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贵金属纳米颗粒的微生物合成

白睿 ,  田晓春 ,  王淑华 ,  严伟富 ,  冮海银 ,  肖勇

化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (6) :872-881

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化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (6) :872-881 DOI: 10.7536/PC181017
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贵金属纳米颗粒的微生物合成

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Noble Metal Nanoparticles Produced by Microorganism

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摘要

金属纳米颗粒在材料、催化、医学、环境等众多领域应用广泛,其中,金、银、铂、钯等贵金属的纳米颗粒作为良好的催化剂可提高反应的速率,因此,贵金属纳米颗粒的合成吸引了众多研究者的关注。传统的物理化学法虽能高效、可控地合成贵金属纳米颗粒,但是合成条件苛刻、成本昂贵、且会产生对环境有害的化学物质。因此,探索节能、环保、可持续的绿色合成方法成为纳米合成研究的热点之一。贵金属纳米颗粒的微生物合成法具备绿色合成技术的诸多要素,研究表明某些微生物能将金属盐转化成纳米材料,且微生物繁殖速度快、培养成本低、生长条件温和,从而得到了研究者们的广泛关注。本文归纳总结了目前微生物合成贵金属纳米颗粒的主要研究进展,包括贵金属纳米颗粒可能的合成机制以及尺寸与形貌控制方法,探讨了其在医学、催化、生物传感、环境方面的具体应用,并对贵金属纳米颗粒微生物合成的未来发展进行了展望。

Abstract

Metal nanoparticles have been widely applied in many fields,including materials, catalysis, medicine, environment, etc. Furthermore, nanoparticles from noble metal, such as gold, silver, platinum, palladium, possess the ability of increasing the efficiency of catalytic reaction. Therefore, the synthesis of noble metal nanoparticles by microorganisms has attracted the attention of many researchers. Although traditional physical and chemical methods can synthesize nanoparticles efficiently and controllably, these methods are complicated and expensive, in addition to the wide use of hazardous chemicals. Therefore, exploring energy-saving, environmentally friendly and sustainable green synthesis method for synthesizing nano-materials is continuously attracting interests in this field. The microbial synthesis of noble metal nanoparticles conforms to the requirements of green synthesis technology, and researches have shown that many microorganisms can convert metal ions into nano-materials. Besides, microorganisms can be grown in mild condition cheaply and fast, so microbial synthesis has been widely concerned in the field of nanometer research. This review summarizes progress of microbial synthesis of noble metal nanoparticles, including the possible synthesis mechanisms and the control of size and shape. Meanwhile, the specific applications of microbial sourced nanoparticles in medicine, catalysis, biosensing and environment are discussed, and the future development of microbial nanomaterials synthesis is further prospected.

Graphical abstract

关键词

微生物 / 贵金属 / 纳米颗粒 / 生物合成 / 绿色化学

Key words

microorganism / noble metal / nanoparticles / biosynthesis / green chemistry

引用本文

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白睿, 田晓春, 王淑华, 严伟富, 冮海银, 肖勇. 贵金属纳米颗粒的微生物合成[J]. 化学进展, 2019, 31(6): 872-881 DOI:10.7536/PC181017
Rui Bai, Xiaochun Tian, Shuhua Wang, Weifu Yan, Haiyin Gang, Yong Xiao. Noble Metal Nanoparticles Produced by Microorganism[J]. Progress in Chemistry, 2019, 31(6): 872-881 DOI:10.7536/PC181017

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Contents

1 Introduction

2 Bacterial-mediated synthesis of noble metal nanoparticles

3 Fungal-mediated synthesis of noble metal nanoparticles

4 Cell filtrate mediates the synthesis of noble metal nanoparticles

5 Size and shape control of noble metal nanoparticles

5.1 Ratio of biomass to substrate concentration

5.2 pH

5.3 Temperature

6 Mechanism of microbial synthesis of noble metal nanoparticles

6.1 Bacteria

6.2 Fungi

6.3 Cell fermentation supernatant

7 Application of noble metal nanoparticles

7.1 Medical applications

7.2 Catalytic activity

7.3 Biosensor

7.4 Degradation of contaminants

8 Conclusion

1 引言

贵金属主要指金、银及铂族金属等8种金属元素,它们物理化学性质稳定、具有较高的催化活性,贵金属纳米材料的催化活性更是显著高于常规尺度的贵金属催化剂[1],因此,贵金属纳米材料的合成是纳米材料研究的重要方向。

纳米材料传统合成方法主要包括物理法和化学法。物理法是较早应用于纳米材料合成的方法,其主要采用能量消耗的方式将块状的材料变为纳米尺度的材料,其优点是合成的纳米材料纯度高、形状规则以及粒径均匀,但是该方法的能耗大、产率低、成本高[2, 3];化学法是通过设计化学反应来合成纳米材料,其优点在于合成的纳米材料尺寸均匀,能够用于大规模生产,但是合成过程中大多要使用有毒有害的化学药品,且对操作和反应条件要求较为苛刻[4, 5]。

纳米材料的生物合成是指利用生物活性分子(微生物细胞、植物提取物等)在胞内或胞外自发合成纳米材料的技术,是21世纪初随着生物技术、纳米技术和材料科学等学科交叉而发展起来的。与传统的物理或化学纳米合成技术相比,该方法具有清洁、环境友好和可持续发展的优点,是一种“绿色合成方法”[6,7,8]。2001年Mukherjee等发表了尖孢镰刀霉 Fusarium oxysporum 胞内合成Ag纳米颗粒的生物合成方法,正式提出了纳米材料生物合成的概念[9],此后,纳米材料生物合成技术迅速成为纳米材料研究的一大热点[10,11,12,13]。微生物有着繁殖速度快、成本低廉、易分离培养的优点,也被应用于纳米材料的生物合成研究,如Dameron等在光滑念珠菌Candida glabrata细胞内合成了CdSe半导体微晶[14],Tanja等利用假单胞菌Pseudomonas Stutzeri AG259在胞外合成Ag纳米颗粒(Ag NPs)[8]。

在本文中,我们主要聚焦目前研究最多的真菌、细菌,但同时也关注到这个领域一些新的发展,即利用微生物发酵上清液来合成贵金属纳米颗粒。综述了包括贵金属纳米颗粒可能的合成机制以及其在医学、催化、生物传感、环境方面的具体应用,并对贵金属纳米颗粒微生物合成的未来发展进行了展望。

2 细菌介导的贵金属纳米颗粒的合成

利用细菌来合成贵金属纳米颗粒的相关研究较多,很多细菌细胞具有一定的机制自发形成金属纳米颗粒。我们所熟知的Shewanella oneidensis以及Desulfovibrio vulgaris等菌株都属于细菌,关于它们的研究对生物合成纳米颗粒领域起到了重要的推动作用。在室温和正常大气压条件下,细菌Bacillus subtilis 168能够还原Au3+,在细胞内产生5~50 nm的八面体金纳米颗粒[15]。金属还原菌Cupriavidus metallidurans能够还原Au3+生成金纳米颗粒,在合成的金颗粒上形成富含硫蛋白的生物膜之后,大量Au3+的累积到生物膜上并形成了Au(Ⅰ)以及金单质,分析表明细菌在细胞膜等膜状表面环境中积极促成金颗粒的形成,这种对金特定反应的认识为生物探索和生物加工工具的开发开辟了道路[16]。

银对大多数微生物细胞具有高毒性[17],但是有些细菌对银具有耐受性。假单胞菌Pseudomonas stutzeri AG259能在细胞表面累积银以及硫化银纳米颗粒,积累银的量可以达到生物量干重的25%,透射电子显微镜(TEM),定量能量色散X射线分析(EDX)和X射线衍射(XRD)确定晶体包含至少三种不同类型[18],有研究者将该菌用于矿石材料中回收银。

因铂、钯等贵金属纳米颗粒有着良好的催化效果,其生物合成也备受关注。在28 ℃,中性厌氧条件下,Shewanella oneidensis MR-1菌株能够在细胞表面合成平均粒径为6.2 nm的钯纳米颗粒(图1),而且整个合成过程不到1 h,与化学沉积法生成的钯纳米颗粒相比,生物合成钯纳米颗粒对甲酸的电化学氧化表现出了独特的选择性[19]。Corte等[20]尝试通过改变向含有Shewanella oneidensis MR-1的厌氧培养基中加入Pd(Ⅱ)和Au(Ⅲ)的浓度和顺序,合成独特的合金纳米结构(bio-Pd/Au)以及其他多种生物载体催化剂,最终发现合金纳米结构(bio-Pd/Au)对双氯芬酸和三氯乙烯的脱氯效果较好,前者在24 h内去除了80%左右,后者40 min内被完全降解为乙烷,而其他生物载体催化剂的脱氯效果不佳。

放线菌相比于绝大多数其他细菌,能够分泌较多的蛋白和酶,有着较强的贵金属纳米颗粒合成能力[21],Dehnad等从金矿废水中分离出一株与消化节杆菌Arthrobacter nitroguajacolicus相似度非常高的放线菌,然后利用其合成了平均粒径为40 nm的金纳米颗粒,分离出的菌株可以有效地用于金矿矿山废水的处理[22]。从20多种链霉素中筛选出的极暗黄链霉菌Streptomyces fulvissimus表现出了较强的金纳米颗粒合成能力,通过TEM观察到,形成了球形、三角形等形状的尺寸分布在10~50 nm的金纳米颗粒[21]。

3 真菌介导的贵金属纳米颗粒的合成

真菌作为合成纳米颗粒介质的潜力已得到广泛开发,与细菌相比,真菌更适合大规模生产金属纳米颗粒,因为它们在实验室和工业规模上都很容易生长,并且分泌大量蛋白质,因此在生物合成方法中可能具有更高的纳米颗粒生产率[12]。除此之外,利用真菌可以合成具有良好单分散性且尺寸较为规则的金属纳米颗粒[23]。不同的真菌物种,例如尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、黄萎病菌(Verticillium sp)等具有合成纳米颗粒的良好潜力[24, 25]。

真菌Verticillium luteoalbum可以合成粒径仅为10 nm的金纳米颗粒,另外,将离心后的细胞上清液与氯金酸溶液混合后也可以形成金纳米颗粒[24]。Binupriya等发现曲霉Aspergillus oryzae能在硝酸银溶液中生存,并能合成5~50 nm的银纳米颗粒,同时发现生成银纳米颗粒后的曲霉对金黄色葡萄球菌KCCM 12256有抑菌作用,原因可能是银与氧的结合以及其与细胞壁上的巯基(—SH)基团反应形成了R-S-S-R键,从而阻止细胞呼吸并导致细胞的死亡[26]。另外,真菌还能合成球形的合金纳米颗粒,将氯金酸和硝酸银溶液等比例混合,然后利用Fusarium semitectum可以还原这两种金属离子并生成球形的Au-Ag合金纳米颗粒,通过分析紫外可见光谱(只有一个吸收峰)排除了分离的金属纳米颗粒和核壳结构的可能,形成的颗粒中有92%的粒径处于10~35 nm[27]。

Govender等[28]利用尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum在细胞内和细胞外合成铂纳米颗粒,利用TEM和EDX表征合成的纳米颗粒,发现合成的铂纳米颗粒大小(10~100 nm)和形状(正方形、矩形、五边形、六边形、圆形)均不同,同时发现铂(Pt)纳米颗粒的合成涉及两步反应,首先H2PtCl6通过被动电子转移过程生成Pt(Ⅱ),然后迅速分布到酶分子表面上的远端位点上,这一步速度较快;然后Pt(Ⅱ)通过通道网络迁移到活性区域,通过较慢还原反应合成Pt单质,这一阶段是决速步骤。此后,对于铂纳米颗粒的微生物合成研究持续不断[29]。

4 微生物发酵上清液介导的贵金属纳米颗粒的合成

利用微生物细胞发酵上清液来合成金属纳米颗粒也是一大亮点。与微生物细胞参与合成金属纳米颗粒相比,利用发酵上清液来合成可以省去细胞与生成的纳米颗粒的分离,有助于了解合成过程中参与反应的关键蛋白和酶,同时有助于纳米颗粒微生物法合成产业化的发展。

Silva等向食线虫真菌Duddingtonia flagrans的发酵上清液中加入适当浓度的硝酸银溶液,待溶液颜色发生改变后取样分析,透射电子显微镜图像显示合成了大约11~38 nm单分散、球形的银纳米颗粒[30]。Husseiny等发现铜绿假单胞菌Pseudomonas Aeruginosa的发酵上清液可以用于还原金离子,能在细胞外生物合成粒径为15~30 nm的金纳米颗粒[31]。He等利用荚膜红假单胞菌Rhodopseudomonas capsulata的发酵上清液成功合成了金纳米颗粒和纳米线。通过改变HAuCl4的浓度来控制合成金单质的形状,在较低浓度的Au(Ⅲ)下,仅产生尺寸范围为10~20 nm的球形金纳米颗粒,而具有网络结构的金纳米线则在较高浓度的Au(Ⅲ)下形成,分析表明蛋白质中的游离胺基团或半胱氨酸残基可以和金纳米颗粒结合,从而稳定金纳米颗粒[32]。

黑孢子虫Nigrospora oryzae是一种来自植物的病原菌, Kar等利用其发酵上清液合成了6~18 nm的金纳米颗粒[33]。变种的米曲霉Aspergillus oryzae var. viridis也可以合金纳米颗粒,此外,在高压灭菌的细胞和发酵上清液中形成大量的尺寸分布在30~400 nm的三角形、五边形的金纳米颗粒[34]。

此外,微生物生成的胞外聚合物(EPS)也被证明可用于合成金属纳米颗粒,如大肠杆菌Escherichia coli K12利用所分泌的EPS合成了Ag NPs,从而降低了Ag+的抗菌活性,傅里叶变换红外和13C核磁共振光谱表明EPS中还原糖的半缩醛基团参与了Ag NPs的生成及固定化[35]。还有研究者利用从Shewanella oneidensis、Aeromonas hydrophila和Pseudomonas putida三种电化学活性菌提取的EPS来还原Ag+为银单质[36],这可能是由于EPS存储着黄素、细胞色素c等具有电化学活性的物质[37, 38],这些可作为微生物细胞外电子转移的瞬时介质[38, 39],电化学活性菌胞内产生的电子通过这些电化学活性物质传递到胞外从而将Ag+还原为银单质。

5 贵金属纳米颗粒尺寸及形貌的调控

目前,细菌、真菌、微生物发酵上清液等均被应用于纳米材料合成研究,并合成了球形、三角形、菱形、立方体等多形貌的Au、Ag、Pd、Pt贵金属纳米颗粒,纳米颗粒分布于胞内、胞外以及细胞表面。表1 总结了近年来用于纳米生物合成技术的微生物及其合成的纳米材料。

在纳米技术领域,纳米粒子的大小、形状和单分散性的可控合成对于探索其独特的化学和物理性质至关重要。目前,存在控制纳米颗粒尺寸和分布的各种化学和物理合成方法,然而,这些方法通常成本高、毒性较大、合成条件较为苛刻[24, 25, 40, 41]。而利用微生物法合成金属纳米颗粒,通过控制生物量与底物浓度的比例、pH值、温度等可以在一定程度上克服这一问题,这方面Gericke等的研究最为经典[24, 42]。

5.1 生物量与底物浓度的比例

由于细胞的异质性,以及受金属毒性影响的细胞活力与每个细胞周围的金属离子浓度不同,因此导致不同细胞合成金属纳米颗粒的活力不同。为了克服这个问题,开发了产生微滴的微流体系统。将重组大肠杆菌细胞和金属离子包封在纳升体积的微滴中来合成均匀的纳米颗粒,这样就确保了一定的生物量与金属离子,实现了纳米颗粒的可控生成[43]。

另外,Ha等利用粪肠球菌Enterococcus faecalis来合成钯纳米颗粒,对其合成的条件进行了全面的监测,发现细胞干重与钯离子的浓度与钯纳米颗粒的粒径息息相关,细胞干重与Pd+浓度的比值越大,生成的纳米颗粒越小[44]。

5.2 pH值

Gericke等将真菌Verticillium luteoalbum暴露在不同pH值(3、5、7、9)的氯金酸溶液中。结果发现当pH值为3时,呈球形的纳米颗粒占主导,而且粒径小于10 nm;当pH值为5时,虽然球形纳米颗粒依然占主导地位,但是已经出现三角形、六边形和棒形等稍大一些的不规则纳米颗粒。随着pH值的继续升高,纳米颗粒的粒径在增加,而且形状更加不规则[42]。利用粪肠球菌Enterococcus faecalis在不同pH值下合成钯纳米颗粒的研究也发现了类似的现象[44]。

5.3 温度

纳米颗粒的形成速率及尺寸形貌与温育温度有关。通过Verticillium luteoalbum合成金纳米颗粒的透射电镜照片表明,在较低温度下,暴露于氯金酸溶液1 h后形成的大多数纳米颗粒是球形的,平均直径小于10 nm。而进一步孵育24 h会导致小尺寸颗粒的数量减少,出现形状不规则的较大颗粒。在50 ℃下,在暴露于氯金酸1和24 h后产生的颗粒的尺寸和形态没有检测到差异,但是存在非常少的小尺寸的球形纳米颗粒,同时他们还利用该菌的细胞滤液合成金纳米颗粒,发现了类似的调控过程,由于细胞滤液缺少纳米颗粒的封端物质,生成的纳米颗粒尺寸比较大[42]。

通过上述条件的控制,实现可控的贵金属纳米颗粒生物合成,从而对该领域的实际应用有所借鉴。

6 微生物合成贵金属纳米颗粒的机理

目前,有关微生物合成贵金属纳米颗粒的方法有很多,但是对于微生物细胞及其发酵上清液是如何合成的机制尚不完全清楚。通常,对于微生物来说,其合成金属纳米颗粒首先涉及将金属离子捕获在细胞表面上,一方面,微生物细胞大多呈负电性[60],金属离子以及细胞上呈负电的基团之间的静电相互作用可将离子捕获;另一方面,微生物分泌的黏附型物质由于其黏性也可以将离子固定于细胞上。微生物能在胞内或胞外产生金属纳米颗粒即基于此原理。细胞发酵上清液合成贵金属纳米颗粒涉及特定的蛋白、酶等物质。因此,当微生物暴露在含有贵金属离子的溶液中时,待其从溶液中捕获目标离子后,

微生物自身细胞活动产生的酶或者细胞壁的一些成分可还原金属离子并在胞内或胞外富集金属单质,而这一行为从另一方面讲也是微生物的自我防御机制,这是由于重金属离子对大多数微生物的生存有毒害作用[61,62,63,64]。微生物合成金属纳米颗粒的机理可由图2概述。

6.1 细菌

大多数微生物细胞内合成银纳米颗粒是由硝酸还原酶介导的合成过程,Karthik等利用海洋放线菌Streptomyces sp. LK3细胞内合成银纳米颗粒,发现当Ag+被细胞捕获并运输到细胞内后,硝酸盐还原酶负责Ag+的还原和随后的银纳米颗粒的形成[65](图3)。 Mukherjee等利用Verticillium sp.在胞内合成银纳米颗粒,结果表明纳米粒子的合成机制涉及金属离子的捕获、生物还原和纳米粒子的生成,也发现了类似的机制[9]。

Nangia等发现荚膜红假单胞菌和嗜麦芽寡养单胞菌菌株能在细胞内生物合成金纳米颗粒,他们认为,分离菌株中存在的特异性NADPH依赖性酶,通过电子穿梭机制将Au3+还原为Au单质,导致单分散纳米颗粒的合成,这其中涉及两步法来还原Au3+。在第一步中, AuC l 4 - 离子被还原为Au+物种。然后,后一产物被NADHP还原成金单质[66],如式1所示。

　 AuC l 4 - + NADPH → A u + + 4 C l - + NAD P + + H + 2 A u + + NADPH → 2 A u 0 + NAD P + + H + 　

另外,利用光合固氮菌Rcapsulata capsulata能分泌辅酶NADH,发现金离子的生物还原是由NAD+作为电子载体从NADH得到电子引发的,即NAD+作电子载体,金离子获得电子并被还原成单质金,导致金纳米颗粒的形成[45]。Wu等利用Shewanella oneidensis MR-1野生型及其突变体ΔomcA/mtrC都能够将Au(Ⅲ)转化为Au NPs。研究表明外膜细胞色素中的脂蛋白OmcA和MtrC在Au(Ⅲ)还原中不是必需的,且合成的Au NPs可能在一定程度上能够参与电子转移以及催化有机物的氧化和修复电子转移中发生的细胞损伤[67]。

Riddin等使用硫酸盐还原菌群来研究Pt(Ⅳ)生物还原的酶促机制。研究确定还原过程中涉及两种不同的氢化酶,首先,使用对氧气敏感的细胞质氢化酶,其不被Cu(Ⅱ)抑制,不需要外源电子供体并且能从氧化代谢物或者还原Pt(Ⅳ)产生氢,这样Pt(Ⅳ)就被还原为Pt(Ⅱ),另外,通过耐氧的周质氢化酶将Pt(Ⅱ)生物还原成铂纳米颗粒,而这一步在Cu(Ⅱ)存在的情况下几乎不进行, 进一步说明了耐氧的周质氢化酶参与的生物还原反应是铂纳米颗粒生成的决速步骤[68]。如前所述,除了还原酶和一些功能蛋白质之外,可能存在其他的有机物在生物还原反应中起着重要作用。

6.2 真菌

虽然一部分真菌表现出与细菌相似的纳米颗粒合成机理,但是由于真菌能够分泌更多量的蛋白质和酶,因此真菌合成贵金属纳米颗粒的机理就有可能更为复杂,本文只列举两个作详细的说明。

Senapati等发现真菌生物质的含水提取物可以将金和银离子还原成相应的纳米颗粒。除此之外,还观察到由Fusarium oxysporum形成高度稳定的Au-Ag合金纳米颗粒。实验中使用的生物量的变化表明Fusarium oxysporum分泌的NADH在确定Au-Ag合金纳米颗粒的组成中起重要作用[69]。然而,Durán等却发现Fusarium moniliforme能够产生还原酶,但在与银离子孵育期间不能形成银纳米颗粒,他们认为,银还原的可能机制包括电子载体的共轭氧化还原反应,其中NADP依赖性硝酸盐还原酶参与其中,其示意图如图4所示[70]。

前文提到Govender等利用尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum在细胞内和细胞外合成铂纳米颗粒,发现铂纳米颗粒的合成涉及两步反应,首先H2PtCl6通过被动电子转移过程生成Pt(Ⅱ),然后迅速分布到酶分子表面上的远端位点上,这一步速度较快;然后Pt(Ⅱ)通过通道网络迁移到活性区域,通过较慢还原反应合成Pt单质[28]。

6.3 细胞发酵上清液

近年来,利用细胞发酵上清液或细胞滤液来合成金属纳米颗粒的研究也不在少数[31, 32, 35]。主要包括由微生物细胞分泌的蛋白、酶以及胞外聚合物等介导的纳米颗粒的合成,有助于了解合成过程中参与反应的关键蛋白和酶,以及特殊的合成机制。

Silva等利用食线虫真菌Duddingtonia flagrans的发酵上清液合成银纳米颗粒前后的傅里叶变换红外线光谱和拉曼散射光谱,证实了负责银纳米颗粒的还原和稳定的分子是几丁质酶[30]。Husseiny等发现铜绿假单胞菌Pseudomonas Aeruginosa的发酵上清液可以用于还原金离子,分析表明上清液中存在还原金属离子的NADH还原酶[31]。

黑孢子虫Nigrospora oryzae是一种来自植物的病原菌, Kar等[33]利用黑孢子虫Nigrospora oryzae的发酵上清液得到了金纳米颗粒,形成纳米颗粒前后的傅里叶变换红外线光谱结果表明,多种官能团是在细胞外分泌的真菌酶及其他生物分子的帮助下形成的,其可能负责金纳米颗粒的生物还原和封端。这表明除还原酶和一些功能蛋白质之外,一些其他的有机物在还原反应中起作用。

此外,前述大肠杆菌Escherichia coli K12[35]、Shewanella oneidensis、 Aeromonas hydrophila和Pseudomonas putida等[36]微生物的胞外聚合物(EPS)也被证明可用于合成金属纳米颗粒,通过分析表明,其中所含有的一些还原糖、细胞色素c等物质对于纳米颗粒的合成起着至关重要的作用[37, 38]。

这一系列的研究表明微生物合成贵金属纳米颗粒涉及的机理复杂,参与合成的酶、功能蛋白等种类繁多,所以对于不同种类微生物,合成机理可能不同。

7 应用

7.1 医药方面的应用

由于抗生素的滥用,已经出现了许多对抗生素产生免疫力的微生物。这些微生物已经形成了复杂的抵抗机制来抵抗抗生素,如使抗生素失活、靶位的改变、代谢途径的转化等,而一些生物合成的金属纳米颗粒有非常强的抗菌活性。例如,Thomas等发现从海洋中筛分出的Ochrobactrum anhtropi能够合成具有抗病原体活性的银纳米颗粒,其对伤寒沙门氏菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌等都表现出了抗菌活性[71]。纳米颗粒具备抗菌的作用可能是由于它们具有更大的表面积以增强与微生物的相互作用,黏附到细胞膜上并通过与DNA相互作用进一步渗透到内部,从而干扰复制过程或可能攻击病原体的呼吸链[72]。此外,利用修饰的贵金属纳米颗粒来作为抗击肿瘤和癌症得到了很好的应用[73]。例如,利用腙键在酸性的环境中会断裂的特点,将药物阿霉素通过腙键连接到金纳米颗粒表面,使药物在肿瘤组织中响应性释放,从而进一步实现药物的控制性释放[74]。

7.2 催化剂

贵金属纳米颗粒的结构和性能一直是催化领域研究的热点[75],对一些微生物与外界物质反应速率具有促进作用[76]。通常,贵金属纳米颗粒催化剂通过定位在细胞表面上或者与细胞膜结合来提高胞外电子传递效率,从而促进微生物与外界物质的反应速率。此外,有学者利用Desulfovibrio desulfuricans合成Pd纳米颗粒,合成的纳米颗粒对乳酸钠的氧化和氢分子的生成具有良好的催化活性。此外还发现,生物合成的Pd纳米颗粒能够影响菌体的胞外电子传递,使得合成金属纳米颗粒之后微生物表现出其本身所不具有的一些催化性能[77]。

Wu等利用Shewanella oneidensis MR-1在1 h内,在细菌表面合成具有可观粒径(平均粒径为6.2 nm)且分布均匀的钯纳米颗粒。另外,他们研究了附着有钯纳米颗粒的Shewanella oneidensis MR-1细胞对四种生物燃料分子(甲酸、乙酸、甲醇、乙醇)的电催化作用,同时与化学沉积法生成的钯纳米颗粒对比,发现生物钯纳米颗粒对甲酸表现出了独特的选择性电催化氧化作用[19]。

7.3 生物传感

生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。Zheng等[78]利用生物合成法制备了Au-Ag合金纳米颗粒,并设计了一种基于该纳米颗粒的电化学传感器(图5),该传感器成功应用于香草豆和香草茶样品中香草醛的测定,能够将香草醛的电化学响应提高至少5倍。Du等发现了大肠杆菌细胞对金的生物还原及其在血红蛋白直接电化学检测中的应用。将结合到细菌细胞表面的生物合成的Au纳米颗粒掺入玻碳电极中,并对直接放置在电极表面的血红蛋白样品进行不同电极配置的循环伏安法测量。研究表明,生物合成的纳米复合材料可以辅助血红蛋白和玻碳电极表面之间的电子转移[79]。

7.4 污染物处理

从含有金属离子的废水中生产金属纳米颗粒,实现了生物合成作为处理回收技术的一种方法[80, 81]。Patespadas等[82]利用颗粒污泥来回收废水中的钯,实验表明这些污泥里面富含Shewanella oneidensis、Desulfovibrio desulfuricans等菌[83],之后他们又验证了利用连续流动厌氧颗粒污泥床反应器从水流中去除钯(Ⅱ)和回收金属钯的可行性,显示厌氧产甲烷颗粒污泥能在合适的电子给体存在下还原钯(Ⅱ),形成生物质相关的钯纳米颗粒,从而实现从废水中回收金属纳米颗粒。

另外,研究表明,生物合成的Au/Pd纳米颗粒能够在中性条件下的水溶液中催化双氯芬酸脱氯,且随着Pd含量的升高,双氯芬酸的去除率增加[84]。Martins等探索了脱硫弧菌Desulfovibrio vulgaris作为生物载体合成钯、铂金属纳米颗粒对药物的去除,发现生物合成的铂纳米颗粒表现出比生物钯催化剂更高的催化性能,其对17β-雌二醇、磺胺甲口恶唑和环丙沙星分别有94%、85%和70%的去除效果[85]。

8 结论

贵金属纳米颗粒微生物合成法具有清洁、环境友好和可持续发展的优点,且微生物合成的贵金属纳米颗粒具有更好的生物相容性。尽管微生物合成纳米材料领域取得了很大的进展,但是和传统的物理和化学方法相比,微生物法合成的纳米颗粒尺寸较难控制,而且难以回收,同时,研究者对微生物法合成机理仍缺乏清晰的认识,这一系列原因限制了其产业化以及实际应用。针对目前该领域存在的缺陷及不足,微生物合成贵金属纳米颗粒的下一步研究重点可以从以下几个方面考虑:(1)进一步筛选可高效合成金属纳米颗粒的菌株,以加速纳米材料生物合成产业化的脚步;(2)深入研究微生物法合成纳米颗粒的相关机制,利用基因工程等技术对相关菌株进行改造,以实现对纳米材料的可控合成;(3)充分发挥贵金属纳米颗粒的催化作用,拓展其在生物能源、环境污染处理等方面的应用;(4)开发无菌体发酵液合成金属纳米颗粒技术及与其他方法的结合,并尝试提高纳米颗粒的回收效率。

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国家自然科学基金项目(51878640)

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