Entendiendo el uso de probióticos biorremediadores del género Bacillus en acuicultura

Por: Mario Aguirre*

Un sistema acuático completo depende en gran medida de los microbios que residen en el mismo y la microbiota intestinal. La administración de probióticos a peces y camarones, como Mainstanq y su acción “biorremediadora” en el fondo del estanque de cultivo, contribuye al mantenimiento de la calidad del agua y, en consecuencia, a la salud y el bienestar de las especies acuáticas.

La interacción patógeno, hospedero y ambiente, muestra el manejo integral que debe aplicarse a cualquier sistema de cultivo de organismos acuáticos, tomando especial relevancia el ambiente, sobre todo en sistemas abiertos de cultivo donde el manejo del estanque se enfoca en el control de la calidad de agua y suelo, así como en el control biológico del ambiente (Tabla 1).

La calidad del agua está estrechamente relacionada con la salud de los organismos acuáticos. Las bacterias heterótrofas en el agua desempeñan un papel importante en la desintegración de la materia orgánica y el ciclo de los nutrientes. Además, su población modula en gran medida la microbiota intestinal de la vida acuática.

Un sistema acuático completo depende de manera sustancial de los microbios que residen en el mismo y la microbiota intestinal, manteniendo la salud y el bienestar de las especies acuáticas mediante la regulación de la defensa antibiótica, la mitigación de patógenos y la absorción de nutrientes (Goh et al., 2022). Factores como la demanda de productos acuáticos, rentabilidad y eficiencia han impulsado el desarrollo de líneas genéticas de camarones de alto crecimiento, así como la implementación de nuevas tecnologías de alimentación, monitoreo remoto de los parámetros calidad de agua e incremento de las densidades de cultivo.

El cultivo de tilapia también ha sufrido el impacto de enfermedades de origen bacteriano y viral, impulsando al acuicultor a una mejor eficacia de los sistemas de cultivo. En ambos segmentos acuícolas existen desafíos de las capacidades de cargas, aumentando la presión sobre los procesos de cultivo y favoreciendo el riesgo de brotes de mortalidades, causados principalmente por virus y bacterias, aunado a altas cargas de desechos metabólicos. De igual manera, el riesgo de resistencia generada por los antibióticos ha mermado su uso y limitado alternativas de contención y exclusión de patógenos.

Está documentado que la adición de bacterias probióticas a los sistemas de cultivo y dieta de peces o camarones, puede mejorar la calidad del agua, por lo que las bacterias probióticas desintoxican la misma, haciéndola adecuada para los organismos de cultivo (Kuebutornye et al., 2019). En cuanto a la definición de probióticos, surgen términos que tienden a confundir sobre la naturaleza de estos y su función, por lo que es importante aclararlos.

¿Quién es quién…?

Probióticos: microrganismos que confieren beneficios a huésped y ambiente. Brindan mejores resultados como consorcios bacterianos benéficos, se usan comúnmente como suplementos terapéuticos, profilácticos y de crecimiento en la acuicultura. Los probióticos incluyen bacterias Gram positivas, bacterias Gram negativas y otros organismos como levaduras, bacteriófagos y algas unicelulares. Las bacterias se han empleado ampliamente como cepas probióticas que, por lo general, están presentes en el intestino de peces sanos como Lactobacillus y bifidobacterias.

Algunas bacterias Gram positivas, tales como Bacillus spp, Enterococcus spp y Streptococcus spp, actúan como cepas probióticas comunes y parte principal de la microbiota gastrointestinal. Las bacterias anaerobias facultativos Gram negativos son dominantes en el tracto gastrointestinal de peces e invertebrados marinos, así como los anaerobios simbióticos predominan en la parte posterior del tracto digestivo de los peces herbívoros tropicales (Das et al., 2017).

Prebióticos: componentes alimentarios no digeribles que benefician la colonización de ciertas bacterias, como los probióticos (salud intestinal). Gibson et al. (citado por Das et al., 2017), informaron que un ingrediente alimenticio que actúa como prebiótico debe poseer los siguientes criterios: mostrar resistencia a la acidez gástrica, hidrólisis por enzima digestiva, fermentación por microflora gastrointestinal y aumentar la abundancia de bacterias intestinales relacionadas con la salud. Ejemplo: polisacáridos, manano oligosacáridos (MOS) e inulina, entre otros.

Simbióticos: combinación de probióticos y prebióticos en un mismo producto, con efectos sinérgicos y complementarios sobre el huésped. Estos aditivos tienen efectos estimulantes del crecimiento e inmunoestimulantes (Khanjani et al., 2024).

Postbióticos: factores solubles producidos por bacterias vivas o liberados durante la lisis celular. Estos factores comprenden la producción bacteriana y subproductos metabólicos secretados durante el crecimiento o el proceso de fermentación. Subproductos del metabolismo de probióticos.

Aplicación de los probióticos en acuicultura

Probióticos alimenticios, vía oral con el alimento, mejoran el equilibrio de la microflora intestinal. Los microbios intestinales mejoran la resistencia a las enfermedades y al estrés, así como la digestión. Son promotores del crecimiento, reproducción, función inmune y fuente de nutrientes. Los componentes activos de los probióticos abarcan compuestos antagónicos que proporcionan antivirales, antibiopelículas, antivirulencia, antidetección de quórum sensing, antibacterianos, antifúngicos, antiinflamatorios y efectos sideróforos (Figura 1).

Probióticos biorremediadores, se aplican en columna de agua y/o fondo del estanque. Favorecen o cambian la comunidad microbiana en el entorno de los organismos en cultivo, contribuyen a la degradación de los productos de desechos orgánicos y a la eliminación de sustancias tóxicas y olores orgánicos del estanque. Las bacterias probióticas, como Bacillus spp, pueden convertir la materia orgánica en CO² para que los efluentes orgánicos se puedan minimizar en el sistema acuático. Mediante el uso de bacterias nitrificantes, la cantidad de nitrato, nitrito y amoníaco se reduce en gran medida (Das et al., 2017).

Cepas de bacterias probióticas estudiadas por su efecto promotor de crecimiento en camarón

Goh et al. (2022), en revisión efectuada sobre el uso de probióticos en acuicultura, reportan que se han estudiado más de 20 géneros de microorganismos por su efecto de promoción del crecimiento en camarones. Entre los probióticos, Bacillus fue el género más estudiado y ampliamente aplicado en la cría de estos organismos.

La Tabla 2, presenta una lista de microorganismos que muestran efectos de promoción del crecimiento en camarones, el cual se evaluó mediante parámetros como tasa de crecimiento específico (SGR, por sus siglas en inglés), crecimiento diario promedio (GMD), tasa de ganancia de peso (WGR), factor de conversión alimenticia (FCR) y eficiencia alimenticia (FE). La mayoría de las cepas mostraron funciones multifacéticas. Las especies de bacterias probióticas evaluadas representan a los candidatos para reemplazar a los promotores de crecimiento (AGP, por sus siglas en inglés). En este sentido, se justifica más investigación, en particular para descifrar el mecanismo subyacente al efecto de promoción del crecimiento de los probióticos, antes de su implementación comercial a gran escala.

Importancia de las bacterias del género Bacillus como biorremediadores (Hlordzi et al., 2020)

Las especies de bacterias del género Bacillus han demostrado una gran capacidad en el mantenimiento de la calidad del agua en la acuicultura, que es simple y rentable. La eficiencia de estas bacterias en la modulación de la calidad del agua depende de factores como el modo de aplicación, oxígeno disuelto, pH, temperatura, fuente de nutrientes, tipo de cepa y los iones metálicos. Entre los beneficios de las especies de bacterias del género Bacillus se encuentran:

🗸 Reducción de amonio y nitritos. El nitrógeno amoniacal total (TAN, por sus siglas en inglés), N-NO³, N-NO² y nitrógeno Kjeldahl total (TKN), son usados por los Bacillus para su metabolismo, contribuyendo a la eliminación de nitrógeno de la columna de agua. La nitrificación del NH + descarga iones de hidrógeno que contribuyen al proceso de acidificación del agua acuícola.

🗸 Reducción de materia orgánica. Usan fuentes orgánicas e inorgánicas de carbono para crecer reduciendo la acumulación de partículas, además de disolver el carbono orgánico. Mineralizan y consumen oxígeno disuelto.

🗸 Modulación de oxígeno disuelto (OD) y pH. El CO² y los nutrientes procedentes de la mineralización, favorecen la fotosíntesis del fitoplancton que, a su vez, consumen CO² libre y bicarbonatos. La fotosíntesis aumenta el OD y carbonatos, los cuales liberan OD en la hidrólisis. Los carbonatos aumentan el pH del agua en la hidrólisis.

🗸 Reducción de fosfato y sulfuro de hidrógeno. Usan fosfato para su metabolismo reduciendo su nivel y equilibran afloramientos de algas, disminuyendo la presencia de cianobacterias. Las cepas del género Bacillus disminuyen el sulfuro de hidrógeno.

Productos del metabolismo de las bacterias del género Bacillus

Muchas especies del género Bacillus son importantes debido a su capacidad para producir antibióticos/ metabolitos que tienen efectos antagónicos contra microorganismos patógenos. Se han empleado en la medicina y la industria farmacéutica para controlar diversas enfermedades en humanos, animales y plantas, como agente de control biológico, debido a su capacidad para sintetizar una amplia variedad de metabolitos con actividad antimicrobiana.

Son fuentes de antibióticos baratas, no patógenas y no tóxicas (aunque no todas) y más eficaces, por lo cual, deseables para la producción comercial y se han utilizado experimentalmente para controlar bacterias patógenas en peces a lo largo de los años. La mayoría de las especies de Bacillus usadas como probióticos en peces y camarones incluyen B. subtilis, B. licheniformes, B. pumilus y B. amyloliquefaciens (Kuebutornye et al., 2019). A continuación, se presentan algunas especies de Bacillus y productos derivados de su metabolismo:

🗸 B. licheniformis: bacitracina (Hussein & Al-Janabi, 2006).

🗸 B. subtilis: subsporina, bacillosina y subtilina.

🗸 B. pumilus: pumilin, ayuda a inhibir bacterias en el tracto digestivo.

🗸 B. amyloliquefaciens: produce una proteína antibiótica natural barnasa.

🗸 B. megaterium: penicilina amidasa. Antimicótico y antiviral.

Estos compuestos mejoran la supervivencia de estas bacterias en un medio ambiente competitivo con otros microorganismos donde las fuentes de energía son limitadas. La mayoría de las especies de Bacillus puede degradar de forma efectiva una serie de biopolímeros (proteínas, almidón, pectina, etc.). Se les concede un rol significativo en los ciclos biológicos del carbono y nitrógeno.

Los Bacillus pueden tolerar severas condiciones ambientales, como alta y baja temperatura, altos y bajos pH e, incluso, salinidades altas, dada su característica de esporulación. Por lo general, la proteasa, la amilasa, la tripsina y la lipasa son las principales enzimas digestivas moduladas por las especies de Bacillus (Figura 3).

Presentación de los probióticos

Los probióticos para acuicultura se comercializan en diversas formas, adaptándose a las diferentes necesidades de aplicación en granjas, laboratorios y plantas de alimento. Las presentaciones más comunes son:

🗸 Polvo o liofilizado: los microorganismos probióticos se cultivan y, luego, se someten a un proceso de liofilización (secado por congelación) o secado por aspersión. Son fáciles de almacenar, transportar y dosificar. Se pueden mezclar con el alimento mediante un adherente. Igualmente, se pueden disolver en agua y aplicar al agua de cultivo.

🗸 Líquido: los microrganismos se mantienen en una suspensión líquida, pueden ser cultivos vivos y activos, o concentrados que necesitan ser diluidos. Permiten una acción más rápida de los microorganismos al ser aplicados de forma directa al agua de cultivo. La vida útil puede ser más limitada y algunos requieren refrigeración.

🗸 Tabletas: facilitan la acción directa de las bacterias sobre el fondo del estanque, donde las mismas se disgregan liberando los microrganismos probióticos, los cuales se activan al contacto con el agua.

Las especies del género Bacillus forman esporas bajo condiciones adversas. Esta característica facilita su comercialización y uso como probióticos por su rápida activación en condiciones favorables, como al entrar en contacto con el agua (Figura 4). Esta característica y las indicadas en la Figura 3, les convierte en excelentes candidatos para biorremediación y uso en salud intestinal.

Dosificación de los biorremediadores

🗸 La repuesta del biorremediador es dosis dependiente, a mayor número de UFC/ml, el producto muestra una significativa reducción de Vibrio spp (UFC/ml); así como de materia orgánica.

🗸 El producto en ambos estudios muestra que es eficaz en dosis de concentración 10f, 10² y 10³ UFC/ ml, permitiendo ajustar la misma a las diferentes situaciones de biomasa y calidad de agua en el estanque.

Dosis altas, como 10³ UFC/ml, se recomiendan para sistemas de cultivo semicerrados y/o cerrados, donde la retención del agua es por periodos prolongados, tales como:

🗸 Camarones: tanques de larvicultura, criaderos o maternidades, y precriaderos.

🗸 Tilapias: incubación de huevos, tanques de reversión, precriaderos y alevinaje.

Para sistemas abiertos como estanques, para ambas actividades de cultivo, se recomiendan dosis de 10f y 10² UFC/ml, dependiendo de la biomasa de cultivo y materia orgánica del estanque. La aplicación de la dosis seleccionada debe efectuarse al menos dos veces por semana durante el ciclo de cultivo, a fin de mantener un nivel alto de UFC/ml.

La administración de probióticos a peces y camarones a través del agua de cría también es una práctica común que ha recibido mucha atención. Desde el punto de vista tecnológico, los probióticos desarrollados para este tipo de aplicaciones deben estar formulados con ciertas características específicas, tales como: buena estabilidad en el agua, control de la flotación en los tanques/ estanques y alta concentración que favorezca una dosis diaria baja.

Se trata de productos específicamente formulados. Las estrategias de “biorremediación” están implicadas principalmente en microorganismos vivos para estanques de camarones y peces (Castex et al., 2014).

El género Bacillus ha presentado un gran potencial de uso para la biorremediación en acuicultura. Modula una amplia gama de parámetros  de  calidad  del  agua, tales como: transparencia y sólidos disueltos totales, alcalinidad, pH, conductividad, demanda química de oxígeno, oxígeno disuelto, demanda biológica de oxígeno, alcalinidad, fosfatos, especies nitrogenadas, dureza y metales pesados; así como, el mantenimiento del equilibrio microbiano y, por lo tanto, la reducción de microbios patógenos (Hlordz et al., 2020).

Este artículo es patrocinado por: VIRBAC

Las referencias y fuentes consultadas por el autor en la elaboración de este artículo están disponibles bajo petición previa a nuestra redacción. * Mario Aguirre. Soporte técnico acuicultura. Especies de aguas cálidas. Latinoamérica. Virbac.