微米和纳米科技材料

水产养殖“利器”!纳米技术有六大功能,或将加速水产产业的发展

美国国家纳米技术中心 (NNI) 倡议将纳米技术定义为“ 纳米可以理解和控制物质,尺寸在大约1到100nm之间,其中独特的特点可以实现新的应用 ”。(图1)。如今,纳米技术是一个价值数百亿且快速发展的产业,目前市场上含有纳米材料的产品超过一千种。

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图1

一、什么是纳米技术?

纳米技术融合了物理、化学、生物技术和工程等多种学科,尺寸在1-100nm范围内,结构元素、 微晶 、分子和团簇的多个维度在纳米材料中表现出来(图2) ,其中包括:零维度(纳米粒子、纳米团簇和量子点)、一个维度( 碳纳米管和多壁纳米管)、二维度(石墨烯层和超薄膜)和三维(纳米结构材料)。纳米材料已被证明有很多优点; 例如,组织特异性靶向、降低剂量和毒性,以及提高生物利用度、增强药物疗效和减少继发性不良反应。

图2:目前正在开发不同尺寸的纳米材料

纳米技术在水产养殖中有着广泛的应用,可以明显帮助改变这个行业(图3)。在目前的应用中,纳米技术在病原体的检测和控制、水体处理、池塘消毒、营养物质和药物的有效输送等方面,有着非常有效的应用。例如,DNA-纳米疫苗被用于改善鱼虾免疫系统。同样,铁纳米颗粒也可用于促进鱼虾生长速度。

与其他技术相比,通过纳米技术应用传递分子,可以更有效地预防/治疗疾病,通过药物和疫苗的精确传递和控制释放,降低与健康和环境因素相关的风险,减少化学品的使用。用于靶向递送的纳米颗粒可以允许更快、非侵入性和更具成本效益的新药物给药方法。此外,可以预防疾病的治疗,将诊断和治疗结合在一个步骤中,这将提高疾病治疗的有效性并显着降低成本。

图3:纳米技术目前在水产养殖业的主要应用.

今天笔者就跟大家聊聊,纳米技术在水产养殖当中的6大作用。

二、用于加强药物有效性和稳定性

疾病爆发是水产养殖最困难之一。在这种情况下, 纳米技术可以发挥巨大的作用,它可以提供与疾病诊断和健康管理相关的新方法。一些方法涉及固体核心药物递送系统,这意味着用脂肪酸壳包覆固体纳米颗粒以保护药物(图4)。这种技术在不稳定或热敏药物的情况下尤其重要。此外,多孔纳米材料可用作药物传递基质。

图4:在水产养殖中研究用于药物递送和靶向治疗的不同纳米颗粒,以及使用纳米颗粒的优势。

因此,在水产养殖当中,纳米技术可能加强药物的稳定性,而且还能增强药物的药性,能够很好的达到我们想要的目的。

三、用于病原体检测的纳米传感器

目前正在开发纳米生物传感器系统,不仅可以检测极低浓度的寄生虫、细菌和病毒,还可以检测水中的污染元素。这在商业水产养殖系统的疾病暴发中,尤其重要。因为在病原体引起疾病之前,可能需要很长时间才能确定其存在,从而延迟控制病原体的治疗,造成养殖户的重大损失。在这方面, 纳米技术可以通过早期检测和根除病原体来克服这一困难。

目前,纳米传感器能够检测多种病原体。例如,使用电子纳米传感器,检测单个病毒颗粒是可行的。此外,据报道,免疫靶向金纳米粒子能够用靶向特定目标生物分子的抗体进行功能化,以特异性结合针对致黄色葡萄球菌等。纳米传感器还用于池塘清洁和池塘鱼虾存塘量的检查,例如:基于碳纳米管的纳米传感器,对于检测病毒、寄生虫和细菌等病原体都非常敏感。

四、微生物消毒

许多金属纳米粒子已被用于疾病的预防和治疗,例如:银、钛、铜等。金属纳米粒子对细菌有不同的作用方式,其中最强的作用之一是通过静电相互作用附着在细胞膜和细胞壁上并能够破坏它们(图5)。

图5:金属纳米粒子 (NPs) 对不同元素细菌的影响。

银纳米粒子是主要的纳米技术产品之一,用于对抗多种病原体,包括病毒、寄生虫、真菌和细菌。银纳米被认为是金属纳米粒子中最有前途的纳米材料之一,因为它对不同微生物种类的广泛影响、易于以不同形式应用、结构、产生极强的杀菌效果。银纳米抗菌活性与DNA和蛋白质的氧化能力有关,具有高度的破坏性作用。

五、水中污染物的处理

纳米技术也被用于处理水体的污染,这是一种有效且廉价的水体净化 的方法。例如,为了消除亚硝酸盐的污染,业界已经开放出了相对应的纳米产品。 然而,石墨烯纳米片和氧化石墨烯与去除水中多种污染物有关,在过去几年中引起了极大的关注。氧化石墨烯-氧化钛纳米复合材料已用于吸附、去除残留水中的重金属和有机化合物。

另外,低成本、无毒、高效的催化剂、生物和化学稳定性等特点,二氧化钛是一种很有前途的水体处理选择。此外,已经进行了几项研究二氧化钛的光催化活性,表明能够杀死广泛的革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌、丝状和单细胞真菌、藻类、 原生动物 、哺乳动物病毒和噬菌体。

六、作为饲料补充剂和营养品

纳米粒子可以改善鱼虾发育的主要基本概念之一,是基于它们增加消化道吸收营养的能力 。以纳米颗粒形式拌入水产养殖饲料微量营养素,可以更有效地渗透到细胞中,从而提高吸收率(图6)。这已在鲟鱼和微量营养素身上得到证实,当喂食的饲料当中含有纳米颗粒时,它们的生长速度更快。

图6:在水产养殖饲料中加入纳米颗粒形式的微量元素,对虾和鱼的影响。

在饲料中添加铜纳米颗粒,也显着增加虾类的非特异性免疫反应,抗氧化代谢酶水平,消化酶活性,存活率和生长速度。

七、海鲜加工

纳米技术可用于水产品种的生产和加工,特别是一些需要较长保质期的水产品。 通过使用纳米材料,食品包装领域的研究工作得到加强,因为纳米材料能够提供新的特性,包括:耗氧、降低酶活和产品降解,以及抗菌和抗真菌活性、病原体和毒素检测; 因此,提高了产品的稳定性。

食品工业的一个关键目标是延长产品的保质期,不仅要保持产品的新鲜度,还可以保持食品质量。目前,纳米技术的应用加速了食品加工行业的进步,这些大多都是在通过防止气体流过包装来延长产品保质期。比如:纳米乳液、纳米纤维和纳米颗粒等可用于减缓产品质量的下降,从而保持产品的颜色和风味。

八、结论和探讨

目前,已经实施了各种纳米技术应用以改善水产养殖业,这可能在该行业未来的发展和可持续性中发挥重要作用。如今,纳米材料在渔业和水产养殖业中有许多应用,但是这些应用大多处于早期阶段,其成本高被认为是该技术广泛使用的主要制约因素之一。

不过我们有理由相信,随着纳米技术的进步,它将在水产养殖当中发挥着越来越大的作用,被誉为未来水产养殖的大杀器,一点也不为过,

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