S. P. Anthony y R. Philip
NAGA, WorldFish Center Quarterly Vol. 29 No. 3 & 4 Jul-Dec 2006
rose@cusat.ac.in
Resumen
La acuicultura genera una cantidad considerable de desechos, que consiste en subproductos metabólicos, alimento residual, materia fecal y residuos profilácticos y terapéuticos, lo que conduce al deterioro de la calidad de agua y al brote de enfermedades. La bioremediación, la aplicación de microbios/enzimas a los estanques, el método comúnmente usado para mejorar la calidad del agua y para mantener la salud y la estabilidad de los sistemas de la acuicultura. La bioremediación incluye la mineralización de la materia orgánica a dióxido de carbono, maximizando la productividad primaria que estimula la producción de camarón, la nitrificación y desnitrificación apara (1) eliminar el exceso de nitrógeno de los estanques y (2) mantener la diversidad y la estabilidad de la comunidad de los estanques, en donde los patógenos son excluidos del sistema y la especies deseadas se establecen. A parte de la bacteria heterotrófica degradadora de la materia orgánica (detritivoros), las bacterias nitrificantes, desnitrificantes y fotosintética son empleados generalmente en la bioremediación.
Introducción
La acuicultura es el sector de producción de alimentos de más rápido crecimiento en el mundo (Moriarty 1999). Esta actividad fue considera una práctica ambientalmente responsable, debido a que el policutivo tradicional y los sistemas integrales de cultivo se basaron en la utilización optima de los recursos de la granja, incluido los desechos de la granja. El incremento de la producción se alcanzaba por la expansión del espejo de agua en cultivo y el uso de tecnologías de cultivo más intensivas y modernas incluyo el uso en mayor proporción de agua, alimentos, fertilizantes y químicos. Lo que trajo como resultado, que ahora la acuicultura se considere como un potencial contaminador del ambiente acuático y una causa de la degradación de los humedales (Pillay 1992).
Producción de desechos en la acuicultura
Las condiciones físicas, químicas y biológicas del ambiente de cultivo tienen influencia en la salud y productividad del camarón. La exposición de los camarones a toxinas como el sulfuro de hidrogeno, amonio y dióxido de carbono, genera el estrés y finalmente la enfermedades (Ravichandran y Jalaludin 2001). Los tipos de desechos producidos en las granjas de acuicultura son básicamente similares. Sin embargo, hay diferencias en la calidad y cantidad de los componentes, dependiendo de las especies cultivadas y de las prácticas de cultivo adoptadas. Los desechos en hatcheries o granjas de acuicultura pueden ser categorizados como: (1) alimento residual y materia fecal; (2) subproductos metabólicos; (3) residuos de biocidas y biostats; (4) fertilizantes convertidos en desechos; (5) desechos producidos durante la muda; y (6) colapso de las proliferaciones algales (Sharma and Scheeno 1999).
El enfoque actual para mejorar la calidad de agua en la acuicultura, es la aplicación de microbios/enzimas a los estanques, lo que se conoce como “bioremediación”. Cuando los macro y microorganismos y/o sus productos son usados como aditivos para mejorar la calidad del agua, ellos se denominan agentes bioremediadores o biorectificadores (Moriaty 1998). Esto resulta en una muy baja acumulación de limo o materia orgánica en el fondo del estanque, mejorando la penetración del oxígeno en el sedimento y generando un mejor ambiente para la población en cultivo (Rao y Karunasagar 2000).
El aislamiento y el desarrollo de bacterias nativas son requeridos para que la bioremediación tenga éxito (Jameson 2003). Una bioremediación exitosa incluye: optimizar las tasas de desnitrificación para mantener bajo la concentración de amonio; optimizar las tasas de desnitrificación para eliminar el exceso de nitrógeno de los estanques como gas nitrógeno; maximizar la oxidación de los sulfuros para reducir la acumulación de sulfuro de hidrogeno, maximizar la mineralización de carbono a dióxido de carbono para minimizar la acumulación de sedimento; maximizando la productividad primaria que estimula la producción de camarón y también la producción secundaria; y mantiene una comunidad diversa y estable en el estaque, en donde las especies indeseables no son dominantes (Bratvold et al. 1997).
Los bioremediadores como agentes controladores de enfermedades
En los últimos años, se ha venido creciendo el interés en el biocontrol de patógenos microbiológicos en acuicultura, usando microorganismos antagonistas (Westerdahl et al. 1991; Maeda 1994). Un estudio sobre el rol de las bacterias antagonistas, especialmente las bacterias co-existentes, como agentes de biocontrol surgen como valiosas en el lugar de los impactos negativos de los antibióticos (Abraham et al. 2001). La mayoría de los probióticos propuestos como agentes de control biológico en la acuicultura pertenecen a la bacteria del ácido láctico (Lactobacillus, Carnobacterium etc.), Vibrio (Vibrio alginolyticus), Bacillus, y Pseudomonas (Singh et al. 2001). Abraham et al. (2001) studio in-vitro la actividad antagonista de la larva del camarón penaideo asociado a la bacteria Alteromonas, en contra de varias bacterias patógenos oportunistas de los crustáceos y encontró que las especies de Alteromonas suprimen la actividad de Vibrio harveyi y mejoran la supervivencia de la larva de Penaeus indicus in-vivo. Los microbios beneficios, así como los no patogénicos aislados de Vibrio alginolyticus, pueden ser inoculados dentro de los sistemas de cultivo de camarón suprimiendo a los vibrios patogénicos como Vibrio harveyi, Vibrio parahaemolyticus y Vibrio splendens, y reduce la invasión oportunista de estos patógenos en camarones (Jameson 2003).
Bioremediación del detritus orgánico
La materia orgánica disuelta y en suspensión contiene principalmente cadenas de carbono y esta disponible para microbios y algas. Un buen bioremediador debe contener microbios que son capaces de limpiar efectivamente los desechos carbonosos del agua. Adicionalmente, este ayuda a que los microbios se multipliquen rápidamente y tengan una buena capacidad enzimático. Miembros del genero Bacillus, como Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus ereus, Bacillus coagulans, y del genero Phenibacillus, como Phenibacillus polymyxa, son buenos ejemplos de bacterias adecuadas para la bioremediación del detritus orgánico. Sin embargo, estas no están normalmente presentes en las cantidades requeridas, en la columna de agua, su hábitat natural es el sedimento.
Cuando cierta cepa de Bacillus es adicionada al agua en cantidades suficientes, ellos pueden tener un impacto. Ellos compiten con la flora bacteriana naturalmente presente, por la materia orgánica disponible, filtrando el exceso de alimento y las heces del camarón (Sharma 1999). Como parte de la bio-aumentación, los Bacillus pueden ser producidos, mezclándolos con arena o arcilla y difundidos para ser depositados en el fondo del estanque (Singh et al. 2001).
Lactobacillus también es usado junto con Bacillus para romper el detritus orgánico. Estas bacterias producen una variedad de enzimas que quiebran las proteínas y almidonan a las moléculas pequeñas, los cuales son tomados como fuentes de energía por otros organismos. La remoción de grandes cantidades de compuestos orgánicos reducen la turbidez del agua (Haung 2003).
Bioremediación de los compuestos nitrogenados
Las aplicaciones de nitrógeno en exceso a la capacidad de asimilación del estanque, puede conducir a un deterioro de la calidad del agua, a través de la acumulación de compuestos nitrogenados (amonio y nitrito) lo que genera toxicidad para los peces y camarones. La principal fuente de amonio son las excreciones de los peces y el flujo de sedimento derivado de la mineralización de la materia orgánica y la difusión molecular del sedimento reducido, aunque la fijación del nitrógeno por las cianobacterias y la deposición atmosférica son ocasionalmente importantes (Ayyappan and Mishra 2003).
El proceso de nitrificación es como sigue:
NH4+ + 11/2 O2 NO2 NO–2 + 2H+ +H2O
NO2– + 11/2 O2 NO3
La nitrificación bacterial es el método más práctico para la remoción de amonio de los sistemas de acuicultura cerrados y es comúnmente alcanzado mediante el uso de un biofiltro de arena y grava, en el cual el agua circula. Los oxidadores de amonio se ubican bajo cinco géneros, Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrolobus y Nitrospira y oxidadotes de nitritos bajo tres géneros Nitrobacter, Nitrococcus y Nitrospira. Existen también algunos nitrificadores heterotróficos que producen solo bajos niveles de nitritos y nitratos y frecuentemente usan las fuentes orgánicas de nitrógeno, además del amonio o nitrito. Los nitrificadores en cultivos contaminados vienen demostrando una nitrificación más eficiente. La nitrificación no solo produce nitrato, si no que también altera el pH levemente hacia el rango ácido, facilitando la disponibilidad de materiales solubles (Ayyappan y Mishra 2003).
La mayoría de estanques de acuicultura acumulan nitratos, debido a que no contienen un filtro desnitrificante. Los filtros desnitrificantes ayudan a convertir el nitrato en nitrógeno. Esto crea una región anaeróbica donde las bacterias anaeróbicas pueden crecer y reducir el nitrato a gas nitrógeno (Rao 2002). El nitrato puede seguir varias vías bioquímicas:
NO3 – NO2 – NO
N2O N
A diferencia de la limitada diversidad de especies de bacterias que intervienen en la nitrificación, al menos 14 géneros de bacterias pueden reducir el nitrato. Entre estos, Pseudomonas,Bacillus y Alkaligenes son los más numerosos (Focht y Verstraete 1977).
Bioremediación del sulfuro de hidrogeno
El azufre es de sumo interés en la acuicultura debido a su importancia en los sedimentos anoxicos. En condiciones aeróbicas el azufre orgánico se descompone a sulfuro, el cual a su vez se oxida a sulfatos. El sulfato es altamente soluble en agua y así gradualmente se dispersa desde los sedimentos. La oxidación de los sulfuros es mediado por microorganismos en el sedimento, esto ocurre por procesos químicos (Boyd 1995). Bajo las condiciones anaeróbicas, el sulfato puede ser usado en lugar de oxígeno dentro del metabolismo microbiano. Este proceso conduce a la producción del gas sulfuro de hidrogeno (Midlen et al. 1998). El H2S es producido por una serie de reducciones microbianas (Boyd 1995).
SO4 2- + 4H2 + 2H+ H2S + 4H2O (Djurle 2003)
La carga orgánica puede estimular la producción de H2S y la reducción en la diversidad de la fauna bentica (Mattson y Linden 1983). H2S es soluble en agua y se viene sugiriendo que es la causa del daño a las branquias y otros achaques en los peces (Beveridge 1987). El H2S no ionizado es extremadamente toxico para el pez a concentraciones que pueden presentarse en las aguas naturales, así como en las granjas de acuicultura (Bonn y follas 1967). Los bioensayos de varias especies de peces sugieren que concentraciones casi no detectables de H2S pueden ser consideradas como perjudiciales para la producción de peces (Boyd 1979).
Las bacterias fotosintéticas bentonicas que rompen el H2S en el fondo del estanque viene siendo ampliamente usados en la acuicultura, para mantener un ambiente favorable (Singh y radica 2001). Estas bacterias contienen bacteria-clorofila que absorbe luz (azul para el espectro infrarrojo, dependiendo del tipo de bacteria-clorofila) y realiza la fotosíntesis bajo condiciones anaeróbicas (Haung 2003). Ellos son bacterias púrpuras y verdes que crecen en la proporción anaeróbica de la interfase sedimento-agua. Las bacterias fotosintéticas púrpuras no azufrosas pueden descomponer la materia orgánica, H2S, NO2 y los desechos peligrosos de los estanques. Las bacterias azufrosas verdes y púrpuras dividen el H2S para utilizar la longitud de luz no absorbida por el fitoplancton. Las bacterias azufrosas púrpuras y verdes obtiene electrones reducidos de H2S a un bajo costo energético que la división del H2O por lo fotoautótrofos, y así requiere de una menor intensidad de luz para realizar la fotosíntesis. La ecuación de esta reacción es:
CO2 + 2H2S (CH2O) +H2O + 2S
S+CO2 + 3H2S (CH2O) + H2SO4
CO2 + NaS2O3 + 3H2O 2(CH2O)
+ NaS2O4 + H2SO4
Chromatiaceae y Chlorobiaceae son dos familias de bacterias azufrosas fotosintéticas que se favorecen las condiciones anaeróbicas para crecer mientras que utilizan la energía solar y el sulfuro. Chromatiaceae contiene partículas de azufre en las células pero las Chlorobiaceae los precipitan fuera de ellos. La familia Rhodospirillaceae no solo es usado para remover el H2S, además de los ácidos grasos, como fuente de hidrogeno. Ellos pueden ser usados como mineralizadores eficientes en el fondo de estanque, debido a que ellos proliferan en condiciones aeróbicas y anaeróbicas, como bacterias heterotróficas aun en la oscuridad sin utilizar la energía solar (Singh y Radica 2001). Las bacterias fotosinteticas de importancia en acuicultura son (Haung 2003):
Rhodospirillaceae
Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, Rhodomicrobium
Chromatiaceae
Chromatium, Thiocystis, Thiosarcina, Thiospirillum, Thiocapsa, Lamprocystis, Thiodictyon, Thiopedia, Amoebobacter, Ectothiorhodospira.
Chlorobiaceae
Chlorobium, Prosthecochloris, Chloropseudomonas, Pelodictyon, Clathrochloris.
Para la bioremediación de la toxicidad de H2S, las bacterias que pertenecen a Chromatiaceae y Chlorobiaceae pueden ser cultivados en masa y pueden ser aplicados como probióticos en los estanques. Siendo autotróficos y fotosintéticos, su cultivo en masa es más económico y los organismos cultivados pueden ser absorbidos en la arena y aplicados para que ellos puedan alcanzar el fondo del estanque para enriquecer el hipolimnion y mitigar la toxicidad de H2S (Singh y Radica 2001).
Investigación de microbios para su utilización como bioremediadores
Los microorganismos Gram positivo y Gram negativo han sido probados por su eficacia como bioremediadores en acuicultura en varios trabajos. Bacillus es el organismo más usado, seguido por las Aeromonas y Pseudomonas.
Productos comerciales
Los bioremediadores disponibles comercialmente en el mercado pueden incluir nitrificadores bacterias azufrosas, Bacillus sp. y Pseudomonas sp.
Conclusión
Existen varios productos comerciales que se promocionan para ser usados en la acuicultura, con la finalidad de limpiar el fondo del estanque, manteniendo la calidad del agua y mejorando la salud del camarón, particularmente en la acuicultura intensiva. El rol de las bacterias benéficas para controlar patógenos son importantes en acuicultura, especialmente a la luz del incremento en el número de cepas de bacterias resistentes a los antibióticos, estrictas regulaciones gubernamentales de protección al ambiente y costo-efectividad. La gestión de la ecología microbiana del estanque en un área donde la investigación aplicada puede conducir a hallazgos importantes para mejorar la productividad y la “simpatía” ambiental de la industria del cultivo de camarón en todo el mundo, particularmente en vista de los recientes impactos ambientales negativos del cultivo de camarón.
Parece ser que el uso de los bioremediadores se incrementará gradualmente y el éxito de la acuicultura en el futuro puede ser sinónimo con el éxito del bioremediador que, si es validado a través de rigurosas investigaciones científicas, puede probar ser una bendición para la industria de la acuicultura.
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* R. Philip is Senior Lecturer and S.P. Antony is Junior Research Fellow at the Department of Marine Biology, Microbiology and Biochemistry, Cochin University of Science and Technology, Kochi-682 016, India.
Corresponding authors: R. Philip.
Email: rose@cusat.ac.in
