Hệ thống cảnh báo sớm và phát hiện mầm bệnh bằng công nghệ Nano

Gần một nửa sản lượng nuôi trồng thủy sản bị mất do vi khuẩn, vi rút, sinh vật nguyên sinh và nấm. Các chiến lược quản lý và phòng ngừa dịch bệnh thường liên quan đến khử trùng nước, sự chuyển đổi thức ăn và khả năng miễn dịch của cá, cũng như giám sát an toàn sinh học. Sự ra đời của công nghệ nano đã thay đổi cách tiếp cận trong việc quản lý dịch bệnh thủy sản với những tiến bộ trong khử trùng nước, chuyển đổi thức ăn, sức khỏe cá và hệ thống quản lý. 

 Công nghệ nano đã thay đổi cách tiếp cận trong việc quản lý dịch bệnh thủy sản với những tiến bộ trong khử trùng nước, chuyển đổi thức ăn, sức khỏe cá và hệ thống quản lý. 

1. Khử trùng nước bằng công nghệ nano nhờ chiếu xạ vi sóng

Khử trùng nước trong nuôi trồng thủy sản thường sử dụng phương phát vật lý (lọc, chiếu tia UV) và hóa học (oxit canxi, đồng, formalin, ozon). Việc khử trùng nước định kỳ giúp gánh nặng vi khuẩn, vi rút và ký sinh trùng. Có nhiều cách tiếp cận để cải thiện môi trường nước bằng công nghệ nano đã xuất hiện. Một số nghiên cứu đã nghiên cứu khả năng của vật liệu nano trong việc loại bỏ các mầm bệnh cụ thể trên cá, chẳng hạn như việc sử dụng ZnO‐NP và Ag‐NP để loại bỏ Aeromonas hydrophilia ở cá chép nuôi. 

Công nghệ khử trùng có thể được phân loại thành ba nhóm chính: 

• Bổ sung chất oxy hóa trực tiếp (hydrogen peroxide, clo, kali pemanganat hoặc ozon).
• Khử hoạt tính gián tiếp thông qua các loại phản ứng oxy hóa (ROS). 
• Khử trùng dựa trên bức xạ (chiếu tia UV).

So với các phương pháp khử trùng thông thường, thì phương pháp thông qua ROS có thể khử trùng hiệu quả hơn và loại bỏ được nhiều mầm bệnh mà không cần đến độ trong của nước và không có tác động tiêu cực sức khỏe cá. Chiếu xạ vi sóng (MW) có thể đưa công nghệ này thành hiện thực vì nó phổ biến và là bức xạ năng lượng thấp nhất không yêu cầu môi trường nước trong. Công nghệ này đã được chứng minh là loại bỏ được vi khuẩn Flavobacterium columnare, gây bệnh columnaris ở cá. Do đó, vật liệu nano đã được chứng minh là có khả năng khuếch đại bức xạ MW để tạo ra một lượng lớn hơn các loại oxy phản ứng (ROS) trong nước, làm bất hoạt các vi sinh vật gây hại. 

2. Công nghệ nano cho sức khỏe miễn dịch của cá và phát triển vắc xin 

Hiệu suất sản xuất thường đi đôi với các chỉ số như tốc độ tăng trưởng/tăng trọng và chuyển đổi thức ăn. Do đó, duy trì hiệu suất tối ưu là điều cần thiết để cân bằng tính bền vững và ổn định tài chính của các hoạt động nuôi trồng thủy sản. Công nghệ nano đã được áp dụng cho cả việc tăng khả năng miễn dịch của cá và phát triển vắc xin. Ví dụ, chế độ ăn bổ sung nano selen đã cải thiện tốc độ tăng trưởng và tăng cường khả năng miễn dịch của cá sau khi bị nhiễm vi khuẩn (Kumar và cộng sự,  2018 ).  Chitosan NPs, được đánh giá cao nhờ các đặc tính bám dính, độc tính thấp, khả năng phân hủy sinh học và tính tương hợp sinh học, cũng đã được chứng minh là có kết quả tăng trưởng tích cực trên cá rô phi (Wang & Li,  2011 ).

Tiêm vaccine trên cá.

3. Hệ thống cảnh báo và phát hiện mầm bệnh sớm bằng công nghệ Nano 

Nuôi trồng thủy sản với quy mô lớn sẽ có nhiều thách thức, đặc biệt thiếu sự kiểm soát. Do đó, dịch bệnh có thể xảy ra nhanh chóng và dẫn đến tử vong hàng loạt. Việc phát hiện nhanh chóng sự hiện diện của các mầm bệnh có thể dự đoán sự bùng phát tiềm ẩn, tạo cơ hội tốt nhất cho việc thực hiện các chiến lược giảm thiểu thiệt hại. 

Sự ra đời của cơ sở “dữ liệu lớn” và những tiến bộ trong công nghệ thông tin và truyền thông đã dẫn đến các nền tảng quản lý tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn như: cảm biến môi trường (chất lượng nước), máy bay không người lái và hình ảnh vệ tinh (trên không hoặc dưới nước) và các thông số khí tượng. Các hệ thống mới hơn đang kết hợp dữ liệu dành riêng cho cá, bao gồm các rô-bốt dựa trên camera được trang bị các thuật toán học để đo sinh khối cá và khả năng xác định vị trí của rận biển (Hogan, 2018 ).

Rận biển trên cá hồi.

Vật liệu nano đang được sử dụng để cải thiện khả năng phát hiện mầm bệnh bằng cách tăng độ đặc hiệu và độ nhạy thông qua các ứng dụng chăm sóc. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh việc sử dụng vật liệu nano để cảm biến các mầm bệnh từ xa. Khả năng chọn lọc của vật liệu nano kết hợp với fluorophores (chất đánh dấu trong chất lỏng) tạo cơ hội để đưa các vật liệu đó vào vùng nước mở, nơi các thiết bị không người lái trên không hoặc dưới nước có thể thu thập dữ liệu để đánh giá sớm một đợt bùng phát có thể xảy ra và do đó giảm thiểu thiệt hại tài chính. Công nghệ máy bay không người lái cũng đã được áp dụng để theo dõi hành vi của động vật có xương sống dưới nước (Raoult và cộng sự,  2018) nhưng công nghệ này vẫn chưa được mở rộng cho các hệ thống nuôi trồng thủy sản quy mô lớn. 

Việc sử dụng vật liệu nano để kiểm soát mầm bệnh trong môi trường có thể đạt được bằng cách kết hợp các hạt nano, chẳng hạn như oxit kim loại (ví dụ: thanh nano oxit kẽm, hạt nano oxit đồng, hydrogel được gia cố bằng silicon dioxide) vào lồng chìm hoặc lưới nuôi trồng thủy sản để ngăn chặn quá trình lọc sinh học ( Ashraf & Edwin,  2016 ) và thúc đẩy việc tự làm sạch (Sathe và cộng sự,  2016). Những vật liệu này có thể được gắn với các cảm biến có thể phát hiện cho phép các chỉ tiêu chất lượng nước được giám sát thường xuyên.

TLTK: Tara Sabo‐Attwood, Onur G. Apul, Joseph H. Bisesi, Andrew S. Kane, Navid B. Saleh (2021), Nano‐scale applications in aquaculture: Opportunities for improved production and disease control, Wiley Online Library.