پیشگفتار
صنعت آبزی‌پروری (پرورش ماهی، میگو و سایر آبزیان) یکی از سریع‌ترین صنایع غذایی در حال رشد در جهان است. با افزایش جمعیت و نیاز به منابع پروتئینی پایدار، این صنعت با چالش‌های متعددی مانند تأمین اکسیژن کافی برای آبزیان در تراکم‌های بالا، کنترل بیماری‌های ویروسی و باکتریایی بدون استفاده بیش از حد از آنتی‌بیوتیک‌ها، تصفیه فاضلاب حاوی مقادیر بالای نیتروژن، فسفر و مواد آلی و کاهش هزینه‌های تولید و افزایش بهره‌وری مواجه است.
در سال‌های اخیر، فناوری نانوحباب به‌عنوان یک راه‌حل نوین و مؤثر در آبزی‌پروری مطرح شده است. فناوری نانوحباب به‌عنوان یکی از راهکارهای نوین در آبزی‌پروری، با بهبود اکسیژن‌رسانی، تصفیه کارآمد آب در گردش و کنترل عوامل بیماری‌زا، پتانسیل افزایش چشمگیر تولید و پایداری زیست‌محیطی مزارع را فراهم می‌کند. در این مقدمه، مبانی علمی نانوحباب‌ها و نقش آنها در سه محور «افزایش تولید»، «تصفیه آب در گردش» و «کنترل بیماری‌ها» مرور می‌شود.
این کتابچه، به‌طور کامل به سه حوزه اصلی کاربرد نانوحباب در آبزی‌پروری شامل بهبود برداشت و افزایش بهره‌وری با استفاده از نانوحباب‌های اکسیژن و هوا، تصفیه فاضلاب آبزی‌پروری با استفاده از نانوحباب‌ها و کنترل بیماری‌ها و بهبود سیستم ایمنی آبزیان به ویژه ماهیان سردابی بر اساس منابع علمی منتشر شده پرداخته است.
فصل اول: نانوحباب چیست و چرا در آبزی‌پروری اهمیت دارد؟
تعریف نانوحباب
نانوحباب، حباب‌های بسیار ریز گاز در آب است که معمولاً اندازه‌ای در مقیاس نانو دارند و به‌دلیل کوچک بودن، مدت طولانی‌تری در آب باقی می‌مانند و سطح تماس بسیار بالایی ایجاد می‌کنند. در آبزی‌پروری، این ویژگی باعث می‌شود انتقال اکسیژن مؤثرتر شود، کیفیت آب بهتر بماند و فشار تنفسی و استرس آبزیان کاهش یابد. نانوحباب‌ها، حباب‌های گازی با قطر کمتر از ۱ میکرومتر (معمولاً ۵۰–۵۰۰ نانومتر) هستند و برخلاف حباب‌های معمولی به سطح نمی‌آیند. بنابراین برای انتقال گازهایی مثل اکسیژن، هوا یا حتی ازن در سیستم‌های پرورش ماهی و مدار بسته بسیار مفیدتر هستند. برای مقایسه در جدول ذیل، ویژگی‌های انواع حباب‌ها آورده شده است:
جدول 1 : مقایسه انواع نانوحباب از نظر اندازه و ویژگی‌ها
| نوع حباب | قطر | ویژگی‌ها |
| حباب درشت (Macrobubble) | ۱۰۰ تا ۲۰۰۰ میکرومتر | سریع به سطح آب می‌رود، ماندگاری کم |
| میکروحباب (Microbubble) | ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر | ماندگاری متوسط، قابل مشاهده با چشم غیرمسلح (کدری آب) |
| نانوحباب (Nanobubble) | کمتر از ۱ میکرومتر | ماندگاری بسیار طولانی (روزها تا ماه‌ها)، شفاف، حرکت براونی |
ویژگی‌های منحصربه‌فرد نانوحباب
۱. ماندگاری طولانی: به‌دلیل اندازه بسیار کوچک و بار منفی سطحی، نانوحباب‌ها برای روزها و حتی هفته‌ها در آب باقی می‌مانند.
۲. انتقال جرم بالا: سطح تماس بسیار زیاد نانوحباب‌ها با آب، باعث انتقال بسیار مؤثر گاز (اکسیژن، ازن، هیدروژن و …) به آب می‌شود.
۳. تولید رادیکال‌های آزاد: نانوحباب‌ها می‌توانند در اثر فروپاشی، رادیکال‌های هیدروکسیل (•OH) و سایر گونه‌های اکسیژن فعال یاROS تولید کنند که خاصیت ضدعفونی‌کنندگی دارند.
۴. بار سطحی قابل تنظیم: بار الکتریکی سطح نانوحباب‌ها را می‌توان با تغییر pH یا افزودن مواد شیمیایی تنظیم کرد.
شکل 1: تاثیرات کلی نانوحباب‌ها بر آبزی پروری
فصل دوم: نانوحباب برای افزایش تولید و برداشت در آبزی‌پروری
نانوحباب یکی از فناوری‌های نوظهور و بسیار مهم در آبزی‌پروری است، زیرا می‌تواند اکسیژن را با راندمان بالا در آب حل کند، کیفیت آب را پایدار نگه دارد و در نهایت ظرفیت تولید و برداشت را افزایش دهد. شواهد و گزارش‌های صنعتی و علمی نشان می‌دهند که این فناوری به‌ویژه در سیستم‌های پرورش ماهی و RAS می‌تواند بازده انتقال اکسیژن را بهبود دهد، آمونیاک را کاهش دهد و تلفات را کم کند.
آبزی‌پروری در دهه‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین منابع تأمین پروتئین در جهان تبدیل شده است، اما این صنعت هم‌زمان با چالش‌هایی مانند کمبود اکسیژن محلول، تجمع آمونیاک، نوسان کیفیت آب، شیوع بیماری‌ها و هزینه بالای انرژی روبه‌روست. در چنین شرایطی، هر فناوری که بتواند کیفیت محیط پرورش را پایدارتر کند، مستقیماً بر رشد، بقا و در نهایت برداشت نهایی اثر می‌گذارد. در پرورش ماهی، پایداری اکسیژن و توزیع یکنواخت آن اهمیت زیادی دارد. نانوحباب‌ها به دلیل همین ماندگاری و انتقال بهتر گاز، می‌توانند استرس را کاهش دهند، شرایط تنفسی را بهتر کنند و ظرفیت تولید را افزایش دهند.
۲.۱. افزایش تولید ماهی
مهم‌ترین اثر نانوحباب در افزایش برداشت، بهبود تأمین اکسیژن محلول است. وقتی اکسیژن به‌صورت پایدار و یکنواخت در تمام ستون آب توزیع شود، ماهی‌ها انرژی کمتری برای تنفس و سازگاری صرف می‌کنند، خوراک را بهتر مصرف می‌کنند و ضریب تبدیل غذایی بهبود می‌یابد؛ این یعنی رشد بیشتر در واحد زمان و امکان برداشت بالاتر از هر مترمکعب آب. اکسیژن محلول یا DO، یکی از حیاتی‌ترین پارامترها در پرورش ماهی است. کاهش اکسیژن محلول باعث کاهش رشد و افزایش تلفات، تضعیف سیستم ایمنی و افزایش حساسیت به بیماری‌ها می‌شود.
جدول 2 : نتایج تحقیقات انجام شده در خصوص اثر نانوحباب هوا در پرورش ماهی
| نوع ماهی | نوع نانوحباب | نتیجه |
| ماهی آیو Plecoglossus altivelis | هوا | افزایش ۱٫۶ برابری وزن نهایی |
| قزل‌آلای رنگین‌کمان (Rainbow trout) | هوا | افزایش ۱٫۱۴ برابری وزن نهایی |
| تیلاپیا (Nile tilapia) | هوا | افزایش گلبول‌های قرمز و سفید خون (نشان‌دهنده سلامت بیشتر) |
| ماهی هامور (Grouper) | هوا | افزایش معنی‌دار وزن نهایی، نرخ رشد ویژه و بهره‌وری |
محققان ژاپنیEbina et al., 2013) ) نیز با استفاده از نانوحباب هوا در سیستم پرورش، موفق به افزایش اکسیژن محلول در دسترس ماهی شدند و در نتایج نهایی ایشان، وزن نهایی ماهی آیو ۱۲۷ درصد بیشتر از گروه شاهد و وزن نهایی قزل‌آلای رنگین‌کمان ۳۷ درصد بیشتر از گروه شاهد شد.
نکته مهم درخصوص استفاده از نانوحباب هوا این است که برخلاف اشباع بیش از حد اکسیژن یا نیتروژن در زمانی که این گازها تحت فشار در آب حل شده باشند و باعث بیماری حباب گازی در ماهی می‌شوند، در مطالعات ثبت شده، استفاده از نانوحباب هوا با اینکه 78 درصد هوا را نیتروژن تشکیل داده است، هیچ عارضه جانبی در ماهی ایجاد نکرده است.
نانوحباب‌ها فقط یک ابزار هوادهی نیستند؛ آنها محیط زیست کل سیستم را بهبود می‌دهند. در برخی منابع، بر نقش آنها در تولید گونه‌های فعال اکسیژن و کمک به کاهش بار میکروبی و عوامل بیماری‌زا اشاره شده است، هرچند شدت این اثر بسته به نوع گاز، دوز، طراحی سیستم و شرایط آب متغیر است که در ادامه شرح داده خواهد شد.
در گزارش‌های منتشرشده از کارگاه‌ها و تجربه‌های میدانی، به ایجاد شرایط فوق‌اشباع اکسیژن، توزیع یکنواخت اکسیژن و بهبود کیفیت آب به‌عنوان مزیت‌های کلیدی نانوحباب اشاره شده است. همین عوامل باعث کاهش تلفات و افزایش تولید، به‌ویژه در شرایط بحرانی مانند قطعی برق، کاهش دبی آب یا گل‌آلودگی ناشی از سیلاب می‌شود.
۲.۲. تأثیر بر میکروبیوم روده آبزیان
نانوحباب‌ها بسته به نوع گاز و شرایط مصرف می‌توانند میکروبیوم روده ماهی و میگو را به‌صورت غیرمستقیم تغییر دهند؛ در مطالعات انجام شده در سرتاسر جهان، نانوحباب اکسیژن عموماً اثرات خنثی تا مفید بر تنوع میکروبی روده نشان داده، در حالی‌که نانوحباب ازن بیشتر با کاهش باکتری‌های فرصت‌طلب و تغییر ترکیب میکروبی همراه بوده است.
مکانیسم‌های اصلی اثر نانوحباب بر میکروب‌های روده به صورت زیر است:
1- افزایش اکسیژن محلول آب و محیط روده که آب را به سمت شرایط پایدارتر می‌برد و می‌تواند به نفع باکتری‌های مفید و پایداری اکوسیستم روده باشد.
2- کاهش بار میکروب‌های غیرمفید محیط به‌ویژه در نانوحباب ازن، به علت خاصیت اکسیدکنندگی، تعداد باکتری‌های بیماری‌زا یا فرصت‌طلب در آب و گاهی در روده کاهش می‌یابد.
3- نانوحباب‌ها با کاهش استرس و بهبود سلامت میزبان، باعث تغییر میکروبیوم روده می‌شوند. وقتی ماهی یا میگو استرس کمتری دارد، ترکیب میکروبیوم روده هم معمولاً پایدارتر می‌شود.
در کل اگر هدف حفظ تعادل میکروبیوم و بهبود سلامت عمومی باشد، نانوحباب اکسیژن معمولاً گزینه ملایم‌تر و ایمن‌تری است و اگر هدف کاهش بار عوامل بیماری‌زا، مخصوصاً Vibrio باشد، نانوحباب ازن در آب، شمار باکتری‌ها را سریع‌تر از نانوحباب اکسیژن پایین می‌آورد و برای کنترل بار میکروب‌های غیر مفید مؤثرتر است ولی باید ملاحظات استفاده از ازن در آبزی‌پروری را رعایت نمود و دوز، زمان تماس و گونه پرورشی با دقت بیشتری مدیریت شود تا به میکروبیوم مفید آسیب نزند.
Xu و همکاران در سال 2022 نشان دادند که نانوحباب هوا باعث افزایش باکتری‌های مفید در روده میگو شده که این تغییرات میکروبی باعث کاهش نیاز به آنتی‌بیوتیک‌ها و کاهش خطر بیماری شده است که در این خصوص در فصل چهارم به شکل گسترده بحث خواهد شد.
۲.3. ارزیابی اقتصادی
ارزیابی اقتصادی استفاده از فناوری نانوحباب در پرورش آبزیان نشان می‌دهد که این فناوری، با کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش تولید قابل فروش، در بسیاری از سناریوها دارای دوره بازگشت سرمایه کوتاه و نرخ سود مناسبی است و می‌تواند جایگزین توسعه فیزیکی مزارع برای افزایش تولید باشد. باید در نظر داشت که افزایش برداشت فقط به معنی رشد سریع‌تر نیست؛ بلکه باید به معنی کاهش تلفات، مصرف بهینه خوراک (کاهش FCR)، استفاده بهتر از آب و انرژی، امکان افزایش تراکم در واحد حجم، کاهش استرس، کاهش هزینه‌های درمان و اصلاح کیفیت آب نیز باشد. بر اساس گزارش‌های منتشرشده، استفاده از فناوری نانوحباب می‌تواند امکان افزایش چشمگیر تولید سالانه را میسر نماید. مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از نانوحباب در پرورش آبزیان از نظر اقتصادی بسیار مقرون‌به‌صرفه است. نانوحباب نه‌تنها باعث افزایش بهره‌وری می‌شود، بلکه از نظر اقتصادی نیز بسیار توجیه‌پذیر است که در ذیل به تفصیل آورده شده است.
به‌طور کلی، ارزش اقتصادی سیستم نانوحباب زمانی محقق می‌شود که صرفه‌جویی در هزینه‌ها و افزایش درآمد ناشی از تولید بیشتر، از هزینه خرید، نصب و بهره‌برداری سامانه‌های نانوحباب پیشی بگیرد و در بازه‌ای منطقی (مثلاً کمتر از ۲–۳ سال) بازگشت سرمایه حاصل شود .
بر اساس گزارش پایگاه خبری فناوری نانو ایران، مقایسه کلان در سطح ملی نشان می‌دهد که اگر هدف، دو برابر کردن تولید آبزیان باشد، توسعه فیزیکی مزارع (دو برابر کردن تعداد استخرها) نیازمند سرمایه‌گذاری کلانی است، در حالی که استفاده از سامانه نانوحباب برای رسیدن به همان افزایش تولید، تنها به حدود ۲۰ درصد آن سرمایه‌گذاری نیاز دارد. این نسبت، نشان‌دهنده جذابیت اقتصاد کلان نانوحباب به‌عنوان جایگزین توسعه فیزیکی است.
در بسیاری از مزارع که از اکسیژن خالص استفاده می‌کنند، هزینه اکسیژن یکی از بزرگ‌ترین هزینه‌های جاری است. مطالعه موردی شرکت Trident Bubble Technologies نشان می‌دهد که نصب سیستم نانوحباب در تانک‌های ۴۰ و ۸۰ مترمکعبی، مصرف اکسیژن را حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد نسبت به سیستم میکروحباب یا سیستم مخروط اکسیژن کاهش داده است؛ به‌گونه‌ای که مصرف در تانک ۴۰ مترمکعبی از حدود ۱۰–۱۵ لیتر در دقیقه به ۵ لیتر در دقیقه و در تانک ۸۰ مترمکعبی از بیش از ۲۵ لیتر در دقیقه به ۱۰ لیتر در دقیقه رسیده است. این کاهش مصرف، به‌طور مستقیم هزینه خرید اکسیژن را کم می‌کند و در سودآوری مزرعه اثر قابل‌توجهی دارد.
نمونه سیستم نانوحباب غوط‌ور Freya در مزارع سالمون نروژ و شیلی نشان داده است که مصرف اکسیژن تا ۴۱ درصد و مصرف انرژی مرتبط با اکسیژن‌رسانی تا ۶۰ درصد کاهش می‌یابد، در حالی که راندمان انتقال اکسیژن بیش از ۸۵ درصد است. این ارقام نشان می‌دهد که نانوحباب، علاوه بر کاهش هزینه اکسیژن، بار مصرف انرژی پمپ‌ها و کمپرسورهای هوادهی را نیز کاهش می‌دهد و در نتیجه هزینه‌های جاری انرژی را پایین می‌آورد.
نانوحباب‌های اکسیژن و ازن با کاهش بار میکروبی و بهبود کیفیت آب، نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها، مواد ضدعفونی‌کننده و داروهای درمانی را کاهش می‌دهند . گزارش‌های میدانی در سامانه‌های مدار بسته یاRAS نشان می‌دهد که با استفاده از نانوحباب، شاخص‌های BOD، کدورت و آمونیاک کاهش یافته و تلفات ناشی از بیماری کاهش می‌یابد که به‌طور غیرمستقیم هزینه درمان و تلفات را کاهش می‌دهد .
یکی از مهم‌ترین شاخص‌های اقتصادی در آبزی‌پروری، ضریب تبدیل غذایی یاFCR است، یعنی نسبت مقدار خوراک مصرفی به وزن زنده تولیدی. مطالعات میدانی گزارش شده در منابع ایرانی نشان می‌دهند که با استفاده از نانوحباب اکسیژن، FCR در برخی مزارع از حدود ۱.۶ به ۱.۰ تا ۱.۱ کاهش یافته است، که به معنای صرفه‌جویی ۲۰ تا۳۰ درصدی در هزینه خوراک است. از آنجا که خوراک معمولاً بزرگ‌ترین سهم را در هزینه‌های جاری دارد، کاهش FCR مستقیماً حاشیه سود را افزایش می‌دهد.
افزون بر این، نانوحباب با افزایش اکسیژن محلول و کاهش استرس، رشد روزانه ماهی را افزایش می‌دهد؛ در برخی گزارش‌ها رشد روزانه از حدود ۱.۱ درصد به ۱.۵ درصد رسیده است. این افزایش رشد باعث می‌شود زمان رسیدن به وزن بازاری کاهش یابد، که دو پیامد اقتصادی دارد: گردش سریع‌تر سرمایه و کاهش مدت زمان در معرض ریسک (بیماری، نوسان قیمت و…) . در پرورش میگو نیز گزارش شده است که نانوحباب‌ها می‌توانند دوره پرورش را حدود ۱۰ تا ۱۵ روز کاهش دهند و نرخ بقا را تا حدود ۹۵ درصد در مرحله پست‌لاروی افزایش دهند .
از منظر درآمد، مزیت اصلی نانوحباب در امکان افزایش تراکم بدون کاهش نرخ بقا و کیفیت محصول است. در برخی مزارع داخلی، استفاده از سامانه نانوحباب در پرورش ماهی منجر به افزایش تراکم تا دو برابر شده است؛ این افزایش تولید، با فرض ثابت بودن سطح و زیرساخت فیزیکی، عملاً دو برابر شدن درآمد بالقوه از فروش محصول را به دنبال دارد.
۲.4. دوره بازگشت سرمایه (ROI):
بر اساس یک تحلیل ارائه‌شده در یک مقاله علمی در سال ۲۰۲۵، دوره بازگشت سرمایه برای دستگاه نانوحباب در سامانه مدار بسته RAS حدود ۷ تا ۹ ماه گزارش شده است . این تحلیل با در نظر گرفتن افزایش رشد روزانه، کاهش FCR، صرفه‌جویی در آب، دارو و ضدعفونی و افزایش تولید خالص انجام شده است . بدین معنی که سرمایه‌گذاری اولیه برای یک دستگاه نانوحباب‌ساز، در یک دوره برداشت (یک سیکل پرورش) می‌تواند از محل افزایش سود عملیاتی بازگردد .
از منظر ROI (نرخ بازده سرمایه‌گذاری)، اگر صرفه‌جویی خوراک و اکسیژن و افزایش وزن قابل فروش به‌گونه‌ای باشد که مثلاً سود خالص مزرعه ۲۰ تا۳۰ درصد نسبت به حالت بدون نانوحباب افزایش یابد، ROI سالانه این فناوری می‌تواند بسیار مناسب باشد، خصوصاً در سیستم‌های متراکم و مدار بسته که اثر نانوحباب بیشتر از سیستم‌های گسترده و نیمه‌متراکم است.
فصل سوم: نانوحباب برای تصفیه فاضلاب آبزی‌پروری
مجموع شواهد موجود نشان می‌دهند که نانوحباب‌ها می‌توانند به‌عنوان یک فناوری مکمل در تصفیه فاضلاب آبزی‌پروری، کارایی حذف مواد آلی، نیتروژن و فسفر را افزایش دهند، پاتوژن‌ها را کاهش دهند و با بهبود هوادهی، شرایط را برای فرایندهای بیولوژیکی و بازاستفاده از پساب در آبزی‌پروری، مطلوب‌تر کنند.
فاضلاب آبزی‌پروری حاوی موارد زیر است:
- نیتروژن کل و فسفر: باعث اتریفیکاسیون (غنی‌شدن) آب‌های پذیرنده می‌شود.
- مواد آلی محلول: باعث کاهش اکسیژن و رشد جلبک‌های مضر می‌شود.
- داروها و آنتی‌بیوتیک‌ها: باعث ایجاد مقاومت آنتی‌بیوتیکی در محیط می‌شود.
- مواد معلق: باعث کدورت و کاهش کیفیت آب می‌شود.
در یک مطالعه تجربی توسط یانگ و همکاران (2024) سیستم تصفیه پساب آبزی‌پروری را با ترکیب نانوحباب ازن و جلبک Nannochloropsis oculata آزمایش کردند و گزارش دادند که این ترکیب اثرات خالص‌سازی بسیار بالایی دارد و حذف COD، نیتروژن کل و فسفر کل را حدود 80 درصد می‌رساند. در این مطالعه، جلبک نقش اصلی را در تصفیه داشت، اما نانوحباب ازن با تغییر دینامیک مواد مغذی و تأثیر بر جوامع باکتریایی، راندمان حذف نیتروژن و فسفر را بهبود بخشید.
کنترل جلبک‌های آب شیرین با نانوحباب ازن، راهکاری نوین برای بهبود کیفیت آب در استخرهای پرورش ماهی به شمار می‌آید. رشد بیش از حد جلبک‌ها در سیستم‌های آبزی‌پروری می‌تواند برای آبزیان بسیار مضر باشد و باعث کاهش شدید اکسیژن محلول در شب (به‌دلیل تنفس جلبک‌ها)، نوسانات شدید pH (به‌دلیل تغییرات دی‌اکسیدکربن)، تولید سموم توسط برخی گونه‌های جلبکی (مانند سیانوباکتری‌ها) و مرگ و میر گسترده آبزیان شود.
روش‌های سنتی کنترل جلبک، مانند استفاده از سولفات مس، اگرچه مؤثر هستند، اما معایب قابل‌توجهی دارند مثلاً تجمع مس در زنجیره غذایی و خاک، سمیت برای آبزیان (به‌ویژه سخت‌پوستان) و آلودگی محیط زیست
در سال‌های اخیر، فناوری ازن به‌عنوان یک روش جایگزین و سازگار با محیط زیست برای کنترل جلبک‌ها مطرح شده است.
جدول 3: مقایسه انواع روش‌های کنترل جلبک در استخرهای پرورش ماهی
| روش | مزایا | معایب |
| سولفات مس | ارزان، مؤثر | تجمع در محیط، سمیت برای آبزیان، غیرقابل استفاده در استخرهای پرورش میگو |
| پراکسید هیدروژن | تجزیه به آب و اکسیژن | عمدتاً علیه سیانوباکتری‌ها مؤثر است، نه همه جلبک‌ها |
| اولتراسونیک (فراصوت) | بدون مواد شیمیایی | نیاز به عمق کافی آب (بیش از ۰٫۸-۱ متر)، هزینه بالا |
| ازن (O₃) | مؤثر، تجزیه به اکسیژن که برای آبزی پروری مفید است، بدون باقیمانده | نیاز به تجهیزات، غلظت بالا سمی است |
Him Ng و همکاران در سال 2023 یک مطالعه مقایسه‌ای درخصوص تاثیر هوادهی، نانوحباب هوا و نانوحباب ازن بر روی میزان جلبک‌ها در آب پرورش ماهی کشور هنگ کنگ انجام دادند. در نتایج مطالعه ایشان، استفاده از هوادهی و نانوحباب هوا باعث افزایش میزان جلبک‌ها شده بود و میزان اکسیژن آب نیز تغییر زیادی نداشت ولی استفاده از نانوحباب ازن باعث کاهش شدید حدوداً 96 درصدی جلبک‌ها و افزایش 196 درصدی اکسیژن آب شده بود.
شکل 2: نقش‌های بالقوه نانوحباب‌ها در تصفیه فاضلاب
۳.۱. تخریب آنتی‌بیوتیک‌ها با نانوحباب
آنتی‌بیوتیک‌ها از جمله آلاینده‌های نوظهور در آب‌های سطحی، زیرزمینی و فاضلاب‌ها هستند که از راه‌های مختلفی مانند پساب بیمارستان‌ها، فاضلاب خانگی و به‌ویژه فاضلاب واحدهای دامداری و آبزی‌پروری وارد محیط می‌شوند. حضور این ترکیبات حتی در غلظت‌های پایین می‌تواند منجر به ایجاد مقاومت آنتی‌بیوتیکی در باکتری‌ها، اختلال در اکوسیستم‌های آبی و خطرات بالقوه برای سلامت انسان شود. روش‌های متداول تصفیه بیولوژیکی اغلب در حذف کامل این ترکیبات ناتوان‌اند، بنابراین نیاز به فرایندهای پیش‌تصفیه یا تصفیه تکمیلی مانند اکسیداسیون پیشرفته AOPs)) احساس می‌شود. نانوحباب‌ها، به‌ویژه نانوحباب‌های ازن، به‌عنوان یک فناوری پیش‌اکسیداسیون مؤثر برای تخریب آنتی‌بیوتیک‌ها در آب و فاضلاب شناخته می‌شوند. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که سیستم‌های مبتنی بر نانوحباب ازن می‌توانند آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند تتراسایکلین و اکسی‌تتراسایکلین را با راندمان بالا و در زمان کوتاه تجزیه کنند و سمیت آنها را کاهش دهند. نانوحباب‌ها کارایی انتقال جرم ازن به آب را افزایش می‌دهند و در لحظه فروپاشی، گونه‌های فعال اکسیژن یا ROS مانند رادیکال هیدروکسیل (–OH) و سوپراکسید و حتی اکسیژن رادیکال تولید می‌کنند که عامل اصلی تخریب آلاینده‌های آلی پایدار از جمله آنتی‌بیوتیک‌هاست. نانوحباب‌های ازن به‌عنوان یک گزینه برای ضدعفونی و بهبود کیفیت آب معرفی شده‌اند. ازن به‌خودی‌خود اکسیدکننده قوی است، اما در قالب نانوحباب زمان تماس بیشتر و انتقال جرم بالاتری پیدا می‌کند و این موضوع راندمان تصفیه و گندزدایی را افزایش می‌دهد. مطالعات نشان داده‌اند که علاوه بر حذف خود آنتی‌بیوتیک، سمیت پساب و غلظت محصولات میانی خطرناک نیز کاهش می‌یابد.
۳.2. تأثیر بر گرفتگی غشا:
گزارش‌های مروری نشان می‌دهند که نانوحباب‌ها در تصفیه آب و فاضلاب به‌عنوان یک فناوری سبز، هم برای بهبود کیفیت آب و هم برای کاهش گرفتگی تجهیزات (از جمله غشاها) کاربرد دارند. در سیستم‌های تصفیه و بازچرخانی آب آبزی‌پروری (مانند سیستم RAS)، گرفتگی غشاء میکروفیلترها، یکی از محدودیت‌های اصلی است که باعث کاهش راندمان و افزایش هزینه‌هاست. حضور مواد آلی، کلوئیدها، ذرات معلق و بیوفیلم‌ها که همگی ناشی از فضولات ماهی هستند، باعث مسدود شدن غشاء میکروفیلتر می‌شوند. وجود نانوحباب‌ها در آب می‌تواند بار کلوئیدی و معلق ورودی به غشا را کاهش دهد، تشکیل بیوفیلم و رسوب‌های آلی/غیرآلی روی سطح غشا را کندتر کند و پایداری عملکرد غشا را در طول زمان افزایش و هزینه‌های عملیاتی (شست‌وشو، توقف، تعویض غشا) را کم کند. نانوحباب‌ها با ایجاد جریان تلاطمی و نیروی برشی روی سطح غشا، از چسبیدن آلاینده‌ها جلوگیری کرده و عمر غشا را افزایش می‌دهند.
شکل 3: کاهش گرفتگی غشا با نانوحباب
۳.3. حذف آمونیاک، نیتریت و نیترات با نانوحباب
در سیستم‌های پرورش آبزیان، آمونیاک عمدتاً از تجزیه فضولات ماهی و غذای مصرف‌نشده تولید می‌شود. آمونیاک (به‌ویژه فرم غیر یونیزهNH₃ ) برای ماهی‌ها بسیار سمی است و باعث استرس تنفسی، کاهش رشد، آسیب بافتی و در غلظت‌های بالا باعث تلفات می‌شود. نیتریت نیز از واسطه‌های چرخه نیتروژن است و بسیار سمی است، در حالی که نیترات معمولاً سمیت کمتری دارد اما در غلظت‌های بالا می‌تواند باعث استرس مزمن، کاهش کیفیت آب و مشکلات مدیریتی شود.
کنترل این ترکیبات معمولاً بر پایه نیتریفیکاسیون (تبدیل آمونیاک به نیتریت و نیترات توسط باکتری‌های نیتریفایر) و در برخی موارد دنتریفیکاسیون (تبدیل نیترات به گاز نیتروژن) انجام می‌شود. هر فناوری که بتواند این فرایندهای زیستی را تقویت یا تسهیل کند، می‌تواند به کاهش بار نیتروژنی کمک کند.
نانوحباب‌ها (به‌ویژه نانوحباب‌های هوا، اکسیژن و ازن) می‌توانند به‌عنوان یک فناوری مکمل در حذف آمونیاک، نیتریت و نیترات از آب و فاضلاب آبزی‌پروری عمل کنند. گزارش‌های میدانی و مرورهای فنی نشان می‌دهند که استفاده از این فناوری نه‌تنها اکسیژن محلول را افزایش می‌دهد، بلکه می‌تواند غلظت آمونیاک و ترکیبات نیتروژنی را تا حد زیادی کاهش دهد و کیفیت آب را برای پرورش ماهی بهبود بخشد.
چندین گزارش فنی و میدانی در ایران نشان داده‌اند که استفاده از دستگاه‌های نانوحباب در استخرهای پرورش ماهی توانسته هم‌زمان اکسیژن محلول را تأمین و میزان آمونیاک را تا حد زیادی کاهش دهد. در یک گزارش بررسی کاربرد نانوحباب در ماهیان خاویاری و قزل‌آلا، عنوان شده که این فناوری توانسته اکسیژن محلول را تأمین و آمونیاک را تا حد زیادی کاهش دهد؛ این موضوع برای افزایش بقا و رشد اهمیت مستقیم دارد، چون آمونیاک بالا یکی از عوامل کاهش اشتها، بروز استرس و افزایش تلفات است. آمونیاک و نیتریت، سمی‌ترین ترکیبات نیتروژنی برای آبزیان هستند. نانوحباب‌ها با افزایش اکسیژن محلول، فرآیند نیتریفیکاسیون (تبدیل آمونیاک به نیترات توسط باکتری‌ها) را تسریع می‌کنند.
شکل4: عملکرد نیتریفیکاسیون با هوادهی نانوحباب
۳.4. حذف آمونیاک در سیستم RAS
در سیستم‌های آبزی‌پروری با گردش آب (RAS)، حذف کارآمد آمونیاک حیاتی است، زیرا آمونیاک غیر یونیزه (NH₃) حتی در غلظت‌های پایین برای ماهیان سمی است و می‌تواند باعث کاهش رشد، استرس فیزیولوژیک و تلفات شود. در ادامه، منابع تولید آمونیاک، مکانیسم‌های حذف و راهکارهای عملی در RAS بر اساس منابع علمی مرور می‌شود.
منابع تولید آمونیاک در RAS منبع اصلی آمونیاک در سیستم‌های آبزی‌پروری، دفع نیتروژنی آبزیان است؛ ماهیان برای کسب انرژی و تولید بافت، پروتئین‌ها و اسیدهای آمینه را متابولیزه کرده و آمونیاک را از طریق آبشش‌ها و فضولات دفع می‌کنند. علاوه بر این، تجزیه باقیمانده خوراک و مواد آلی معلق نیز به تولید آمونیاک (NH₃) و یون آمونیوم (NH₄⁺) منجر می‌شود. در سیستم‌های مدار بسته با تراکم بالا، این بار نیتروژنی می‌تواند به‌سرعت تجمع یابد و در صورت عدم مدیریت، کیفیت آب را به‌شدت تخریب کند.
فرم‌های آمونیاک و سمیت آمونیاک در آب به دو فرم وجود دارد:
آمونیاک غیر یونیزه (NH₃): فرم سمی و بسیار خطرناک برای آبزیان که به‌راحتی از غشاهای سلولی عبور کرده و باعث اختلالات متابولیک و تنفسی می‌شود.
یون آمونیوم (NH₄⁺): فرم یونیزه که نسبتاً سمیت کمتری دارد.
نسبت NH₃ به NH₄⁺ به pH و دمای آب بستگی دارد؛ با افزایش pH و دما، سهم NH₃ سمی افزایش می‌یابد. بنابراین، کنترل pH و دما در کنار حذف آمونیاک، برای کاهش سمیت ضروری است.
مکانیسم‌های اصلی حذف آمونیاک در RAS:
۱. فیلتراسیون بیولوژیکی (نیتریفیکاسیون) اصلی‌ترین روش حذف آمونیاک در RAS، فرآیند نیتریفیکاسیون در فیلترهای بیولوژیکی است. در این فرآیند، باکتری‌های نیتریت‌ساز (مانند نیتروزوموناس) آمونیاک را به نیتریت (NO₂⁻) و سپس باکتری‌های نیترات‌ساز (مانند نیتروباکتر) نیتریت را به نیترات (NO₃⁻) اکسید می‌کنند. نیترات سمیت بسیار کمتری نسبت به آمونیاک و نیتریت دارد و برای ماهیان قابل تحمل‌تر است.
شرایط بهینه برای نیتریفیکاسیون عبارتند از:
اکسیژن محلول کافی: میزان اکسیژن در ورودی فیلتر بیولوژیکی باید حدود ۵–۶ میلی‌گرم بر لیتر باشد تا باکتری‌های هوازی به‌خوبی فعالیت کنند.
pH قلیایی ملایم: pH آب باید کمی بیش از ۷ (به سمت قلیایی) باشد تا فعالیت باکتری‌های نیتریت‌ساز و نیترات‌ساز بهینه شود.
سطح کافی مدیا: فیلترهای بیولوژیکی باید دارای مدیای مناسب (مانند بیوبال، سنگ‌های متخلخل یا پلاستیک‌های مشبک) با سطح ویژه بالا برای چسبیدن و رشد باکتری‌ها باشند.
2. حذف فیزیکی و مکانیکی ذرات قبل از ورود آب به فیلتر بیولوژیکی، ذرات معلق و مواد آلی باید با فیلتراسیون مکانیکی (مانند درام فیلتر) حذف شوند. این کار بار آلی ورودی به فیلتر بیولوژیکی را کاهش داده و از تجمع مواد آلی که می‌توانند به آمونیاک تبدیل شوند، جلوگیری می‌کند. همچنین، تخلیه منظم لجن و رسوبات از کف مخازن و فیلترها، از تولید ثانویه آمونیاک جلوگیری می‌کند.
3. تبادل یونی با زئولیت: زئولیت‌ها مواد معدنی طبیعی یا مصنوعی با خاصیت تبادل یونی بالا هستند که می‌توانند یون آمونیوم (NH₄⁺) را از آب جذب کنند. زئولیت کلینوپتیلولیت، به‌طور تئوری قادر است تا ۱۰ برابر وزن خود آمونیوم جذب کند و در شرایط خاص تا ۲۸۷۰ میلی‌گرم آمونیوم به ازای هر گرم زئولیت جذب نماید. این روش به‌ویژه در مواقع اضطراری یا برای کنترل کوتاه‌مدت آمونیوم مفید است، اما ظرفیت زئولیت محدود است و نیاز به احیا یا تعویض دوره‌ای دارد.
4. اکسیداسیون شیمیایی با ازن (O₃) یک اکسیدکننده قوی است که می‌تواند آمونیاک را به نیتریت و نیترات اکسید کند. مطالعات نشان داده‌اند که ازن در حذف آمونیاک مؤثر است و آمونیاک را در مدت کوتاه‌تری نسبت به نیتریت اکسید می‌کند. به‌عنوان مثال، در یک مطالعه، به ازای حذف ۱.۸ میلی‌گرم بر لیتر آمونیاک با ازن‌زنی، تنها ۰.۳ میلی‌گرم بر لیتر نیتریت تولید شد که کمتر از ۱۷ درصد کل غلظت آمونیاک ورودی بود. با این حال، ازن‌زنی باید با دقت کنترل شود تا از تولید بیش‌ازحد نیتریت و آسیب به آبزیان جلوگیری شود.
فناوری نانوحباب با بهبود هوادهی، افزایش اکسیژن محلول و تسهیل اکسیداسیون مواد آلی، می‌تواند به‌طور غیرمستقیم به حذف آمونیاک کمک کند. نانوحباب‌ها با افزایش راندمان انتقال اکسیژن، فعالیت باکتری‌های نیتریت‌ساز و نیترات‌ساز را در فیلترهای بیولوژیکی تقویت کرده و فرآیند نیتریفیکاسیون را تسریع می‌کنند. همچنین، نانوحباب‌های ازن با اکسید کردن مستقیم آمونیاک و کاهش بار میکروبی، می‌توانند به کاهش غلظت آمونیاک در آب کمک کنند. گزارش‌های پایلوت نشان می‌دهند که استفاده از نانوحباب منجر به کاهش آمونیاک، بهبود شفافیت آب و افزایش سلامت و رشد ماهی‌ها شده است.
باید گفت که حذف کارآمد آمونیاک در سیستم‌های RAS نیازمند ترکیبی از روش‌های بیولوژیکی (نیتریفیکاسیون)، فیزیکی (فیلتراسیون مکانیکی و تبادل یونی با زئولیت)، شیمیایی (ازن‌زنی) و مدیریتی (کاهش ورودی نیتروژن، تعویض آب و پایش مداوم) است.
جدول 4: نتیجه مطالعه Subhan و همکاران (2021) بر روی تاثیر استفاده از نانوحباب هوا و اکسیژن بر حذف آمونیاک از سیستم پرورش لارو گربه ماهی
| نوع نانوحباب | میزان حذف آمونیاک در مدت ۴۵ دقیقه |
| نانوحباب هوا | ۶۲ تا ۶۷ درصد |
| نانوحباب اکسیژن | ۷۰ تا ۸۳ درصد |
فصل چهارم: نانوحباب برای کنترل بیماری‌ها و بهبود سیستم ایمنی
۴.۱. کنترل باکتری‌های بیماری‌زا
عوامل بیماری‌زا (پاتوژن‌ها) یکی از اصلی‌ترین محدودیت‌های توسعه پایدار آبزی‌پروری محسوب می‌شوند و سالانه خسارت‌های اقتصادی سنگینی به این صنعت وارد می‌کنند. بروز بیماری معمولاً نیازمند هم‌زمانی سه فاکتور عامل بیماری‌زا + میزبان مستعد + محیط مساعد می‌باشد. در این میان، محیط (کیفیت آب و مدیریت مزرعه) بیشترین نقش را در فعال‌سازی یا سرکوب پاتوژن‌ها دارد.
۱. ویبریو پاراهمولیتیکوس Vibrio parahaemolyticus))
Vibrio parahaemolyticus یک باکتری گرم‌منفی، هالوفیل و فرصت‌طلب است که در محیط‌های آبزی‌پروری (به‌ویژه در پرورش میگو و ماهیان دریایی) شایع بوده و عامل مهمی در بیماری‌زایی و تلفات محسوب می‌شود. این باکتری در شرایط استرس‌زا (مانند کمبود اکسیژن، کیفیت پایین آب و تراکم بالا) به‌راحتی تکثیر یافته و باعث شیوع بیماری‌های گوارشی، سپتی‌سمی و تلفات گسترده می‌شود. کنترل مؤثر این باکتری، به‌ویژه در سیستم‌های مدار بسته (RAS) و پرورش میگو، برای کاهش تلفات و نیاز به آنتی‌بیوتیک‌ها حیاتی است
نانوحباب‌های اکسیژن با اکسید کردن مواد آلی (باقیمانده خوراک، فضولات و ذرات معلق)، بار آلی و مواد مغذی مورد نیاز برای رشد Vibrio را کاهش می‌دهند . این اثر، محیط را برای تکثیر باکتری نامناسب کرده و به‌طور غیرمستقیم جمعیت Vibrio parahaemolyticus را محدود می‌کند.
گزارش‌های میدانی از مزارع پرورش ماهی و میگو که از سیستم‌های نانوحباب استفاده کرده‌اند، نشان می‌دهند که این فناوری منجر به کاهش چشمگیر تلفات، بهبود رشد و کاهش نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها شده است. در این مزارع، کاهش بار میکروبی آب، بهبود کیفیت آب و افزایش اکسیژن محلول گزارش شده است که منجر به کاهش شیوع بیماری‌های باکتریایی (از جمله ویبریوز) شده است.
جدول 5: نتایج مطالعات انجام شده در خصوص تاثیر انواع نانوحباب بر حذف باکتری‌های مضر در استخر پرورش ماهی
| نوع نانوحباب | زمان | درصد حذف باکتری |
| نانوحباب اکسیژن | ۷ روز | ۳۱ |
| نانوحباب هوا | ۷ روز | ۵۴ |
| نانوحباب ازن | ۱ دقیقه | ۹۹٫۹۹ |
۲. آروموناس هیدروفیلا Aeromonas hydrophila))
Aeromonas hydrophila یک باکتری گرم‌منفی، هوازی-بی‌هوازی اختیاری و فرصت‌طلب است که در محیط‌های آبزی‌پروری (به‌ویژه در پرورش ماهیان گرم‌آبی و سردآبی) شایع بوده و عامل مهمی در بیماری‌زایی و تلفات محسوب می‌شود. این باکتری در شرایط استرس‌زا (مانند کمبود اکسیژن، کیفیت پایین آب، تراکم بالا و تغییرات دمایی) به‌راحتی تکثیر یافته و باعث شیوع بیماری‌هایی مانند سپتی‌سمی هموراژیک، زخم‌های پوستی، پوسیدگی باله و تلفات گسترده می‌شود. کنترل مؤثر این باکتری، به‌ویژه در سیستم‌های مدار بسته (RAS) و تراکم بالا، برای کاهش تلفات و نیاز به آنتی‌بیوتیک‌ها حیاتی است.
افزایش DO، فعالیت سلول‌های ایمنی (مانند لکوسیت‌ها، ماکروفاژها و لنفوسیت‌ها) را در تولید آنتی‌بادی‌ها، سیتوکین‌ها و سایر مولکول‌های دفاعی کارآمدتر می‌کند و پاسخ ایمنی را در برابر Aeromonas تقویت می‌نماید.
جدول 6: نتیجه مطالعات انجام شده در خصوص تاثیر استفاده از نانوحباب بر میزان بقای ماهی تیلاپیا
| تیمار | نرخ بقای ماهی تیلاپیا (درصد) |
| بدون نانوحباب | ۱۵ تا ۲۵ |
| با نانوحباب اکسیژن | ۷۰ تا ۷۵ |
۳. استرپتوکوکوس آگالاکتیه Streptococcus agalactiae))
این باکتری عامل تلفات گسترده در ماهی تیلاپیا است. در مطالعات انجام شده، نانوحباب ازن در ۱۰ دقیقه توانست ۹۶ درصد از باکتری S. agalactiae و ۹۸ درصد از باکتری A. veronii را حذف کند.
نکته ایمنی: تیمار ۱۰ دقیقه‌ای با نانوحباب ازن برای ماهی بی‌خطر بود، اما تیمار طولانی‌تر باعث قرمزی باله‌ها و رفتار غیرعادی شد. بنابراین، دوز و زمان دقیق بسیار مهم است.
شکل 5 : تاثیر نانوحباب ازن بر حذف باکتری‌های S. agalactiae و A. veronii
۴.۲. کنترل ویروس‌ها
کنترل ویروس‌ها در سیستم‌های پرورش آبزیان به‌دلیل مقاومت بالا، اندازه کوچک و عدم حساسیت به آنتی‌بیوتیک‌ها، چالش‌برانگیز است و نیازمند روش‌های پیشگیری و گندزدایی مؤثر می‌باشد. تأثیر انواع نانوحباب (هوا، اکسیژن و ازن) بر کنترل و حذف ویروس‌ها در آبزی‌پروری، عمدتاً از طریق مکانیسم‌های مستقیم (تخریب ساختار ویروس توسط گونه‌های فعال اکسیژن و ازن) و غیرمستقیم (بهبود کیفیت آب، کاهش استرس و تقویت سیستم ایمنی میزبان) رخ می‌دهد؛ شواهد علمی و گزارش‌های میدانی نشان می‌دهند که فناوری نانوحباب می‌تواند بار ویروسی را کاهش داده و شیوع بیماری‌های ویروسی را محدود کند.
نانوحباب‌های ازن، قوی‌ترین اثر ضدویروسی را در میان انواع نانوحباب دارند. ازن (O₃) یک اکسیدکننده قوی است که با اکسید کردن پروتئین‌های پوششی، لیپیدهای غشایی و اسیدهای نوکلئیک ویروس‌ها، آنها را به‌طور مؤثر غیرفعال می‌کند. نانوحباب‌های ازن، به‌دلیل اندازه بسیار کوچک و سطح تماس گسترده، راندمان انتقال ازن به آب و کارایی ضدعفونی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
۴.۲.۱. نانوحباب هیدروژن برای کنترل ویروس SVCV
Li و همکاران در سال 2022، از نانوحباب هیدروژن برای کنترل ویروسSVCV (عامل بیماری ویرمی بهاره کپور) در ماهی گورخری استفاده کردند که نتیجه مطالعه ایشان در جدول شماره (7) قید شده است.
جدول 7: نتیجه مطالعات انجام شده در خصوص تاثیر استفاده از نانوحباب هیدروژن بر میزان بقای ماهی گورخری
| تیمار | نرخ مرگ‌ومیر تا روز دهم (درصد) |
| بدون نانوحباب | ۸۰ |
| با نانوحباب هیدروژن | ۴۰ (کاهش ۵۰ درصدی) |
مکانیسم: هیدروژن به‌عنوان یک آنتی‌اکسیدان قوی، رادیکال‌های آزاد مضر را خنثی کرده و از آسیب به بافتهای ماهی جلوگیری می‌کند.
شکل 6: آبزی‌پروری پایدار با استفاده از نانوحباب‌ها
۴.۲.۲. نانوحباب اکسیژن و فاژدرمانی
باکتریوفاژها یا به‌اختصار فاژها، ویروس‌هایی هستند که به‌طور اختصاصی باکتری‌ها را آلوده کرده و از بین می‌برند. این ویروس‌ها برای انسان، گیاه و حیوان کاملاً بی‌خطر هستند، به‌طور طبیعی در محیط (آب، خاک و بدن موجودات زنده) وجود دارند، می‌توانند به‌عنوان جایگزین آنتی‌بیوتیک‌ها برای کنترل عفونت‌های باکتریایی استفاده شوند. فاژها از نظر ساختار و رفتار، شباهت زیادی به ویروس‌های بیماری‌زای حیوانات دارند، اما کشت و تکثیر آنها در آزمایشگاه آسان‌تر است، بی‌خطر هستند و نیازی به امکانات ایمنی پیشرفته ندارند.
Dien و همکاران در سال 2022، از نانوحباب اکسیژن برای بررسی چسبندگی فاژهای مفید به بدن ماهی استفاده نمودند و مشاهده کردند که نانوحباب اکسیژن باعث افزایش چسبندگی فاژهای درمانی به بدن ماهی می‌شود.
جدول 8: نتیجه مطالعات انجام شده در خصوص تاثیر استفاده از نانوحباب اکسیژن بر میزان چسبندگی فاژهای درمانی به بدن ماهی
| اندام | افزایش چسبندگی/جذب فاژ |
| مخاط پوست | تا ۲٫۴ برابر |
| آبشش | تا ۱۵ برابر |
| کبد | تا ۴ برابر |
۴.۳. بهبود سیستم ایمنی با نانوحباب ازن
فناوری نانوحباب ازن با ترکیب خاصیت اکسیداتیو قوی ازن و پایداری نانوحباب‌ها در آب، به‌عنوان یک محرک غیرمستقیم سیستم ایمنی در آبزیان عمل می‌کند و با کاهش بار میکروبی، بهبود کیفیت آب و افزایش اکسیژن محلول، شرایط فیزیولوژیکی مطلوبی برای تقویت پاسخ ایمنی ماهیان فراهم می‌آورد. ازن (O₃) یک اکسیدکننده قوی و ضدعفونی‌کننده مؤثر است که توانایی بالایی در غیرفعال کردن باکتری‌ها، ویروس‌ها، قارچ‌ها و سایر عوامل عفونی دارد. در فناوری نانوحباب ازن، گاز ازن در قالب حباب‌هایی با اندازه کمتر از ۲۰۰ نانومتر (معمولاً ۵۰–۲۰۰ نانومتر) وارد آب می‌شود. این اندازه فوق‌العاده کوچک باعث می‌شود ازن به‌شکل مؤثرتری در آب حل شود، سطح تماس بسیار گسترده‌ای با آلاینده‌ها و میکروارگانیسم‌ها داشته و زمان ماندگاری طولانی‌تری در آب داشته باشد. در نتیجه، راندمان انتقال ازن به آب و کارایی ضدعفونی به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.
نانوحباب‌های ازن با اکسید کردن دیواره سلولی باکتری‌ها، غشای ویروس‌ها و قارچ‌ها، آنها را از بین می‌برند و تعداد پاتوژن‌های بیماری‌زا را در آب به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهند. مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از نانوحباب ازن می‌تواند تعداد باکتری‌های بیماری‌زا را بیش از ۹۹ درصد کاهش دهد. این کاهش بار میکروبی، احتمال تماس ماهی با عوامل بیماری‌زا را کم کرده و در نتیجه، سیستم ایمنی ماهی کمتر درگیر پاسخ‌های التهابی مداوم و خستگی ایمنی می‌شود.
نانوحباب‌های ازن با اکسید کردن مواد آلی (باقیمانده خوراک، فضولات ماهی و ذرات معلق)، شاخص‌های BOD، کدورت و آمونیاک را کاهش می‌دهند و کیفیت آب را بهبود می‌بخشند. آب با کیفیت بهتر، استرس اکسیداتیو و فیزیولوژیکی ماهی را کاهش می‌دهد و شرایط مناسبی برای عملکرد بهینه سیستم ایمنی فراهم می‌کند. کاهش استرس، به‌ویژه در سیستم‌های متراکم و مدار بسته، یکی از عوامل کلیدی در تقویت پاسخ ایمنی و افزایش مقاومت ماهی در برابر بیماری‌ها است.
اگرچه نانوحباب ازن به‌طور مستقیم به‌عنوان یک محرک ایمنی (مانند ایمونواستیمولانت‌های خوراکی یا واکسن‌ها) عمل نمی‌کند، اما با کاهش بار میکروبی، بهبود کیفیت آب و افزایش اکسیژن محلول، شرایط فیزیولوژیکی مطلوبی برای تقویت پاسخ ایمنی ذاتی و اکتسابی ماهی فراهم می‌کند. این اثر غیرمستقیم، باعث می‌شود سیستم ایمنی ماهی در حالت آماده‌باش بهتری قرار گیرد و در مواجهه با عوامل بیماری‌زا، پاسخ سریع‌تر و مؤثرتری نشان دهد.
پروژه‌های میدانی در مزارع پرورش ماهی که از سیستم نانوحباب گاز ازن استفاده کرده‌اند، نشان می‌دهند که این فناوری بر شاخص‌های کیفی و کمی و بهداشتی ماهی اثر مثبت دارد. در این پروژه‌ها، کاهش تعداد میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا در آب، بهبود کیفیت آب و افزایش اکسیژن محلول گزارش شده است که منجر به کاهش بیماری‌ها، تلفات و نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها شده است. همچنین، بهبود شرایط بهداشتی در مزارع، باعث کاهش نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها و تقویت سیستم ایمنی طبیعی ماهی شده است.
با وجود مزایای فوق، استفاده از نانوحباب ازن نیازمند رعایت برخی ملاحظات ایمنی و فنی مانند کنترل دقیق دوز ازن، زمان تماس مناسب، تهویه و ایمنی برای انسان و عدم تزریق مستقیم به مخزن حاوی آبزی است.
دوز زیاد ازن می‌تواند به بافتهای ظریف ماهی (به‌ویژه آبشش‌ها) آسیب برساند، زیرا ازن باقیمانده در آب سمی است. بنابراین، دوز ازن باید دقیق تنظیم شود و با تجهیزات سنجش ORP (پتانسیل اکسیداسیون و کاهش) پایش گردد.
زمان تماس ازن با آب باید کنترل شود؛ استفاده طولانی‌مدت یا دوز بالا می‌تواند باعث آسیب به آبزیان شود. استنشاق ازن گازی در مقادیر بالا برای دستگاه تنفسی انسان مضر است، بنابراین سیستم‌های تهویه مناسب باید در نظر گرفته شوند تا از تجمع خطرناک ازن در فضا جلوگیری شود. همچنین ازن نباید مستقیماً وارد محیط آکواریوم یا تانک حاوی ماهی یا میگو شود، بلکه باید در مرحله تصفیه و پیش از ورود به مخزن به خوبی تجزیه شده باشد تا ازن باقیمانده به حیوان آبزی آسیب نرساند. رعایت این ملاحظات، ایمنی و کارایی استفاده از نانوحباب ازن را در پرورش آبزیان تضمین می‌کند.
کاهش بیماری‌ها و تلفات ماهیان با استفاده از نانوحباب ازن، به‌طور مستقیم سودآوری مزرعه را افزایش می‌دهد و هزینه‌های دارویی و درمانی را کاهش می‌دهد. همچنین، کاهش مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها، خطر توسعه مقاومت آنتی‌بیوتیکی را کاهش داده و به حفظ کارایی داروها در آینده کمک می‌کند. از منظر زیست‌محیطی، نانوحباب‌های ازن راه‌حلی سازگار با محیط‌زیست ارائه می‌دهند، زیرا ازن به اکسیژن تجزیه می‌شود و هیچ ترکیب مضری باقی نمی‌گذارد. این ویژگی، نانوحباب ازن را به یک فناوری پایدار و دوستدار محیط‌زیست در آبزی‌پروری تبدیل می‌کند.
Linh و همکاران (2021) نشان دادند که نانوحباب ازن باعث افزایش بیان ژن‌های ایمنی در ماهی تیلاپیا می‌شود.
جدول 9: تاثیر استفاده از نانوحباب ازن بر ژن‌های فعال‌شده ماهی تیلاپیا در مطالعه Linh و همکاران (2021)
| نام ژن | نقش |
| IL-1β | سیتوکین التهابی، فعال‌کننده پاسخ ایمنی |
| IL-2β | سیتوکین تنظیمی، افزایش تکثیر لنفوسیت‌ها |
| TNF-α | فاکتور نکروز تومور، القاکننده پاسخ التهابی |
| LYZ | لیزوزیم، آنزیم ضدباکتریایی |
نتایج بدست آمده شامل افزایش نرخ بقای نسبی ۶۰ تا ۷۰ درصدی در ماهی‌های پیش‌تیمارشده با نانوحباب ازن و کاهش زمان پاسخ ایمنی نسبت به گروه شاهد بود.
۴.۴. اثر نانوحباب بر کاهش مصرف دارو
فناوری نانوحباب با بهبود کیفیت آب، کاهش استرس و افزایش اکسیژن محلول، به‌طور غیرمستقیم و با کاهش بار میکروبی و بیماری‌ها، نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر داروها را در پرورش انواع ماهیان کاهش می‌دهد و راهکاری پایدار برای کاهش مصرف دارو در آبزی‌پروری محسوب می‌شود.
نانوحباب‌ها هنگام فروپاشی (collapse) در آب، رادیکال‌های آزاد مانند هیدروکسیل (OH–) و سایر گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید می‌کنند که خاصیت اکسیداتیو و ضدعفونی‌کنندگی دارند. این رادیکال‌ها قادرند دیواره سلولی باکتری‌ها، غشای ویروس‌ها و قارچ‌ها را تخریب کرده و عوامل بیماری‌زا را از بین ببرند. این فرآیند طبیعی، بدون نیاز به افزودن مواد شیمیایی یا آنتی‌بیوتیک‌ها، بار میکروبی آب و سطوح را کاهش می‌دهد و پیشگیری از بیماری‌ها را تسهیل می‌کند.
نانوحباب‌ها با افزایش راندمان اکسیداسیون، تجزیه مواد آلی (باقیمانده خوراک، فضولات ماهی و ذرات معلق) را تسریع می‌کنند و شاخص‌های BOD، کدورت و آمونیاک را کاهش می‌دهند. این بهبود کیفیت آب، شرایط نامناسب برای رشد باکتری‌ها و قارچ‌های بیماری‌زا را ایجاد کرده و در نتیجه، نیاز به درمان دارویی بیماری‌های قارچی، انگلی و باکتریایی را کاهش می‌دهند. همچنین، کاهش تجمع مواد زائد در کف مخازن، ضایعات زیستی را کم کرده و احتمال شیوع بیماری‌های محیطی را کاهش می‌دهند.
در سیستم‌های مدار بسته (RAS) و نیمه‌بسته، استفاده از نانوحباب باعث می‌شود نیاز به تعویض مکرر آب کمتر شود، زیرا کیفیت آب برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌گردد. این موضوع، نه‌تنها مصرف آب را کاهش می‌دهد، بلکه نیاز به استفاده از مواد شیمیایی ضدعفونی‌کننده (مانند کلر، پرمنگنات، فرمالین و غیره) را نیز پایین می‌آورد. در نتیجه، کل مصرف دارو و مواد شیمیایی در مزرعه کاهش می‌یابد و هم‌زمان، اثرات منفی زیست‌محیطی ناشی از پساب‌های آلوده نیز کمتر می‌شود.
در پرورش قزل‌آلا و سایر ماهیان سردآبی، بیماری‌های باکتریایی (مانند یرسینیوز، فلکسی‌باکتریوز) و قارچی (مانند ساپرولگنیا) از مشکلات شایع هستند که معمولاً با آنتی‌بیوتیک‌ها و ضدقارچ‌ها درمان می‌شوند. گزارش‌های میدانی نشان می‌دهند که استفاده از نانوحباب در مزارع قزل‌آلا، با کاهش استرس، بهبود کیفیت آب و کاهش بار میکروبی، شیوع این بیماری‌ها را محدود کرده و نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، کاهش تلفات و بهبود سلامت عمومی ماهی، منجر به کاهش نیاز به مداخلات دارویی پیشگیرانه و درمانی می‌شود.
در پرورش ماهیان گرم‌آبی مانند کپور و تیلاپیا، بیماری‌های باکتریایی (مانند آئروموناس و ویبریو)، انگلی و قارچی نیز چالش‌های مهمی هستند. مطالعات و گزارش‌های عملی نشان می‌دهند که نانوحباب‌ها با تولید گونه‌های فعال اکسیژن و بهبود کیفیت آب، محیط را برای رشد این عوامل بیماری‌زا نامناسب می‌کنند و در نتیجه، نیاز به مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها و ضد انگل‌ها (مانند پرمنگنات پتاسیم و فرمالین) را کاهش می‌دهند. همچنین، کاهش استرس و بهبود رشد ماهی، مقاومت آنها را در برابر بیماری‌ها افزایش داده و دفعات و شدت شیوع بیماری را کاهش می‌دهد.
مصرف گسترده و مداوم آنتی‌بیوتیک‌ها در آبزی‌پروری، می‌تواند منجر به توسعه مقاومت آنتی‌بیوتیکی در باکتری‌های بیماری‌زا شود که هم برای سلامت آبزیان و هم برای سلامت انسان خطرناک است. کاهش مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها با استفاده از نانوحباب، خطر توسعه مقاومت آنتی‌بیوتیکی را کاهش داده و به حفظ کارایی داروها در آینده کمک می‌کند.
داروهای مصرف‌شده در آبزی‌پروری، از طریق پساب‌ها به محیط‌زیست وارد شده و می‌توانند اکوسیستم‌های آبی را آلوده کنند. کاهش مصرف دارو با استفاده از نانوحباب، آلودگی ناشی از پساب‌های آلوده را کاهش داده و به حفظ اکوسیستم‌های طبیعی کمک می‌کند. همچنین، کاهش تولید ضایعات زیستی و بهبود کیفیت آب، اثرات منفی زیست‌محیطی فعالیت‌های آبزی‌پروری را به حداقل می‌رساند.
فصل پنجم: مروری بر توصیه‌های کاربردی
| حوزه کاربرد | نانوحباب مناسب | تأثیر |
| افزایش برداشت ماهی | هوا یا اکسیژن | افزایش وزن تا ۱۲۷ درصد |
| افزایش برداشت میگو | اکسیژن | افزایش برداشت تا ۲۱۴ کیلوگرم، افزایش ۱۷ درصد نرخ بقا |
| تصفیه فاضلاب (آنتی‌بیوتیک‌ها) | ازن | حذف ۲۰ درصد بیشتر از هوا |
| تصفیه فاضلاب (حذف آمونیاک) | اکسیژن | حذف ۷۰ تا 83 درصد در ۴۵ دقیقه |
| کنترل باکتری‌ها | ازن | حذف ۹۹٫۹۹ درصد در ۱ دقیقه |
| کنترل ویروس‌ها | هیدروژن | کاهش ۵۰ درصد مرگ‌ومیر |
| بهبود سیستم ایمنی | ازن | افزایش بیان ژن‌های ایمنی، نرخ بقا 60 تا 70 درصد |