đưa đến sự tích tụ CO 2 trong máu cá dẫn đến những sự thay đổi mạnh mẽ các phản ứng sinh lý của cơ thể cá (Hình 3-4) - Làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. - Làm tăng ngưỡng oxy của cá. - Làm tăng độ acid của máu (pH giảm sẽ ảnh hưởng đến các trạng thái tồn tại của protid trong máu ). 32
  10. Đặc tính hóa học của môi trường nước Hình 3-4. Ảnh hưởng của hàm lượng CO 2 lên độ bão hòa oxy của hemoglobin Theo Hart (1944), Haskel & Davies (1958) thì hầu hết loài cá có thể tồn tại trong nước có hàm lượng CO 2 tự do khoảng 60 mg/L. Theo Ellis (1937) thì quần thể cá phát triển tốt khi môi trường nước chứa đựng hàm lượng CO 2 tự do nhỏ hơn hoặc bằng 5ppm. Trong ao nuôi thủy sản hàm lượng CO 2 biến động từ 0 (giữa trưa) đến 5 hay 10 mg/L (ban đêm) là không ành hưởng xấu đến sức khỏe của cá (trích dẫn bởi Boyd, 1990). 3.3 Biện pháp tránh tích lũy CO 2 gây độc hại trong cá ao nuôi cá Hàm lượng khí CO 2 vượt quá mức (>10 mg/L) và hàm lượng oxy hòa tan thấp trong nước có thể gây hại cho cá do CO 2 làm cản trở sự hấp thụ O 2 của cá. Nguyên nhân dẫn đến CO 2 cao là do hoạt động dị dưỡng lớn hơn hoạt động tự dưỡng, nước ao tích lũy nhiều vật chất hữu cơ hay tảo tàn Để tránh hiện tượng tích lũy CO 2 gây độc cho cá, khi nuôi cá cần chú ý những điểm sau đây: - Sau mỗi chu kỳ cần vét đáy ao, để lại lớp bùn đáy không quá 20 cm và phơi đáy ao từ 2-3 ngày để các hợp chất hữu cơ trong đáy ao bị phân hủy hoàn toàn. - Trong quá trình nuôi, không được cho nhiều cỏ rác, mùn bã hữu cơ vào ao, nhất là bón phân hữu cơ cần chú ý liều lượng thích hợp. - Khi nuôi cá với mật độ cao cần phải sục khí để làm tăng sự khuếch tán của CO 2 ra không khí và tăng hàm lượng oxy hòa tan. Khi CO 2 trong nước quá cao có thể áp dụng các biện pháp làm giảm CO 2 như sau: - Dùng Ca(OH)2 2CO 2 + Ca(OH) 2 Ca(HCO 3)2 Để làm giảm 88 mg CO 2 cần gùng 74,08 mg Ca(OH)2 Vậy muốn làm giảm 1 mg CO 2 cần dùng 0,84 mg Ca(OH)2 Chú ý: dùng Ca(OH) 2 quá nhiều (thừa) có thể làm tăng pH nhanh chóng đến mức nguy hiểm, hàm lượng NH 3 cũng sẽ tăng khi pH tăng. 33
  11. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Dùng Na 2CO3 2CO 2 + Na 2CO 3 + H 2O NaHCO3 Để làm giảm 44 mg CO 2 cần gùng 105,98 mg Na 2CO3 Vậy muốn làm giảm 1 mg CO 2 cần dùng 2,4 mg Na 2CO3 Dùng Na 2CO 3 thì an toàn hơn Ca(OH) 2, nhưng tốn kém hơn 4 OXYGEN (O 2) 4.1 Động thái của oxy hòa tan trong môi trường nước Oxy hòa tan trong nước chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào, đặc biệt là các thủy vực nước chảy. Sự hòa tan của oxy cũng tuân theo quy luật Henry và có thể được tính theo công thức sau đây: Cs = K s x P Trong đó: Cs = sự hoà tan của khí, = hiệu suất hoà tan Ks P = áp suất riêng phần của khí Thí dụ, ở 30 oC và 1 atm (760 mm Hg) hàm lượng oxy hòa tan = 26,1 mL/L x 0,209 = 5,5 mL/L hoặc = 5,5 mL/L x 1,4 = 7,7 mg/L (32.000mg/22.400 mL = 1,4). Phần trăm bão hòa của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và nồng độ muối nhất định (Bảng 3-4). Nước hòa tan nhiều hơn hay ít hơn nồng độ bão hòa được gọi là quá bão hòa hay dưới bão hòa. Hiện tượng oxy hòa tan quá bão hòa thường xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Oxy hòa tan trong nước còn do sự quang hợp của thực vật trong nước, quá trình này thường diễn ra mạnh trong các thủy vực nước tĩnh. Trong nước hàm lượng oxy hòa tan có thể mất đi do quá trình hô hấp của thủy sinh vật hay quá trình oxy hóa vật chất hữu cơ trong nước và trong nền đáy ao. Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực được trình bày ở Hình 3-5. Trong thủy vực nước chảy hàm lượng oxy hòa tan thường ít khi vượt quá bão hòa. Trong khi đó, ở các thủy vực nước tĩnh thực vật quang hợp tạo ra oxy lớn hơn gấp nhiều lần so với quá trình hô hấp của thủy sinh vật, do đó hàm lượng oxy hòa tan có thể vượt quá mức bão hòa trên 200% (Hình 3-6) 34
  12. Đặc tính hóa học của môi trường nước Bảng 3-4. Độ hòa tan của oxy (mg/L) dưới tác dụng của nhiệt độ, độ mặn 0-40‰ (không khí ẩm, khí áp = 760 mm Hg). Theo Colt (1984). Trích dẫn bởi Boyd (1990) Nhiệt độ Độ mặn, phần ngàn (ppt) (°C) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 14,602 14,112 13,638 13,180 12,737 12,309 11,896 11,497 11,111 1 14,198 13,725 13,268 12,825 12,398 11,984 11,585 11,198 10,815 2 13,813 13,356 12,914 12,487 12,073 11,674 11,287 10,913 10,552 3 13,445 13,004 12,576 12,163 11,763 11,376 11,003 10,641 10,291 4 13,094 12,667 12,253 11,853 11,467 11,092 10,730 10,380 10,042 5 12,757 12,344 11,944 11,557 11,183 10,820 10,470 10,131 9,802 6 12,436 12,036 11,648 11,274 10,911 10,560 10,220 9,892 9,573 7 12,127 11,740 11,365 11,002 10,651 10,311 9,981 9,662 9,354 8 11,832 11,457 11,093 10,742 10,401 10,071 9,752 9,414 9,143 9 11,549 11,185 10,833 10,492 10,162 9,842 9,532 9,232 8,941 10 11,277 10,925 10,583 10,252 9,932 9,621 9,321 9,029 8,747 11 11,016 10,674 10,343 10,022 9,711 9,410 9,118 8,835 8,561 12 10,766 10,434 10,113 9,801 9,499 9,207 8,923 8,648 8,381 13 10,525 10,203 9,891 9,589 9,295 9,011 8,735 8,468 8,209 14 10,294 9,981 9,678 9,384 9,099 8,823 8,555 8,295 8,043 15 10,072 9,768 9,473 9,188 8,911 8,642 8,381 8,129 7,883 16 9,858 9,562 9,276 8,998 8,729 8,468 8,214 7,968 7,730 17 9,651 9,364 9,086 8,816 8,554 8,300 8,053 7,814 7,581 18 9,453 9,174 8,903 8,640 8,385 8,138 7,898 7,664 7,438 19 9,261 8,990 8,726 8,471 8,222 7,982 7,798 7,521 7,300 20 9,077 8,812 8,556 8,307 8,065 7,831 7,603 7,382 7,167 21 8,898 8,641 8,392 8,149 7,914 7,685 7,463 7,248 7,038 22 8,726 8,476 8,233 7,997 7,767 7,545 7,328 7,118 6,914 23 8,560 8,316 8,080 7,849 7,626 7,409 7,198 6,993 6,794 24 8,400 8,162 7,931 7,707 7,489 7,277 7,072 6,872 6,677 25 8,244 8,013 7,788 7,569 7,357 7,150 6,950 6,754 6,565 26 8,094 7,868 7,649 7,436 7,229 7,027 6,831 6,641 6,456 27 7,949 7,729 7,515 7,307 7,105 6,908 6,717 6,531 6,350 28 7,808 7,593 7,385 7,182 6,984 6,792 6,606 6,424 6,248 29 7,671 7,462 7,259 7,060 6,868 6,680 6,498 6,321 6,148 30 7,539 7,335 7,136 6,943 6,755 6,572 6,394 6,221 6,052 31 7,411 7,212 7,018 6,829 6,645 6,466 6,293 6,123 5,959 32 7,287 7,092 6,903 6,718 6,539 6,364 6,194 6,029 5,868 33 7,166 6,976 6,791 6,611 6,435 6,265 6,099 5,937 5,779 34 7,049 6,863 6,682 6,506 6,335 6,168 6,006 5,848 5,694 35 6,935 6,753 6,577 6,405 6,237 6,074 5,915 5,761 5,610 36 6,824 6,647 6,474 6,306 6,142 5,983 5,828 5,676 5,529 37 6,716 6,543 6,374 6,210 6,050 5,894 5,742 5,594 5,450 38 6,612 6,442 6,277 6,117 5,960 5,807 5,659 5,514 5,373 39 6,509 6,344 6,183 6,025 5,872 5,723 5,577 5,436 5,297 40 6,410 6,248 6,091 5,937 5,787 5,641 5,498 5,360 5,224 35
  13. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình 3-5. Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực. Hình 3-6. Sự gia tăng (quang hợp) và giảm hàm lượng oxy hòa tan (hô hấp) trong ao cá giàu dinh dưỡng. 36
  14. Đặc tính hóa học của môi trường nước Trong các ao nuôi thủy sản hàm lượng oxy có sự biến động lớn theo ngày đêm, mức độ biến động phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng và sự phát triển của thực vật. Trong ao nuôi nghèo dinh dưỡng, thực vật kém phát triển nên biên độ dao động của oxy nhỏ. Trong ao giàu dinh dưỡng thực vật phát triển mạnh, vào ban ngày chúng quang hợp làm hàm lượng oxy hòa tan tăng cao vượt quá mức bão hòa và đạt mức cao nhất vào khoảng 14:00-16:00 giờ. Ngược lại, ban đêm quá trình hô hấp của thủy sinh vật tiêu thụ nhiều oxy làm hàm lượng oxy hòa tan giảm dần và đạt mức thấp nhất vào sáng sớm. Những ao quá giàu dinh dưỡng, hàm lượng oxy hòa tan vào sáng sớm có thể giảm đếm mức 0 mg/L và đạt đến mức quá bão hòa 200% vào giữa trưa (Hình 3-7). Hình 3-7. Những thay đổi ngày đêm về hàm lượng oxy hoà tan (mg/L) trong ao nghèo dinh dưỡng (đường chấm), ao giàu dinh dưỡng (đường gạch) và quá giàu dinh dưỡng (đường liền). Trong một ao nuôi thủy sản hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du có khuynh hướng tăng dần vào cuối vụ nuôi, do đó sự biến động hàm lượng oxy hòa tan theo ngày đêm cũng tăng dần. Đầu vụ nuôi, hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du thấp nên hàm lượng oxy hòa tan thường thấp hơn mức bão hòa và ít biến động. Càng về cuối vụ nuôi, thực vật phù du phát triển làm hàm lượng oxy hòa tan biến động mạnh, khi thực vật phù du phát triển quá mức thì hàm lượng oxy hòa tan lúc thấp nhất (sáng sớm) sẽ thấp hơn nhu cầu của cá, cần phải có biện pháp khắc phục (Hình 3-8). 37
  15. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình 3-8. Mối quan hệ giữa sự phát triển của thực vật nổi và hàm lượng oxy hoà tan trong chu kỳ nuôi thịt tôm càng xanh (Theo C.W. Lin & Yang Yi, 2001) 4.2 Ý nghĩa sinh thái học của oxy hòa tan trong môi trường nước Oxy là chất khí quan trọng nhất trong số các chất khí hòa tan trong môi trường nước. Nó rất cần đối với đời sống sinh vật đặc biệt đối với thủy sinh vật, vì hệ số khuếch tán của oxy trong nước nhỏ hơn rất nhiều so với trong không khí. Theo Krogh (1919) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì hệ số khuếch tán của oxy trong không khí là 11 còn -6. trong nước chỉ là 34.10 Do đó, dễ đưa đến hiện tượng thiếu oxy cục bộ trong thủy vực. Hơn nữa, trong thủy quyển oxy hòa tan chỉ chiếm 3,4% thể tích, còn trong khí quyển nó chiếm tới 20,98% thể tích. Hình 3-9: Ảnh hưởng của hàm lượng oxy hòa tan lên sức khỏe cá. Theo Swingle (1969), trích dẫn bởi Boyd (1990) 38
  16. Đặc tính hóa học của môi trường nước Theo Swingle (1969) thì nồng độ oxy hòa tan trong nước lý tưởng cho tôm, cá là trên 5 ppm. Tuy nhiên, nếu hàm lượng oxy hòa tan vượt quá mức độ bão hòa cá sẽ bị bệnh bọt khí trong máu, làm tắt nghẽn các mạch máu dẫn đến não và tim đưa đến sự xuất huyết ở các vây, hậu môn. 4.3 Biện pháp tránh và khắc phục hiện tượng thiếu oxy trong các ao nuôi cá Để tránh và khắc phục hiện tượng thiếu oxy trong các ao nuôi cá, khi nuôi ta cần chú ý các điểm sau: - Ao nuôi cần thoáng khí, nếu cần thả lục bình, rau muống hay bèo để làm nơi trú ẩn cho cá khi nhiệt độ nước quá cao thì nên gom chúng lại ở một góc ao và không được thả quá 1/3 diện tích mặt ao. - Không cho ăn thức ăn quá dư thừa hoặc bón phân quá liều lượng, vì như vậy sẽ dễ dàng đưa đến hiện tượng thực vật phù du nở hoa làm nồng độ oxy hòa tan giảm thấp vào ban đêm (có khi hết hẳn), có thể cả trong ban ngày khi thực vật phù du chết đi quá trình phân hủy của chúng tiêu hao nhiều oxy của môi trường và phóng thích nhiều CO 2, tích lũy nhiều NH 3, H 2S không có lợi cho đời sống thủy sinh vật trong ao. - Thay nước với nguồn nước có chất lượng tốt. - Khi thấy có hiện tượng xấu như cá nổi đầu hàng loạt và hoạt động yếu (không phản ứng với tiếng động) thì phải tiến hành sục khí hay cấp nước mới. - Sử dụng chất oxy hóa như KMnO 4 (2-6 mg/L), nhưng hiệu quả không cao bởi vì phải dùng 6,58 mg/L để tạo ra 1 mg O 2/L. Hàm lượng KMnO 4 quá mức sẽ gây độc cho cá. 4KMnO 4 + 2H 2O 4KOH + 4 MnO 2 + 3O2 2+ KMnO 4 có tác dụng oxy hóa làm giảm các chất độc như H S, Fe 2 , thuốc trừ sâu, kim loại nặng - Sử dụng H 2O2 2H 2O 2 2H 2O + O2 Theo lý thuyết, 0,05 mL (1 giọt) H 2O 2 6% cho vào 1 lít nước sẽ sản sinh ra 1,5 mg O 2. - Sử dụng CaO 2 dạng hạt CaO 2 + H 2O Ca(OH) 2 + O2 Theo Chamberlian (1988) (trích dẫn bởi Boyd, 1990), bón CaO 2 (60%) vào 2 đáy ao với liều lượng 25-100 g/m , CaO 2 phân hủy dần và giải phóng O 2. Với liều lượng 2,7 kg CaO 2 sẽ sinh ra 1 kg O 2. 5 HYDROGEN SULFIDE (H 2S) 5.1 Động thái của khí H 2S trong môi trường nước Khí H 2S tích tụ dưới nền đáy các thủy vực chủ yếu là do quá trình (i) phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh hay (ii) quá trình phản sulfate hóa với sự tham gia của các vi khuẩn yếm khí. Trường hợp thứ nhất thường hay gặp ở hầu hết các thủy vực, trường hợp thứ hai thường gặp ở thủy vực nước lợ, mặn như biển và đại dương, 39
  17. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 2- nơi có nhiều ion SO 4 trong nước. H 2S được hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao và trong thủy vực có nhiều hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh. H 2S có mùi đặc trưng đó là mùi trứng thối. Quá trình phản sulfate hóa xảy ra theo phản ứng sau: 2- + 2- SO 4 + H S + 4H O 2 - Sản phảm của quá trình phản sulfate hóa sẽ chuyển hóa tạo thành HS và H S theo các2 phản ứng sau: + - H 2S ⇔ H + HS HS - ⇔ H + + S 2- Hằng số cân bằng của các phản ứng trên là: [H ][ HS K 10 7,01 ] 1 (5.1) [H S] 2 [H ][S K 10 13,89 (5.2) ] 2 2 [HS ] - 2- pH có liên quan đến sự tồn tại của các dạng sulfide (H S, HS , S2 ), dạng tự do (H S) 2 thì rất độc đối với cá nhưng phân ly thành các ion (HS , S ) thì- chúng2- không độc, do đó tỉ lệ giữa dạng ion và dạng tự do được chú ý trong nuôi trồng thủy sản. Chúng ta có thể tính được tỉ lệ của dạng tự do ở bất kỳ giá trị pH dựa vào phương trình (5.1). - + -5 Thí dụ, tỉ lệ HS :H S 2ở pH = 5 ([H ]=10 ) được tính như sau: [HS ] 7,01 10 7, 01 10 2,01 0,0098 mole / L 10 5 [H 2S] [H 10 ] - Như vậy, ở pH=5 cứ 1 mole H S thì2 tồn tại 0,0098 mole HS và tỉ lệ của H S trên tổng2 sulfide là 99,03%. 1 H S/Tổng sulfide (%) = 100 99,03% 2 1 ,0098 Khi pH tăng, tỉ lệ H 2S/Tổng sulfide giảm, thí dụ khi pH bằng 6 thì tỉ lệ này bằng 91,1 và ở pH bằng 7 thì tỉ lệ này là 50,6%. Tỉ lệ của H 2S/Tổng sulfide còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì tỉ lệ này giảm. Chúng ta có thể tính được hàm lượng H 2S ở điều kiện nhiệt độ và pH xác định dựa vào bảng số sau: 40
  18. Đặc tính hóa học của môi trường nước Bảng 3.5. Tỉ lệ phần trăm của H 2S/Tổng sulfide theo pH và nhiệt độ Nhiệt độ nước ( C)o pH 16 18 20 22 24 26 28 30 32 5,0 99,3 99,2 99,2 99,1 99,1 99,0 98,9 98,9 98,9 5,5 97,7 97,6 97,4 97,3 97,1 96,9 96,7 96,5 96,3 6,0 93,2 92,8 92,3 92,0 91,4 90,8 90,3 89,7 89,1 6,5 81,2 80,2 79,2 78,1 77,0 75,7 74,6 73,4 72,1 7,0 57,7 56,2 54,6 53,0 51,4 49,7 48,2 46,6 45,0 7,5 30,1 28,9 27,5 26,3 25,0 23,8 22,7 21,6 20,6 8,0 12,0 11,4 10,7 10,1 9,6 9,0 8,5 8,0 7,5 8,5 4,1 3,9 3,7 3,4 3,2 3,0 2,9 2,7 2,5 9,0 1,3 1,3 1,2 1,1 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 Hàm lượng H S (mg/L) = Tổng sulfide x tỉ lệ % của H S (giá trị tra trong bảng trên) 2 2 5.2 Ý nghĩa sinh thái học của khí H 2S H 2S là một chất khí cực độc đối với thủy sinh vật, tác dụng độc của nó là liên kết với sắt trong thành phần của hemoglobine, không có sắt thì hemoglobine không có khả năng vận chuyển oxy cung cấp cho các tế bào, thủy sinh vật sẽ chết vì thiếu oxy. Độ độc của H 2S đối với cá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ của nước. Theo o Bonn và Follis (1957) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì ở nhiệt độ 25-30 C, pH nước bằng 6,8 thì nồng độ H 2S gây chết 50% cá sau 3 giờ thí nghiệm (LC 50-3 giờ) là 0,8 mg/L. Còn pH bằng 7 thì LC 50-3 giờ của khí H 2S đối với cá Nheo bột Mỹ là 1mg/L, 1,3 mg/L đối với cá tiền trưởng thành và 1,4 mg/L đối với cá trưởng thành. Ở những nồng độ thấp hơn, khí H 2S không gây độc hại trực tiếp nhiều đối với cá mà làm tiêu 2 2- hao nhiều oxy của môi trường (để oxy hóa hoàn toàn 1mg khí H S thành SO 4 phải tiêu tốn đến 1,3 mg oxy của môi trường. Trong mùa hè, khí H 2S thường được hình thành nhiều ở nến đáy thủy vực, hạn chế sự phát triển của nhiều loại động vật đáy, hạn chế thức ăn tự nhiên của một số loài cá, năng suất cá nuôi bị giảm. Vào mùa đông, sự tích lũy khí H 2S ở đáy ao nhiều bùn gây nên hiện tượng thiếu oxy có thể dẫn đến cá chết, nhất là các ao nước tù. 5.3 Biện pháp tránh tích lũy nhiều khí H 2S Để tránh sự hình thành nhiều khí H 2S gây độc cho các ao nuôi cần hạn chế sự tích lũy hữu cơ ở đáy ao và tình trạng yếm khí. - Cải tạo ao tốt đầu vụ nuôi - Quản lý tốt thức ăn và hạn chế thức ăn thừa - Khi sử dụng phân bón, nhất là phân hữu cơ nên hóa thành dung dịch tưới khắp mặt ao. Lá dầm (phân xanh ) trong ao phải được giữ ở tầng mặt và thường xuyên đảo trộn để chúng phân hủy nhanh. 41
  19. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Ao phải thoáng để làm tăng oxy hòa tan của nước nhằm tránh hiện tượng yếm khí. - Các ao nuôi thâm canh nên có sục khí để làm H 2S thoát ra không khí nhanh hơn. 6 METHANE (CH 4) Khí methane tích tụ ở nền đáy thủy vực chủ yếu là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. (C 6H 10O 5) + nH 2O (nC 6H 12O 6) CH 4 + H 2O + Q Vi khuẩn tham gia vào các quá trình này có các loài vi khuẩn yếm khí: Bacillus cellulosa metanicus và Bacillus celulosa hydronicus. Hàm lượng khí CH 4 ở nền đáy thủy vực nhiều hay ít phụ thuộc vào số lượng mùn bã hữu cơ có trong thủy vực: ở các ao hồ sâu, nước tĩnh, bón phân hữu cơ như phân xanh, phân chuồng hay lá cây rụng nhiều, tích tụ dưới đáy ao sẽ hình thành nhiều khí CH 4 ở nền đáy. Có nhiều ý kiến khác nhau nói về sự ảnh hưởng của khí CH 4 đối với đời sống của thủy sinh vật, một số cho rằng khí CH 4 không độc hoặc ít độc đối với thủy sinh vật. Nhưng có điều chắc chắn là khi khí CH 4 có nhiều trong nước chứng tỏ quá trình phân hủy hửu cơ yếm khí đã xảy ra, H 2S cũng được sinh ra đồng thời với CH 4 và đây chính là môi trường nước đó không thuận lợi cho đời sống cuả thủy sinh vật. Ngoài ra, khi hàm lượng khí CH 4 trong nước quá nhiều khi nó khuếch tán ra ngoài khí quyển sẽ kéo theo một lượng oxy của môi trường nước làm thất thoát oxy của thủy vực. 7 NITROGEN (N) Nitrogen là thành phần cấu thành protein, N là một trong những nguyên tố quan trọng đối với đời sống sinh vật. Nó được thực vật xanh hấp thụ trước hế là dạng ammonium + - (NH 4 ) và dạng nitrate (NO 3 ), nhưng các hợp chất này thường có rất ít trong các thủy vực. Do đó, trong các thủy vực N thường là nhân tố giới hạn cho đời sống của thực vật. Sự tạo thành các hợp chất hữu cơ trong thủy vực phụ thuộc đáng kể vào hàm + - lượng NH 4 và NO 3 trong thủy vực. Trong các thủy vực hầu như toàn bộ N được liên kết trong các protein của cơ thể sống. Tuy nhiên, các hoạt động của động vật thủy sinh ammonia (NH 3) luôn được bài tiết ra hoặc sau khi chúng chết đi bị các vi sinh vật phân hủy giải phóng NH 3, trả lại N cho thủy vực. Đây chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho thực vật hay gián tiếp sau khi NH 3 bị oxy hóa thành nitrate (xem chu trình N ở Chương 5). 42
  20. Đặc tính hóa học của môi trường nước + 7.1 Ammonia (NH ) và3 ammonium (NH ) 4 7.1.1 Động thái của ammonia va ammonium NH 3 trong các thủy vực được cung cấp từ quá trình phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ. (NH 2 2) C O + 2H 2O (NH 4) 2CO3 (NH 4 2) C O 3 2 NH 3 + CO 2 + H 2O NH 3 là loại khí độc đối với cá, khi được tạo thành sẽ phản ứng với nước sinh ra ion + + NH 4 cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tổng hàm lượng của NH 3 và NH4 được gọi là Tổng đạm amôn (Total Ammonia Nitrogen - TAN). + - NH 3 + H O+ ⇔ NH 4 + OH 2 Tỉ lệ giữa NH + :NH sẽ tăng khi pH giảm và giảm khi pH tăng, tỉ lệ này tại một giá trị 4 3 pH xác định (thí dụ pH=8) có thể được tính từ sự cân bằng sau: [NH ][OH 4,74 K NH 10 ] 3 4 [NH ] 3 4 ,74 K NH 10 3 [NH ] [OH ] [NH 3 ] [OH 4 ] KW [OH ] [H ] [NH ] K NH 4 3 [NH 3 ] K W /[H ] [NH 4 ] 4,74 10 ,12 18,2 10 14 8 6 [NH 3 ] /10 10 + Vì vậy, ở pH=8 mỗi mole NH thì3 có 18,2 mole NH và4 tỉ lệ phần trăm của NH trên 4 TAN là 5,2%. 1 [NH ] x100 5,2% [TAN 3 ] 1 18,2 Ngoài pH, tỉ lệ của NH 3/TAN trong nước còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ và pH của nước gia tăng thì hàm lượng NH 3 trong nước sẽ gia tăng và ngược lại. 43
  21. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Bảng 3-6. Tỉ lệ phần trăm của NH 3/TAN theo pH và nhiệt độ Nhiệt độ ( C)o pH 16 18 20 22 24 26 28 30 32 7,0 0,30 0,34 0,40 0,46 0,52 60,00 0,70 0,81 0,95 7,2 0,47 0,54 0,63 0,72 0,82 0,95 1,10 1,27 1,50 7,4 0,74 0,86 0,99 1,14 1,30 1,50 1,73 2,00 2,36 7,6 1,17 1,35 1,56 1,79 2,05 2,35 2,72 3,13 3,69 7,8 1,84 2,12 2,45 2,80 3,21 3,68 4,24 4,88 5,72 8,0 2,88 3,32 3,83 4,37 4,99 5,71 6,55 7,52 8,77 8,2 4,49 5,16 5,94 6,76 7,68 8,75 10,00 11,41 13,22 8,4 6,93 7,94 9,09 10,30 11,65 13,20 14,98 16,96 19,46 8,6 10,56 12,03 13,68 14,40 17,28 19,42 21,83 24,45 27,68 8,8 15,76 17,82 20,08 22,38 24,88 27,64 30,68 33,90 37,76 9,0 22,87 25,57 28,47 31,37 34,42 37,71 41,23 44,84 49,02 9,2 31,97 35,25 38,69 42,01 45,41 48,96 52,65 56,30 60,38 9,4 42,68 46,32 50,00 53,45 56,86 60,33 63,79 67,12 70,72 9,6 54,14 57,77 61,31 64,54 67,63 70,67 73,63 76,29 79,29 9,8 65,17 68,43 71,53 74,25 76,81 79,25 81,57 83,68 85,85 10,0 74,78 77,46 79,92 82,05 84,00 85,82 87,52 89,05 90,58 10,2 82,45 84,48 86,32 87,87 89,27 90,56 91,75 92,80 93,84 7.1.2 Ý nghĩa sinh thái học của ammonia và ammonium NH 3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ sống, sinh trưởng đối với thủy + sinh vật. NH 3 là khí độc đối với thủy sinh vật còn ion NH không4 độc và nồng độ N- NH 3 gây độc đối với cá là 0,6-2,0 ppm (Downing và Markins, 1975; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Theo Colt và Armstrong (1979) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tác dụng độc hại của NH 3 đối với cá là khi hàm lượng NH 3 trong nước cao, cá khó được bài tiết NH 3 từ máu ra môi trường ngoài. NH 3 trong máu và các mô tăng làm pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác của enzyme và độ bền vững của màng tế bào, làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào đưa đến cá chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối giữa cơ thể và môi trường ngoài. NH 3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxy của mô, làm tổn thương mang và làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. Độ độc của NH 3 đối với một số loài giáp xác cũng đã được ngiên cứu, ở nồng độ 0,09 mg/L NH 3 làm giảm sự sinh trưởng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii), ở nồng độ 0,45 mg/L làm giảm 50% sự sinh trưởng của các loài tôm he. Ngoài ra, LC 50-24 giờ và LC 50-96 giờ của NH 3 đối với tôm sú hậu ấu trùng (Penaeus monodon) là 5,71 mg/L và 1,26 mg/L(Chin và Chen, 1987). Nồng độ NH 3 được coi là 44
  22. Đặc tính hóa học của môi trường nước an toàn cho ao nuôi là 0,13 mg/L. Do đó, việc theo dõi hàm lượng NH 3 trong ao nuôi thủy sản là rất cần thiết để nâng cao năng suất nuôi. Ở hàm lượng dưới mức gây chết NH 3 cũng có ảnh hưởng xấu đến thủy sinh vật: - Nó gia tăng tính mẫn cảm của động vật đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường như sự dao động của nhiệt độ, thiếu oxy. - Ức chế sự sinh trưởng bình thường. - Giảm khả năng sinh sản, giảm khả năng chống bệnh + NH 4 trong nước rất cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật làm thức ăn tự nhiên, + nhưng nếu hàm lượng NH 4 quá cao sẽ làm cho thực vật phù du phát triển quá mức không có lợi cho cá (thiếu oxy vào sáng sớm, pH dao động ). Theo Boyd (1990) hàm + lượng NH 4 thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 0,2-2 mg/L. 7.1.3 Biện pháp duy trì hàm lượng ammonia thích hợp NH 3 sinh ra từ quá trình phân hủy protein và bài tiết của động vật cho nên để quản lý hàm lượng NH 3 cần chú ý đến một số vấn đề sau: - Cải tạo ao tốt trước mỗi vụ nuôi (loại bỏ vật chất hữu cơ tích tụ trong ao) - Duy trì mật độ nuôi thích hợp - Không cho thức ăn quá thừa và bón phân quá liều. - Khống chế mức dao động pH nước ao theo ngày đêm không quá 1. - Thay nước khi hàm lượng amnonia vượt quá mức cho phép - Bón phân khi hàm lượng ammonia quá thấp - - 7.2 Nitrite (NO )2 và Nitrate (NO ) 3 7.2.1 Nitrite Trong các thủy vực nitrite được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonia và ammonium nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp Nitrosomonas theo phản ứng sau: + - + NH 4 + 3/2 O2 NO 2 + 2H +2 H O + 76kcal Trong điều kiện không có oxy, nhiều loài vi sinh vật có thể sử dụng nitrate hoặc một dạng oxy hóa khác của nitrogen (thay vì oxy) như một chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp. Quá trình dị dưỡng này được gọi là khử nitrate hay hô hấp nitrate, khi đó nitrate bị khử thành nitrite, hyponitric, hydroxylamine, ammonia hay khí N 2. 2HNO + H + HNO + H O 3 2 2 + 2HNO 2 + 4H N 2O 2 H2 + 2H2 O + N 2O H 2 + NH 2NH OH2 2 + 2NH OH2 + 4H 2NH 3 + 2H O2 + N 2O H 2 +2H N 2 + H2 O 2 45
  23. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản N 2O 2H 2 N 2O + H 2O + N 2O + 2H N 2 + H O2 Quá trình này còn được gọi là quá trình phản nitrate hóa, các hợp chất trung gian trong quá trình chuyển hóa thường là những dạng độc nên không có lợi cho thủy sinh vật. Khi hàm lượng nitrite trong nước cao, nitrite sẽ kết hợp với hemoglobin tạo thành methemoglobin: - Hb + NO 2 = Met-Hb 2+ 3+ Trong phản ứng này, Fe của hemoglobin bị oxy hóa từ thành Fe , kết hemoglobinFe không thể kết hợp với oxy. Với lý do này, tính độc của nitrite làquả làm giảm hoạt tính của hemoglobin hay có thể gọi là thiếu máu. Máu có chứa methemoglobin thường có màu nâu nên có được gọi là "bệnh máu màu nâu". Đối với giáp xác, máu có chứa hemocyanin có Cu trong thành phần cấu tạo thay vì Fe như ở hemoglobin. Phản ứng giữa nitrite với hemocyanin chưa được nghiên cứu nhiều nhưng người ta cũng xác nhận rằng nitrite cũng gây độc cho giáp xác. Schwedler & Tucker (1983) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tìm thấy hàm lượng methemoglobin trong máu của loài cá nheo (chennel catfish) nuôi trong ao biến động từ 5-90%. Máu có màu nâu nhạt khi hàm lượng methemoglobin trong máu đạt 25- 30% và máu có màu chocolate khi hàm lượng methemoglobin trong máu cao hơn 50%. Một số loài cá có thể khử methemoglobin thành hemoglobin khi hàm lượng nitrite trong nước giảm hoặc cá di chuyển đến nơi có hàm lượng nitrite thấp (Huey & Beitinger, 1982; Freeman et al., 1983. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Nitrite đi vào máu qua mang, mức độ hấp thụ nitrite phụ thuộc vào tỉ lệ nitrite:chloride trong môi trường nước (Schwedler et al., 1980. Trích dẫn bởi Boyd, - 1990) và khả năng chịu đựng nitrite có liên quan đến hàm lượng chloride (Cl ) trong môi trường nước. Cá nheo sống trong môi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:1 thì methemoglobin chiếm 80% trong máu, trong khi môi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:3 thì hàm lượng methemoglobin chỉ chiếm 25%. Đối với cá măng (Chanos chanos), trong môi trường nước ngọt nitrite độc gấp 55 lần so với môi trường có độ mặn 16‰. Giá trị LC 50-96 giờ của nitrite đối với các loài cá nước ngọt từ 0,66-200 mg/L, đối với giáp xác nước ngọt từ 8,5-14,5 mg/L. Sinh trưởng của tôm càng xanh giảm đáng kể khi nồng độ nitrite là 1,8 và 6,2 mg/L (Colt & Armstrong,2+ 1979. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). - Ở các thủy vực nước lợ có hàm lượng Ca và Cl có khuynh hướng làm giảm tính độc của nitrite (Crawford & Allen, 1977; Perron & Meade, 1977; Russo et al., 1981. Trích 46
  24. Đặc tính hóa học của môi trường nước dẫn bởi Boyd, 1990). Giá trị LC 50-24 giờ và 96 giờ của nitrite đối với tôm sú và hậu ấu trùng là 204 và 45 mg/L (Chen &Chin, 1988). Nồng độ an toàn của nitrie đối với hậu ấu trùng tôm sú là 4,5 mg/L. Tuy nhiên, nồng độ ammonia cao sẽ làm tăng tính độc của nitrite đối với tôm sú. Theo Schwedler et al. (1985) những nhân tố sau đây có ảnh hưởng đến độ độc của nitrite: hàm lượng chloride, pH, kích cỡ cá, tình trạng dinh dưỡng, sự nhiễm bệnh, hàm lượng oxy hòa tan do đó, không thể xác định được nồng độ gây chết, nồng độ an toàn của nitrite trong nuôi trồng thủy sản. 7.2.2 Nitrate Nitrate trong thủy vực là sản phẩm của quá trình nitrate hóa nhờ hoạt động của một số vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina, nitrosococcus (nước lợ, mặn). - - NO 2 + 1/2 O2 NO3 + 24kcal Nitrate còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp, phản ứng tạo thành nitrate như sau: N 2 +2O 2 2NO2 2NO 2 + H 2O HNO 2 + HNO3 Theo Eriksson (1952) thì nước mưa cung cấp đạm cho bề mặt trái đốt từ 1-60 kg/ha/năm, phần lớn dưới 10 kg/ha/năm. Nitrate là một trong những dạng đạm được thực vật hấp thụ dễ nhất, không độc với thủy sinh vật. Hàm lượng nitrate trong nước biển thường dao động từ 0,2-0,4 mg/L, trong khi ở các thủy vực nước ngọt hàm lượng nitrate có thể lên đến hàng chục mg/L. Hàm lượng thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 0,1-10 mg/L. Hàm nitrate cao không gây độc cho cá nhưng có thể làm thực vật phù du nở hoa gây những biến đổi chất lượng nước không có lợi cho tôm cá nuôi. 8 LÂN (PHOSPHORUS) Trong nước thiên nhiên lân tồn tại dưới các dạng muối orthophosphate hòa tan như 2 4- 2- 3- 4- H PO , HPO và PO hay dưới dạng phosphate ngưng tụ (Pyrophosphate, P 2O 7 , 4 4 Metaphosphate PO - và polyphosphate). Dạng phosphate ngưng tụ dễ bị thủy phân 3 thành orthophosphate hòa tan. Dạng lân hữu cơ hòa tan dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau và chuyển thành dạng muối orthophos phate hòa tan nhờ hoạt động của vi sinh vật. Orthophosphate hòa tan là những ion phân ly từ acid phosphoric(H 3PO 4) theo phương trình sau: + - H 3PO = H + H 2PO 4 (8.1) 4 - 2- H 2PO 4 = H + + HPO 4 (8.2) HPO 2- 3- 4 = H + + PO4 (8.3) 47
  25. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hằng số cân bằng của quá trình phân ly như sau: [H ][H PO ] 2 4 K 10 2,13 (8.4) [H PO 1 ] 3 2 [H 4 ][HPO 7,21 ] K 2 10 (8.5) 2 4 4 [ H PO3 ] [H ][PO 12,36 ] K 3 10 (8.6) 4 2 [HPO ] 4 Hình 3-10. Ảnh hưởng của pH lên tỉ lệ các ion của orthophosphate Từ phương trình (8.4) ⇒ [H PO ] = [H PO ] khi -[H ] = 10+ -2,13 3 4 2 4 , pH = 2,13 Từ phương trình (8.5) ⇒ [H PO ] = -[HPO ] khi2- [H ] = 10+ -7,21 2 4 4 , pH = 7,21 2- 3- + -12,36 Từ phương trình (8.6) ⇒ [HPO ]4 = [PO ]4 khi [H ] = 10 , pH = 12,36 - 2- Hàm lượng [H PO2 ] đạt 4 đến mức tối đa khi [H PO ] =3 [HPO4 ] ở mức4 tối thiểu, khi đó pH được tính như sau: [H ][H PO ] [H ][HPO2 2 4 x 4 K x K 10 2,13 x10 7, 21 ] [H PO 1 2 [H 2 PO 4 ] ] 3 + 2 -2,13 -7,21 -934 + -4,67 4 ⇒ [H ] = Đơn giản biểu thức trên ta được [H ] = x 10 = 10 , 10 10 pH=4,67. 48
  26. Đặc tính hóa học của môi trường nước 2- - 3- Hàm lượng [HPO 4 ] đạt đến mức tối đa khi [H PO 2 ] = 4[PO ] ở4 mức tối thiểu, khi đó giá trị pH là: [H ][HPO 2 ] [H ][PO3 4 x 4 K x K 10 7, 21 x10 12,36 ] 2 2 3 [H PO [HPO 4 ] ] 2 + 2 -7,21 -12,36 -19,57 ⇒ [H ]+ = 10 -9,78 Đơn giản biểu4 thức trên ta được [H ] = 10 x 10 = 10 , pH=9,78. Trong nuôi trồng thủy sản, các nhà nghiên cứu hoặc người nuôi cá thường không quan tâm nhiều đến các dạng ion của orthophosphate mà chỉ quan tâm đến tổng hàm lượng orthophosphate (bao gồm các ion phân ly từ acid phosphoric) Theo Mackereth (1952) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) một số thực vật có thể hấp thụ một lượng muối orthophosphate hòa tan vượt nhu cầu cần thiết cho hoạt động sống hàng ngày của chúng, lượng thừa được chúng dự trữ trong cơ thể. Thực vật lớn (macrophyte) hấp thu lân chậm hơn thực vật phù du (phytoplankton). Lân được thực vật hấp thu cùng với đạm, tham gia vào thành phần đạm thực vật, đạm này được động vật sử dụng. Ngoài ra, muối hòa tan của phosphorus trong nước cũng bị lớp bùn đáy của thủy vực hấp thụ (Hepher, 1958; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Những lớp bùn đáy chứa nhiều acid hữu cơ hay CaCO 3 dễ hấp thu mạnh các muối orthophosphate hòa tan 2+ trong nước (Boyd, 1990). Ở môi trường có pH cao có nhiều ion Ca , các muối 3- orthophosphate hòa tan có thể bị kết tủa dưới dạng Ca 3(PO 4 2) . 4 Trong các thủy vực, hàm lượng các muối hòa tan của phosphate (P-PO ) trong nước thường rất thấp khoảng 5-20 g/L và ít khi vượt quá 200 g/L ngay cả đối với thủy vực giàu dinh dưỡng. Hàm lượng lân tổng số3- (Total Phosphorus - TP) cũng ít khi vượt quá 1.000 g/L. Hàm lượng P-PO 4 thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 5-200 3- g/L, nếu hàm lượng P-PO 4 nhỏ hơn 5 g/L thì thực vật không phát triển nhưng nếu 3- hàm lượng P-PO 4 vượt quá 200 g/L thì thực vật phù du sẽ nở hoa. Giống như đạm, lân là nhân tố giới hạn đối với đời sống thực vật thủy sinh. Năng suất sinh học của thủy vực và năng suất cá nuôi phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng lân trong nước. Lân là một nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết, không có lân thì không những thực vật mà cả nguyên sinh động vật cũng không thể sống được. Ngoài ra, nhiều quá trình trao đổi chất , đặc biệt là quá trình tổng hợp protein chỉ tiến hành được khi có sự tham gia của H 3PO 4 và sự thiếu hụt nó trong thủy vực còn hạn chế quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật. 9 SILIC Silic tìm thấy trong nước thiên nhiên là do nước tiếp xúc với nham thạch có chứa muối silicate hòa tan hay quá trình phân hủy xác tảo silic (Diatoms), một số nhóm 49
  27. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản rong biển. Người ta tìm thấy vỏ các thực vật đơn bào này được cấu tạo bởi dioxide silicium (SiO 2). Độ hòa tan của silic trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Khi nhiệt độ gia tăng, độ hòa tan của SiO 2 cũng gia tăng. Theo Schoeller (1962) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì độ hòa tan của SiO 2 trong nước ở những giá trị pH khác nhau được trình bày ở Bảng 3-7. Acid silic là một hợp chất tương đối phức tạp, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, H 2SiO 3 (acid metasilicic), H 4SiO 4 (acid orthosilicic). Bảng 3-7. Độ hòa tan SiO 2 ở những giá trị pH khác nhau pH Độ hòa tan SiO 2(mg/L) pH Độ hòa tan SiO 2(mg/L) 2 36 7 282 3 36 8 318 4 60 9 342 5 100 10 360 6 216 11 378 H 2SiO 3 là loại acid yếu, độ hòa tan rất nhỏ có thể bị phân ly, sự phân ly này phụ thuộc vào pH của nước + - -9,38 H 2 SiO3 (rắn) = H + 3 K1 = 10 HSiO - + 2- HSiO 3 = H + 3 K2 -10,3 = 10 SiO - 2- Bảng 3-8. Tỉ lệ phần trăm của H SiO2 , HSiO3 & 3SiO 3 trong dung dịch ở những giá trị pH khác nhau - 2- pH H SiO3 HSiO3 SiO3 2 6 100,00 - - 7 99,98 0,02 - 8 99,79 0,21 - 9 97,90 2,10 - 10 82,23 17,68 0,09 11 30,68 65,97 3,35 Như vậy, pH của nước càng thấp acid silic ở trạng thái ion càng ít, ở trạng thái keo 2+ càng nhiều. Các ion Ca thường thấy trong nước khi kết hợp với acid silic hình thành muối silicat hòa tan. Do đó, ở nền đáy thủy vực hàm lượng SiO 2 cao hơn ở tầng mặt. Trong tầng nước mặt của biển đại dương hàm lượng SiO 2 dao động trong khoảng 1mg/L ở tầng đáy có thể lên đến vài mg/L, trong nước ngọt hàm lượng SiO 2 cao hơn trong nước biển. Các thủy vực giàu dinh dưỡng hàm lượng SiO 2 có thể lên đến hàng chục mg/L. Sự có mặt một lượng lớn SiO 2 làm cho nước có dạng nhầy. 50
  28. Đặc tính hóa học của môi trường nước Silic rất cần cho sự hình thành vỏ tảo silic. Lớp vỏ này không những có chức năng bảo vệ mà còn cung cấp các dưỡng chất cần thiết cho các tế bào nhờ vào khả năng hấp thu của nó. Hàm lượng SiO 2 trong nước cần thiết cho sự phát triển của tảo silic là 0,13 mg/L, SiO 2 trong nước thiên nhiên thường vượt xa nồng độ này. Do đó không cần bón phân silic cho ao nuôi cá, ngay cả tảo khuê trong ao phát triển mạnh. Hàm lượng SiO2 trong nước giảm đáng kể khi tảo silic phát triển nhưng SiO 2 sẽ được bổ sung nhờ chu chuyển nước từ tầng đáy. Đối với các cơ thể động vật, silic cần thiết cho sự vận động bình thường của các mô bì, mô liên kết, giúp chp chúng có sự chịu đựng tính đàn hồi, tính thẩm thấu thích hợp. Silic còn giúp cho sự tạo thành các mô xương, tham dự trong hiện tượng hóa cốt của các xương non. Sự tham gia quan trọng nhất của silic vào tiến trình sống cũng được xác nhận bởi sự hiện diện của nó trong bộ máy di truyền, nghĩa là trong các acid nucleic. 10 SẮT VÀ MANGAN 2+ 3+ Trong nước thiên nhiên sắt có thể tồn tại dưới dạng Fe (Ferrous), Fe (Ferric), các hợp chất hữu cơ hòa tan hay không hòa tan. Dạng Fe 2+ thường gây độc đối với thủy sinh vật, vì quá trình oxy hóa nó thành Fe làm3+ tiêu hao nhiều oxy của môi trường và 3+ tạo thành các rỉ sắt bám trên mang cá làm cá không hô hấp được. Dạng Fe không có những độc tính như trên nhưng nếu hàm lượng quá cao cũng không có lợi cho đời sống của thủy sinh vật. Thí dụ, ở hàm lượng 1,5-2 mg/L nó sẽ ức chế sự phát triển của một số loài thực vật phù du. Sắt là một trong những nguyên tố rất cần thiết cho đời sống của thủy sinh vật mặc dù nhu cầu về nó không lớn lắm. Sắt có trong thành hemoglonine của máu sinh vật bậc cao và tham gia vào sự vận chuyển oxy vì có khả năng chuyển từ dạng có hóa trị 3 sang dạng có hoá trị 2 và ngược lại. Sự hô hấp của động thực vật được thực hiện nhờ có xúc tác, trong đó sắt đóng vai trò quan trọng. Chất diệp lục của cây xanh không thể tạo thành được nếu không có sắt mặc dù trong thành phần diệp lục không có sắt. Sắt có mặt thường xuyên trong cơ thể sinh vật và hàm lượng của nó có thể thay đổi từ vài phần vạn đến vài phần nghìn trọng lượng của cơ thể sinh vật. Khi thiếu sắt làm cản trở sự tạo thành hemoglobine của máu động vật, thể diệp lục của thực vật, hạn chế sự 2+ 3+ phát triển của tảo. Hàm lượng sắt tổng số (Fe và Fe ) thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 0,1-0,2 mg/L, giới hạn cho phép là nhỏ hơn hay bằng 0,5 mg/L. Hàm lượng sắt trong nước biển rất thấp, trong nước ngọt hàm lượng của nó cao hơn có khi lên đến hàng chục mg/L. Hàm lượng các muối sắt hòa tan trong nước tỉ lệ nghịch với pH. pH càng cao các muối hòa tan của sắt càng thấp, do đó khi quá trình 51
  29. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản quang hợp của thực vật phù du trong ao xảy ra mạnh làm pH của nước tăng các muối hòa tan của sắt trong nước hầu như hết hẳn. Trong nước biển, Mn có hàm lượng rất thấp chỉ dao động trong khoảng 0,01 mg/L. Ở nước ngọt hàm lượng của nó cao hơn trong nước biển khoảng 10 lần. Mn trong nước có thể tồn tại ở 2 dạng: ion ở tầng đáy, dạng keo hydroxyde ở tầng mặt. Dạng ion có hoạt tính cao hơn dạng keo. Mn ở hàm lượng thấp (0,001-0,002ppm) có tác dụng kích thích sự tăng trưởng của thực vật. Hàm lượng Mn thích hợp cho ao nuôi cá là 0,05-0,2 mg/L (Boyd, 1990). 11 CÁC ION THAM GIA QUÁ TRÌNH ĐIỀU HÒA ÁP SUẤT THẨM THẤU + 11.1 Ion sodium (Na ) + Ion Na chiếm tỉ lệ cao trong nước thiên nhiên và mức độ phổ biến trong các cation + nó chiếm vị trí hàng đầu. Trong nước biển ion Na chiếm khoảng 30,59% trọng lượng các muối hòa tan, trong nước ngọt ion Na+ chỉ chiếm hàm lượng thấp. Trong thành + phần cơ thể của thủy sinh vật ion Na chiếm khoảng 0,5-1% trọng lượng cơ thể. + Nguồn cung cấp Na trong nước thiên nhiên ở các thủy vực chủ yếu là nước biển và đại dương, sự hòa tan của các vỉa muối hoặc các tinh thể muối phân tán trong đất đá và các phản ứng trao đổi ion - - + 3 Đối với động vật, ion Na rất cần thiết cho các hoạt động của cơ, là cation chính trong dịch ngoại tế bào, kết hợp2+ chủ+ yếu với ion Cl và HCO , giữ vai trò rất lớn trong việc điều hòa áp suất thẩm thấu, duy trì cân bằng acid-bazơ của cơ thể. Trong dịch muối nếu không có ion Ca trung hòa, ion Na sẽ làm tan rã các tế bào phôi, làm ấu trùng cá phát triển không bình thường. + 11.2 Ion Potassium (K ) Ion K+ thường có nồng độ không cao trong nước thiên nhiên mặc dù các muối của nó + đều có độ hòa tan lớn. Nguồn cung cấp K trong nước thiên nhiên là do quá trình phong hóa đất đá và các khoáng vật có chứa K, hoặc do sự hòa tan của các muối K. + Hàm lượng của K trong nước thiên nhiên phụ thuộc rất lớn vào tính chất của đất + + + quanh thủy vực, các thủy vực có nền đáy đất sét thì ion K trong nước sẽ cao, ngược + lại nền đáy cát thì ion K trong nước sẽ thấp. Trong thành phần cơ thể thực vật ion K không chiếm ưu thế hơn ion Na , nhưng cơ + thể động vật thì ngược lại. Ý nghĩa của K trong đời sống của thực vật rất lớn, kali xúc tiến quá trình quang hợp bằng cách thúc đẩy quá trình vận chuyển glucid từ phiến lá vào các cơ quan khác. Mặc dù kali không tham gia vào thành phần của các enzime nhưng nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và chuyển hóa các phân tử protein và tổng hợp các acid amine. 52
  30. Đặc tính hóa học của môi trường nước Khi thiếu K giai đoạn kết thúc quá trình sống tổng hợp protein chậm lại và sự phân giải các protein lại xúc tiến mạnh mẽ hơn. Do đó, khi tăng dinh dưỡng K sẽ thúc sự thâm nhập mạnh mẽ N và tích lũy trong cơ thể thực vật các hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Khi thiếu K sự hình thành các liên kết cao năng bị chậm lại và hàm lượng P trong các acid nucleotic bị giảm. Thực vật sử dụng K nhiều hơn P. Nhưng không cần bón phân này vào ao nuôi cá vì chúng luôn luôn được cung cấp từ đất đá hay quá trình phân hủy các xác bã sinh vật đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển của thủy sinh vật. + Đối với động vật, K là cation chính của dịch nội tế bào, nhưng cũng là thành phần quan trọng của dịch ngoại tế bào và nó có ảnh hưởng rất lớn đến các hoạt động của cơ, đặc biệt là cơ tim. Cũng như Na, K cũng tham gia duy trì cân bằng acid-bazơ và điều hoà áp suất thậm thấu của cơ thể. Thí dụ, Ca làm giảm độ thấm màng tế bào còn K làm tăng độ thấm màng tế bào (là hai ion có tác dụng khác nhau. Nhưng Ca và K là hai ion có tác dụng giống nhau nhưng khử nhau khi hòa lẫn. + Theo Boyd (1998) hàm lượng K thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 1-10 mg/L (nước ngọt) và nhỏ hơn 400 mg/L (nước mặn, lợ). 2+ Ion11.3 Mg Ionthường Magnesium gặp trong (Mg nước ) thiên nhiên với hàm lượng không lớn lắm, trong 2+ nước ngọt và trong nước biển nó chỉ chiếm khoảng2+ 3% trọng lượng các muối hòa tan. Trong thành phần cơ thể thực vật ion chiếm tới 7-10% trọng lượng cơ Mg thể chúng. Ở2+ động vật nó chiếm ít hơn. Ion Mg rất quan trọng đối với thực vật vì nó là cấu tử trung tâm của diệp lục tố (giống như sắt trong sắt tố của máu ở động vật). Thiếu Mg thực2+ vật không tạo được diệp lục tố nên không quang hợp được vật chất hữu cơ. Mg rất cần thiết cho sự hấp thu và di chuyển chất lân. Đối với động nó cũng có vai trò quan trọng trong tiến trình 2+ + + sống. Ion Mg 2+ và Ca là những ion đối kháng của ion Na và K . 2+ Hàm lượng Mg thích hợp cho ao nuôi thủy sản nước ngọt là 5-100 mg/L và cho nuôi thủy sản nước lợ là nhỏ hơn 1.500 mg/L. 2+ 11.4 Ion Calcium (Ca ) 2+ có trong nước thiên nhiên là sản phẩm của quá trình phong hóa đất đá, đặc Ion Ca biệt2+ là quá trình rửa lửa đá vôi, dolomit và thạch cao. Trong nước ngọt hàm lượng ion Ca chiếm từ 18,15% trọng lượng các muối hòa tan, trong nước biển nó chỉ chiếm khoảng 1,2% trọng lượng các muối hòa tan. Trong nước nhạt và nước có độ khoáng 2+ thường kết hợp với ion CO , HCO2- hoặc- SO . 2-Dạng HCO dễ- hóa cao ion Ca 3 3 4 3 chuyển hóa thành dạng CaCO 3 và phóng thích CO 2, cung cấp CO 2 cho quá trình quang hợp của thực vật phù du trong nước. Trong nước có nồng độ muối cao, ion 53
  31. Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Ca 2+ kết hợp chủ yếu với ion Cl . Ngoài- các thành phần chủ yếu kể trên ion Ca còn 2+ có trong các hợp chất của nitơ, silic, nhôm Trong môi trường nước Ca có tác dụng cải tạo tính chất của đất ở nền đáy, làm cho nước bớt chua, làm tăng độ hòa tan, đồng hóa các chất dinh dưỡng khác như N, P, K tạo sự quân bình giữa các muối dinh dưỡng trong nước, giúp cho vi sinh vật hoạt động hữu hiệu hơn, cung cấp Ca cho thực vật. 2+ Trong cơ thể động vật, so với những cation khác Ca chiếm lượng nhiều nhất. Nó tập 2+ trung chủ yếu ở xương, răng, một phần nhỏ trong máu. Ion Ca có vai trò quan trọng trong cơ chế đông máu, trong hoạt động2+ của tim,2+ cơ thần kinh và sự thẩm thấu của + + màng tế bào. Cùng với ion Mg ion Ca là những ion đối kháng với ion Na và K . Ca 2+ có trong môi trường nước đủ cung cấp cho nhu cầu của thủy sinh vật là một trong những nguyên tố cần thiết để năng suất cá nuôi cao. 2+ Hàm lượng Ca thích hợp cho ao nuôi thủy sản nước ngọt là 5-100 mg/L và nhỏ hơn 500 mg/L đối với ao nuôi thủy sản nước lợ (Boyd, 1990). - 11.5 - Chloride ( Cl ) - Ion Cl chiếm hàm lượng cao trong nước thiên nhiên, trong nước ngọt hàm lượng Cl có thể lên tới 10 mg/L, trong nước biển nó chiếm khoảng 19g/L nước biển. Nguồn - cung cấp ion Cl cho nước thiên nhiên có thể bao gồm: sự hòa tan của các muối mỏ, nguồn cung cấp từ khí quyển đặc biệt là trong các vùng gần bờ biển và hoạt động của - sinh vật. Do đó, hàm lượng Cl trong nước thiên nhiên sẽ tăng lên nếu như thủy vực + - nằm trong vùng đất mặn, hoặc chảy qua vùng đất mặn hay bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt. Trong cơ thể động vật, cũng như ion Na , ion Cl giúp điều hòa cân bằng acid-bazơ, cân bằng áp suất thẩm thấu giữa máu, các mô và dịch tế bào. Hàm lượng - Cl thích hợp cho nuôi thủy sản nước ngọt là 1-100 mg/L, đối với ao nuôi thủy sản - nước lợ, mặn hàm lượng Cl phải nhỏ hơn 20.000 mg/L (20 g/L) (Boyd,1990). 54