Nanotecnología

Nanotecnología: Una herramienta de nueva generación para la acuicultura sostenible

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La nanotecnología ha surgido como una solución prometedora que abre la puerta a nuevas posibilidades. Vale la pena perseguir sus beneficios de la nanotecnología y la información primaria de los peligros no debería ser un obstáculo en su uso responsable para una acuicultura sostenible de próxima generación.

La práctica de la acuicultura intensiva conduce a la eutrofización del estanque acumulando un exceso de carga de nutrientes. Así mismo, la gestión de la salud de los peces aparece como otro problema desafiante. 

El deterioro de la calidad del medio ambiente y el impacto del cambio climático han provocado un aumento significativo de patógenos y enfermedades en la que representan una amenaza para la industria.

“La nanotecnología ha surgido como una solución prometedora que abre la puerta a nuevas posibilidades. Con la intervención de la nanotecnología, aumentan los informes sobre sus impactos tóxicos en los organismos acuáticos, incluidos los peces.”

Además de los ensayos toxicológicos convencionales, los científicos también están empleando la citotoxicidad celular, la apoptosis y herramientas interactivas basadas en la bioinformática para narrar la nanotoxicidad y su remediación aplicando nanopartículas verdes en bacterias y modelos de peces.

Aplicación de la nanotecnología en diferentes fronteras de la acuicultura

Nanotecnología para estructura acuícola y sistema de pesca

Se ha descubierto que las nanopartículas como la plata, el óxido de zinc, el óxido de cobre y el óxido de titanio, tienen funciones antimicrobianas y antibiofilm. Los acuarios de peces y las cisternas cementadas pueden esterilizarse si sus paredes se tratan con nanopartículas.

“El compuesto de nanoplata se puede aplicar para diseñar membranas multifuncionales que sirvan como sistemas de filtración en aguas contaminadas diversificadas.”

En este sentido, se ha diseñado un diagrama esquemático donde se describen los múltiples impactos de las nanopartículas en la estructura de los estanques y la pesca (Figura 1).

Nanotecnología

Nanotecnología en acuicultura nutricional

Diferentes nanopartículas pueden funcionar como promotores del crecimiento e inmunomoduladores cuando se complementan con la dieta de los peces a microescala.

La nanoencapsulación protege los sensibles y valiosos elementos bioactivos de los alimentos en diversas circunstancias ambientales adversas. Intervienen en la erradicación de incompatibilidades y en el enmascaramiento de olores y sabores desagradables de la solubilización y también ayudan a desenmascarar el sabor.

“Aplicando diferentes métodos basados en la nanotecnología, es decir, emulsiones dobles de aceite en agua en aceite, agua en aceite en agua o lípidos sólidos, se puede diseñar una encapsulación eficaz.”

Las nanopartículas esenciales se pueden administrar a las crías de peces, a los alevines y a los alevines a través de un miembro primario de la cadena alimentaria, como el zooplancton, o directamente por vía del baño.

Sin embargo, los aspectos de toxicidad de la aplicación de las nanopartículas se deben evaluar antes de su posible integración en la cadena alimentaria.

Nanotecnología para maduración gonadal y cría de peces

La inyección de hormonas estimulantes, como la gonadotropina coriónica humana, se administra a partir de la fase de predesove, y los peces se encuentran con estrés de manipulación, el dolor, etc.

“La administración de hormonas nanoencapsuladas ha resultado ser una alternativa más eficaz a este
enfoque.”

Se demostró que un sistema de nanodistribución mejorado y controlado permite superar el dilema fundamental de la duración precisa de la hormona liberadora de la hormona leuteinizante en la circulación sanguínea, evitando la necesidad de múltiples aplicaciones de inyecciones a los peces.

Nanotecnología en biotecnología acuícola

Las nanopartículas proporcionan un atractivo receptor y funcionan como andamios para los ácidos nucleicos. En la pesca, la tecnología nanofabricada puede emplearse en microarrays de ADN y proteínas para analizar polimorfismo genético, descubrimiento de nuevos biomarcadores y expresión genética diferencial, etc.

Los biochips y los chips microfluídicos pueden realizar un cribado de alto rendimiento y usarse para desarrollar sistemas de detección e identificación dependientes de marcadores de ADN y proteínas.

Las nanopartículas ayudan a diseñar nuevos e innovadores métodos de transferencia de genes en los peces (Figura 2).

Nanotecnología

El pequeño ARN de interferencia (siRNA) representa una gran esperanza en la terapéutica molecular. Las nanopartículas poseen propiedades únicas para desarrollar mejores sistemas de administración basados en el ARNsi.

En la Figura 3 se presenta un diagrama esquemático del suministro de ARNsi mediado por nanopartículas en sistema acuícola.

Nanotecnología

Nanotecnología en control de enfermedades de peces

La nanotecnología puede contribuir significativamente en estos ámbitos mediante métodos novedosos, así como reestructurando la tecnología convencional. En este contexto, se presenta un diagrama esquemático donde se describe la gestión de enfermedades en peces inspirada en las nanopartículas (Figura 4).

Nanotecnología

La aparición de enfermedades es una de las principales amenazas para el sistema de acuicultura intensiva.

Diferentes nanosensores se pueden utilizar de forma eficaz para detectar importantes virus acuícolas. Las propiedades antimicrobianas y profilácticas de los nanomateriales, como la nanoplata y las nanopartículas de óxido de zinc, ya se aprovechan para reducir la carga patógena.

“Este fenómeno nanomédico único es inespecífico, universal y ampliamente aplicable. El potencial antibacteriano de nanopartículas como el dióxido de titanio o el óxido de cobre está en fase de ensayo y podrían ser nanomedicinas útiles para los peces.”

El grafeno apareció como un nanomaterial comercialmente atractivo, barato y renovable. La forma
oxidada del grafeno es fácil de procesar y es dispersable en el agua. El óxido de grafeno (GO) mostró un efecto inhibidor contra importantes patógenos acuáticos.

Se están sintetizando diferentes nanopartículas utilizando extractos de plantas medicinales y hierbas en condiciones hidrodinámicas optimizadas, y un compuesto de la fitonanoformulación se administra como fármaco con impactos sinérgicos.

A la nanoproducción de fármacos se le atribuyen propiedades novedosas, como liberación sostenida, regulación y control del tamaño, forma, dispersión y carga superficial de los materiales seleccionados, localización específica, procesos de eliminación de rutas múltiples y degradabilidad regulada del nanotransportador.

Nanotecnología para comprobar calidad del pescado

La frescura de los productos pesqueros es una verdadera preocupación sanitaria y de calidad.

Para abordar esta cuestión, se ha diseñado un nanosensor basado en puntos cuánticos. El resultado electroquímico mostró una mayor sensibilidad, un tiempo de respuesta más rápido y un amplio rango lineal.

“Se diseñó un nanobiosensor de formaldehído aplicando una enzima (formaldehído deshidrogenasa) y un nanomaterial (nanotubos de carbono, quitosano) para detectar con precisión este peligro inminente para la salud humana.”

Se desarrolló un nanosensor utilizando material cristalino móvil estable-41, bromuro de cetiltrimetilamonio y nanopartículas de Fe3O4 para detectar los rangos de concentración lineal de las aminas biógenas, como la histamina y la cadaverina.

La tetrodotoxina (TTX), como potente inhibidor del canal de sodio, resultó ser 1,000 veces más tóxico que el cianuro de potasio.

Los fenómenos ópticos de la TTX se examinaron usando matrices de nanopartículas asistidas por dispersión Raman de superficie. Estas matrices se diseñaron aplicando litografía de nanoesferas y un proceso de despegue metálico para controlar la forma, el tamaño y el espaciado de las partículas.

Síntesis de nanomateriales a partir de residuos de pescado y su bioactividad

En todo el mundo, una gran parte (30-35%) de las aletas y los mariscos se desechan como residuos no consumidos, que por otra parte, también funcionan como centro de infestación patógena y propagan el mal olor.

Los residuos de pescado no consumidos se han diseñado para desarrollar nanomateriales que abran un mercado atractivo para los materiales desechados que aporten un valor del 100% a la productividad, así como a la sostenibilidad de la acuicultura.

Nanorremediación del sistema acuático

La sostenibilidad de la acuicultura depende de la calidad del medio acuático. El desarrollo de nuevas formas de nanomateriales permite alcanzar nuevos logros en la remediación del medio acuático que pueden excluir los contaminantes más diminutos del agua y diseñar “recubrimientos superficiales reactivos” o “materiales inteligentes” con especificidad hacia determinados tóxicos (Figura 5).

Nanotecnología

Aspectos de la nanotóxica

Los nanomateriales mostraron una gran diferencia en su impacto de toxicidad en el sistema acuícola. Las nanopartículas de selenio evidenciaron una mayor biodisponibilidad y toxicidad que el selenito en el pez Medaka (Oryzias latipes).

En el medio acuático, la adición de nanomateriales provoca una exposición directa de las branquias. El pH específico de los diferentes fluidos corporales puede influir en la aglomeración de los nanomateriales, lo que sugiere su adherencia a las células sanguíneas.

“La toxicidad inducida por las nanopartículas en los peces puede medirse mediante protocolos rutinarios o aplicando la técnica de cribado de alto rendimiento (HTS).”

Se han desarrollado plataformas de HTS altamente automatizadas que emplean embriones de pez cebra, así como fórmulas de eclosión para evaluar de forma rápida el cociente de peligrosidad de las nanopartículas de óxido metálico.

La investigación de la nanotoxicidad molecular de las nanopartículas verdes de óxido de magnesio y de calcio en el pez cebra demostró que se produjo una desregulación significativa del estrés oxidativo con tendencia a la apoptosis debido a la internalización de las nanopartículas y a su interacción con importantes proteínas celulares reguladoras.

Conclusión

La investigación y el desarrollo de la nanotecnología encierran múltiples promesas únicas para mejorar e innovar las prácticas acuícolas convencionales, junto con un puñado de desafíos.

La biodegradabilidad, la aglomeración y la precipitación son factores cruciales a tener en cuenta en la aplicación de las nanopartículas en la acuicultura. El nanotransportador biodegradable es vital para suministrar compuestos bioactivos, y demás ingredientes importantes, para lograr una mayor eficacia y biodisponibilidad.

“Impulsará los procesos generales de gestión de la acuicultura a través del enriquecimiento, con lo que el vertido de ingredientes será mínimo. La aplicación de nanopartículas también reduce los contaminantes gaseosos, la propagación no deseada de algas y diatomeas en el ecosistema acuático.”

Sin embargo, el riesgo de usar nanopartículas en la acuicultura es difícil de decidir debido a la complejidad natural del sistema acuícola y a la falta de disponibilidad de bases de datos de investigación.

Por otra parte, vale la pena perseguir los beneficios de la nanotecnología y la información primaria de los peligros no debería ser un obstáculo en su uso responsable para una acuicultura sostenible de próxima generación.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo “NANOTECHNOLOGY: A NEXT-GENERATION TOOL FOR SUSTAINABLE AQUACULTURE” escrito por BIPLAB SARKAR-Indian Institute of Agricultural Biotechnology, ARABINDA MAHANTY-National Rice Research Institute, SANJAY KUMAR GUPTA- Indian Institute of Agricultural Biotechnology, ARNAB ROY CHOUDHURY-Indian Institute of Natural Resins and Gums, AKSHAY DAWARE-Tripura University, y SURAJIT BHATTACHARJEE- Tripura University.
La versión original fue publicada en AGOSTO de 2021 en AQUACULTURE.
Se puede acceder a la versión completa a través de https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.737330

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