[Tạp chí Người Nuôi Tôm] – Công nghệ nano (nano-technology) tiềm năng trong hoạt động nuôi trồng thủy sản (NTTS) nhằm cắt giảm chi phí sản xuất, tăng hiệu quả nuôi trồng và đồng thời hạn chế tác động xấu đến môi trường nước thông qua các ứng dụng để phát hiện và kiểm soát mầm bệnh; xử lý nước; xử lý môi trường ao nuôi. Sản xuất nanomaterials hiện nay đang phát triển rất nhanh theo hướng công nghiệp, tạo ra một thị trường tiềm năng để đáp ứng nhu cầu nuôi trồng thủy sản.

Cấu trúc hạt nano (nanoparticles)

Các phương pháp tổng hợp hạt nano bao gồm: 1) phương pháp vật lý như máy xay, công nghệ mạ chân không bằng phun xạ, siêu âm, chiếu xạ hoặc bắn tia laser; 2) phương pháp hóa học như sol-gel, công nghệ mạ chân không hóa học, phương pháp sử dụng keo hoặc phun tia; 3) phương pháp sinh học được đánh giá thân thiện với môi trường bao gồm tổng hợp bằng chiết xuất từ các loài thực vật hay vi sinh vật.

Có 2 dạng hạt nano đang được ứng dụng là vô cơ và hữu cơ: 1) nhóm hạt vô cơ bao gồm hạt silic (mesoporous silica), carbon (carbon nanotube), sắt oxit (iron oxide), vàng, bạc, đồng… và chấm lượng tử (quantum dot); 2) nhóm hạt hữu cơ bao gồm hạt polymeric nanosphere, polymeric nanocapsule, polymeric micelle, liposome, chitosan-alginate và dendrimer…

Hình 1. Cấu trúc hình ảnh, kích thước và hình dạng các nhóm hạt nano

Hình dạng chủ yếu của các loại hạt nano thông thường bao gồm hình ngôi sao, hình hộp, hình cầu, hình khối chữ nhật và hình trụ (Hình 1). Phương pháp tổng hợp các hạt nano từ dịch chiết thực vật hay thông qua sinh vật “Green Synthesis Method” (phương pháp tổng hợp xanh) đang được đánh giá ở mức độ an toàn, thân thiện và được áp dụng nhiều hiện nay. Việc điều chế hạt nano kim loại bằng dịch chiết thực vật như củ gừng (Zingiber officinale), nghệ (Curcuma longa) hạt cây thì là đen (Nigella sativa), cây neem Ấn Độ (Azadirachta indica), cây hương nhu (Ocimum tenuiflorum), cây lô hội (Aloe vera)… cung cấp phương pháp tổng hợp nhanh chóng, không độc hại và gần giống với các phương pháp truyền thống (Hình 2).

Hình 2. Tổng hợp hạt nano kim loại thân thiện môi trường từ dịch chiết thực vật

 Ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản

Vận chuyển thuốc trong quản lý sức khỏe động vật thủy sản

Cơ chế chung của phương pháp vận chuyển này là hạt nano trở thành chất mang, gắn cấu trúc thuốc vào hệ thống của nó, vận chuyển đến các cơ quan mục tiêu trong điều trị bệnh động vật thủy sản. Ví dụ, alginate là một polymer tự nhiên được tạo ra bởi các axit mannuronic và guluronic có trong tảo nâu và vi khuẩn, hạt nano của nó có tác dụng thúc đẩy tăng trưởng và tỷ lệ sống của cá, đặc biệt giúp tăng cường đáp ứng miễn dịch giúp nhóm cá mú và cá chép chống lại vi khuẩn Iridovirus sp và Streptococcus sp; ngoài ra việc sử dụng kết hợp chitosan và alginate trong cấu trúc hạt nano giúp tăng hiệu quả của việc vận chuyển vắc xin trên cá hồi để chống lại Lactococcus garvieae và Streptococcus iniae.

Chitosan là một polysaccharide được tạo nên từ cấu trúc glucosamine có trong lớp vỏ của các loài giáp xác và côn trùng. Một vài thực nghiệm cho thấy cấu trúc hạt nano của chúng có khả năng vận tải thuốc hiệu quả, làm tăng khả năng ức chế nhóm vi khuẩn Vibrio parahaemolyticus và Vibrio anguillarum trên cá tráp và cá mú nuôi lồng công nghiệp. Hiệu quả này trên nhóm cá biển mở ra các hướng nghiên cứu tiềm năng để ức chế vi khuẩn nhóm Vibrio trên tôm thông qua sự kết hợp của thuốc thú y thủy sản với các hạt nano để mang lại hiệu cao hơn trong vấn đề xử lý bệnh trên tôm nuôi công nghiệp hiện nay.

Hoạt động kháng khuẩn

Các hạt nano kim loại như bạc, vàng, nhôm, đồng và carbon có nhiều kiểu hoạt động ức chế vi khuẩn khác nhau. Kiểu tác động phổ biến nhất được xác định là đính vào lớp màng và tường của tế bào vi khuẩn thông qua tương tác điện tích âm-dương, phá vỡ tế bào của chúng bằng cách làm gián đoạn trao đổi điện tích (ion) tạo ra sự đứt gãy các chuỗi DNA, cản trở sự lắp ráp của ribosome và hoạt động của các enzyme (Hình 3). Đồng thời, các hạt nano kim loại cũng làm tăng hoạt động stress oxy hóa của vi khuẩn, từ đó phá hỏng cấu trúc protein, lipid và DNA của chúng. Hiện tại, Nanocheck là sản phẩm đã được thương mại hóa, sử dụng cho việc làm sạch ao nuôi thủy sản thông qua hạt nano Lantan (40 nm). Ngoài ra, chúng có thể ức chế sự phát triển của các loài tảo thông qua việc hấp thụ phosphat trong nước.

Hình 3. Tác động tiêu diệt vi khuẩn của hạt nano kim loại (Carlor & cs., 2022)

Nano bạc (Ag-NPs) được tổng hợp bởi chiết xuất gừng tươi cũng được đánh giá có thể tiềm năng chống lại sự nhiễm khuẩn Aeromonas, Lactococcus và Streptococcus và ký sinh trùng Ichthyophthirius trên cá; đồng thời ức chế hiệu quả nhóm Vibrio parahaemolyticus và Vibrio harveyi trên tôm thẻ chân trắng, không gây độc hay thay đổi hoạt động sinh lý của cá, tôm. Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra khả năng ức chế nhóm vi khuẩn Staphylococcus, Bacillus, Ecoli và Pseudomonas hiệu quả ở hầu hết các nồng độ từ 50-500 mg/ml, trong đó nồng độ ức chế tối thiểu 50 mg/ml mang đến hiệu quả cao nhất (Hình 4).

Hình 4. Hoạt động kháng vi khuẩn của hạt nano kim loại Ag NPs tổng hợp từ chiết xuất gừng (Zingiber officinale) (Alaa & cs., 2020)

Xử lý ô nhiễm nước

Ô nhiễm nguồn nước từ các hoạt động nuôi thủy sản đang là vấn đề cần được xử lý để hướng đến sự thân thiện môi trường và bền vững tài nguyên nước. Các hạt nano từ Titanium đang được đánh giá có tiềm năng lớn xử lý hiệu quả nguồn nước ô nhiễm thông qua hoạt động tiêu diệt vi khuẩn gram dương và âm, nấm, tảo, rong rêu, virus và cả nguyên sinh động vật bằng cách hình thành các gốc oxy tự do có khả năng phá hủy tường và màng tế bào vi sinh vật. Các nghiên cứu gần đây cho thấy hạt nano Fe3O4 có thể loại bỏ đến 70% các độc tố nitrite (NO₂ ^–) và phosphate (PO₄³⁻) trong nước thải NTTS, trong khi sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris cho hiệu quả 80%, sự kết hợp của tảo và hạt nano đạt được kết quả loại bỏ NO₃ ⁻ (92.33%), NO₂  (89.3%), NH₄⁺ (93.67%) và PO₄ ³⁻ (89.25%). Đồng thời, loại hạt nano này có khả năng loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải thuỷ sản, một số nghiên cứu chỉ ra khả năng hấp thụ cao Pb ion tới 360 mg/g. Hạt nano ZnO (ZnO-NPs) và Carbon nanotubes (CNTs) có từ tính mạnh, cũng có khả năng cải thiện khá tốt nước nuôi thuỷ sản bị ô nhiễm bằng cách hấp thụ hiệu quả các kim loại nặng Chrom và Cu ở nồng độ áp dụng 30 mg/L (ZnO-NPs) và 20 mg/L (CNTs). CNTs còn thể hiện khả năng đặc biệt và hiệu quả hấp phụ ấn tượng đối với một số chất ô nhiễm hữu cơ như dioxin, benzen, 1,2-dichlorobenzene, trihalomethanes và PAHs Nói chung, các gốc thơm có ái lực hấp phụ với CNTs cao hơn so với các gốc không thơm của chúng. Do đó, chúng cũng có thể được sử dụng để loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ khác nhau trong nước thải dưới nước.

Vận chuyển các dưỡng chất bổ sung

Các hạt nano Selen khi bổ sung vào thức ăn thủy sản có thể tăng cường thúc đẩy tăng trưởng và tăng cường hệ thống chống oxy hóa, đồng thời thúc đẩy quá trình hình thành khoáng trong xương và giảm stress khi áp dụng trên cá chép; các hạt nano Au tổng hợp từ chiết xuất bèo hoa dâu (Azolla microphylla) được đánh giá có khả năng làm giảm sự tổn thương gan trên cá chép gây ra bởi hàm lượng acetaminophen có trong môi trường nước, đồng thời cải thiện đáng kể mức độ stress, giảm trao đổi điện tích và tăng cường men tiêu hóa, giảm dấu hiệu nhiễm độc, bất thường mô, biến đổi cấu trúc men ở gan. Ngoài ra, bổ sung 16 mg hạt nano Mn trong 1 kg thức ăn có thể tăng cường hệ thống chống oxy hóa trên tôm càng xanh nước ngọt; hạt nano Cu có thể tăng cường đáp ứng miễn dịch không đặc hiệu và tăng mức độ sản xuất enzyme chống oxy hóa trên cá mú biển và tôm càng xanh nước ngọt. Tổng hợp các hạt nano từ chiết xuất cây lô hội (Aloe vera) cũng được báo cáo là có khả năng tăng cường tỷ lệ sống và giảm stress oxy hóa trên cá Tầm (Acipenser baerii) ở Siberi.

Các hạt nano còn cải thiện tính sinh khả dụng (bioavailability) và khoảng thời gian lưu giữ các hoạt chất sinh học (bioactive compounds). Ví dụ, đóng gói hợp chất curcumin có trong nghệ dưới dạng phospholipids, micelles, liposomes hay hydrogels bằng các hạt nano chitosan giúp cải thiện thời gian lưu trữ curcumin nhằm cải thiện sự vận chuyển các hợp chất sinh học trong đường tiêu hóa, đặc biệt là các hợp chất có mức độ hòa tan bị hạn chế. Nerolidol là một hợp chất có trong thực vật, chúng có đặc tính chống ung thư, kháng nấm, kháng khuẩn, chống viêm và chống oxy hóa. Các hạt nano kết hợp với hợp chất này có thể làm giảm mật độ vi khuẩn, tăng tỷ lệ sống và phòng ngừa các tổn thương oxy hóa trên cá rô phi (Oreochromis niloticus) bị nhiễm bởi vi khuẩn Streptococcus agalactiae. Vitamin C được đóng gói bởi hạt nano chitosan khi kết hợp thới thức ăn công nghiệp, có khả năng làm tăng hàm lượng vitamin C trong huyết thanh cá hồi (Oncorhynchus mykiss), đồng thời tăng đáp ứng miễn dịch tự nhiên, kích thích hoạt động của các enzyme: lipase, proteasa, catalase và amylase, làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn.

Đánh giá rủi ro

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh ứng dụng tiềm năng của hạt nano trong NTTS, tuy nhiên mối quan tâm của dư luận về công nghệ nano là mức độ ảnh hưởng của nó đến hoạt động sinh học trong động vật thủy sản, hệ sinh thái ao nuôi và môi trường nước. Ví dụ, các hạt nano siêu nhỏ có thể trở thành một trong những nguồn gây ô nhiễm, hay nghiêm trọng hơn có thể xâm nhập vào trong tế bào và gây ảnh hưởng đến cấu trúc gen của động vật thủy sản và xa hơn là thị hiếu người tiêu dùng thủy hải sản có sử dụng các hạt nano trong quá trình nuôi trồng (mức độ chấp nhận).

Việc ứng dụng công nghệ nano cần thêm nhiều nghiên cứu sâu hơn về khả năng tích lũy và gây độc trực tiếp cho động vật thủy sản và gián tiếp cho người tiêu dùng. Các mối quan tâm trên chắc chắn không thể cản trở sự phát triển không ngừng của các công nghệ nano mới và hướng đa ứng dụng của nó trong NTTS, đặc biệt là phát triển phương pháp tổng hợp hạt nano bằng phương pháp sinh học thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, cần thêm các hướng dẫn sử dụng chi tiết, cẩn thận về liều lượng và tần suất để tăng cường lợi ích và giảm thiểu rủi ro khi áp dụng trong các hoạt động sản xuất thủy sản. Sắp tới, xu hướng nghiên cứu các hạt nano là tối đa hoá các ứng dụng tiềm năng, đồng thời tối thiểu hoá mức độ ảnh hưởng đến động vật thuỷ sản và môi trường sống của chúng.

Dr. Boris Quyết (Tổng hợp)