1. Inactivación de patógenos (Vibrio & bacterias)
Eficacia contra patógenos específicos
Las nanoburbujas de ozono (O3-NB) han demostrado potentes efectos bactericidas contra los principales patógenos de la acuicultura, superando significativamente a la aireación convencional o a la ozonización con macroburbujas debido a una mayor retención residual en la columna de agua.
- Vibrio parahaemolyticus (EMS/AHPND): Los ensayos de laboratorio indican que las O3-NB son altamente efectivas contra V. parahaemolyticus, el agente causal de la enfermedad de necrosis hepatopancreática aguda (EHPNA). Un estudio demostró que el tratamiento con O3-NB redujo las concentraciones bacterianas de \(10^6\) UFC/mL a niveles indetectables en 6 minutos. En comparación, las nanopartículas de oxígeno (O2-NB) produjeron una reducción del 31% en una semana, lo que subraya la necesidad del ozono para la desinfección aguda. Nghia y otros, 2022Además, las O3-NB lograron una tasa de esterilización de >99,99% contra V. parahaemolyticus En tan solo 1 minuto de exposición en agua de mar, se retrasa eficazmente la mortalidad en los camarones infectados. Imaizumi et al., 2018.
- Aeromonas y Estreptococo: En los sistemas de agua dulce, una exposición de 10 minutos a O3-NB redujo la carga de Streptococcus agalactiae por el 96,11% y Aeromonas veronii en un 97,92%. Si bien la presencia de materia orgánica (por ejemplo, en el agua de cultivo) redujo la eficacia aproximadamente 1,6 veces, los tratamientos repetidos lograron suprimir las poblaciones bacterianas sin dañar a la tilapia del Nilo. Jhunkeaw y otros, 2021.
- Reinicio microbiano: Se ha demostrado que las O3-NB (0,15 mg/L) eliminan entre el 90,9 % y el 99,4 % del total de bacterias heterótrofas en el agua de los estanques, restableciendo eficazmente la comunidad microbiana. Esto permite la posible reintroducción de probióticos beneficiosos antes de que las especies patógenas puedan volver a dominar el ecosistema. Huang y otros, 2023.
Mecanismo de reducción de carga: estrés oxidativo y alteración física
La acción bactericida se produce mediante un mecanismo dual:
- Estrés oxidativo (generación de especies reactivas de oxígeno): El colapso de las nanoburbujas genera especies reactivas de oxígeno (ERO), específicamente radicales hidroxilo (•OH). Estos radicales poseen un alto potencial redox (2,80 V) y atacan de forma no selectiva las paredes celulares bacterianas, oxidando los ácidos grasos poliinsaturados de la membrana celular (peroxidación lipídica) y dañando las cadenas de ADN. Esto provoca la fuga de componentes celulares y la muerte celular. Mukherjee y otros, 2023; Huang y otros, 2023.
- Alteración física: Las ondas de choque de alta energía generadas durante el colapso hidrodinámico de las nanopartículas pueden romper físicamente las membranas celulares bacterianas. Cuando se combinan con tecnologías como la sonicación, las nanopartículas de oxígeno pueden lograr una reducción de patógenos de >6 log UFC/mL, lo que sugiere un efecto sinérgico de la cavitación física y el estrés oxidativo. Rafeeq et al., 2020.
2. Eliminación de biopelículas
Mecanismos de prevención y eliminación
Las biopelículas en las paredes de los tanques y las tuberías sirven como reservorios de patógenos. Las nanoburbujas mitigan este riesgo mediante la abrasión física y la degradación química de la matriz de la biopelícula.
- Degradación del EPS: Los biofilms están protegidos por sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Las bacterias nanopartículas (NB), en particular las O3-NB, penetran en la matriz del biofilm y generan radicales hidroxilo que degradan las proteínas y los polisacáridos que constituyen las EPS. Esto altera la integridad estructural del biofilm, provocando su desprendimiento. Shiroodi et al., 2021.
- Tensión superficial y fuerza cortante: Las nanobandas reducen el ángulo de contacto del agua en las superficies (aumentando la humectabilidad) y alteran la tensión superficial. El movimiento browniano y el eventual colapso de las nanobandas generan fuerzas de cizallamiento localizadas (microchorros) que erosionan físicamente y desprenden las capas de biopelícula de las paredes de las tuberías y las superficies de los tanques. Este mecanismo ha sido eficaz para eliminar E. coli y Listeria biopelículas de plástico y acero inoxidable Shiroodi et al., 2021; Xiao et al., 2021.
- Inhibición de la formación: Al mantener un alto nivel de oxígeno disuelto (OD) y generar especies reactivas de oxígeno (ROS), los NB crean un ambiente desfavorable para el desarrollo de biopelículas anaeróbicas, a menudo asociadas con la proliferación de patógenos en zonas estancadas. Xiao et al., 2020.
3. Estimulación del sistema inmunitario
Modulación de la inmunidad innata
Más allá del control directo de los patógenos, el agua tratada con nanoburbujas modula activamente el sistema inmunitario del huésped, mejorando la resistencia a las infecciones.
- Expresión genética (citoquinas): La exposición a O3-NB desencadena la regulación positiva de genes clave de citocinas proinflamatorias. En la tilapia del Nilo, una regulación positiva significativa de TNF-alfa (Factor de Necrosis Tumoral alfa), IL-1\beta, y IL-2 beta Se observó su presencia en las branquias, el riñón cefálico y el bazo a los 15 minutos de la exposición. Esto sugiere que las O3-NB actúan como un factor de estrés leve que "prepara" el sistema inmunitario innato del pez, preparándolo para combatir posibles infecciones. Linh et al., 2021.
- Enzimas antioxidantes (SOD/CAT): Los peces tratados con O3-NBs presentan un aumento transitorio en la actividad de la superóxido dismutasa (SOD) (por ejemplo, un aumento a 8,0 unidades frente a 4,5 en los controles) un día después del tratamiento. Esta respuesta enzimática ayuda a los peces a controlar el estrés oxidativo y a mantener la homeostasis. Es importante destacar que estos niveles vuelven a los valores basales en 48 horas, lo que indica que no hay daño fisiológico a largo plazo. Huang y otros, 2023De manera similar, se ha demostrado que las nanopartículas de hidrógeno reducen la acumulación de ROS y regulan negativamente los factores inflamatorios en peces cebra infectados con virus, mejorando significativamente las tasas de supervivencia. Li et al., 2022.
- Mejora de la supervivencia: La modulación de estas vías inmunitarias se traduce directamente en supervivencia. La tilapia pretratada con O3-NBs mostró un porcentaje de supervivencia relativo del 60-70% cuando fue desafiada con Streptococcus agalactiae, en comparación con los controles no tratados Linh et al., 2021Además, los altos niveles de DO provenientes de los NB de oxígeno favorecen un "estado hipermetabólico" que mejora la resistencia fisiológica general y la competencia inmunológica. Ebina y otros, 2013.