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微生物合成具有有序微/纳米结构和可控功能的金属/金属纳米材料（(MNMs/MCNMs），由于其毒性低、污染少、节约能源等优势，在基础研究和实际应用中都具有重要意义。微生物作为高效的生物工厂，具有显着的生物矿化和生物还原金属离子的能力，同时获得不同形态和尺寸的纳米晶体。纳米颗粒生物合成的发展极大程度地提高了纳米颗粒制剂的安全性和可持续性。在开发新的绿色环保方法制备生物相容性金属/金属纳米材料等方面取得了较快的进展。在这篇综述中，作者主要关注不同金属/金属纳米材料的微生物生物制造，因其具有广泛可用性、环境可接受性、低成本和循环可持续性等独特优势。具体总结了不同微生物合成不同金属/金属纳米材料的策略和合成机制的最新和重要进展。最后，强调了不断发展的生物材料科学、纳米科学和纳米生物技术多学科领域在材料合成领域说面临的挑战以及未来的研究方向。

 

背景介绍

纳米粒子是连接宏观物质和原子结构的桥梁，尺寸范围在1~100 nm 之间，具有粒径小、表面积大、反应活性高等特点。在不同的纳米粒子中， MNMs/MCNMs是一类特殊的纳米粒子，近年来在光学、催化、污染物降解和环境修复等领域的潜在应用受到人们的广泛关注。此外，MNMs/MCNMs在环境修复、药物运输、建筑材料中也应用广泛，因此对类型和性能要求的需求逐年增加。随着材料合成过程和材料废物积累导致的严重环境问题的不断增加，开发环境友好的MNMs/MCNMs对于环境和材料科学极具现实意义。

MNMs/MCNMs 的制备主要采用物理和化学方法。物理方法包括蒸发冷凝、离子溅射和高能机械球磨。利用物理方法制备的纳米材料纯度高、活性高，但是产物粒度分布比较宽，获得的纳米材料容易发生团聚。同时，通常需要大型的设备、成本较高；化学法主要包括电化学还原法、光化学还原法和分子自组装等。利用化学方法制备的纳米材料具有较好的分散性，粒径分布窄，形貌比较均匀，但是材料的表面可能会有杂。此外，物理和化学法对于合成条件的要求较高，这也是工艺流程复杂，较难实现节能降耗以及降低成本的原因。

在探索金属纳米粒子新的合成方法过程中，微生物法合成纳米材料作为一种绿色合成技术逐渐被人们开发利用。纳米材料的微生物合成可以追溯到 1989 年，研究者使用光滑念珠菌的合成了CdSe 纳米材料。随后，1993年报道了趋磁细菌对磁性纳米颗粒的矿化和合成。2001年报道了尖孢镰刀菌生物合成纳米银（AgNPs）的方法，首次成功地展示了生物合成技术的概念。微生物广泛存在于地球上，生长繁殖快，环境适应性强，代谢类型多样，所有这些都有利于它们从环境中捕获目标离子，然后利用酶、蛋白质等活性物质进行一系列的生物加工和合成。微生物也被公认为“纳米材料加工厂”。利用微生物合成MNMs/MCNMs 具有潜力巨大，可减少化学品消耗，减少二次污染，更环保，可用于大规模生产等特点。同时，微生物的合成过程可在室温和中性pH条件下进行，使合成成本较低。其次，微生物对MNMs/MCNMs表面的生物改性也使材料的生物相容性、分散性和稳定性更好。然而，微生物合成 MNMs/MCNMs 也存在一些缺点，包括难以控制细胞稳定性、分离纯化产物以及受微生物类型的限制。虽然已为微生物系统合成 MNMs/MCNMs 做出了重大努力，但合成的机制仍不明晰。此外，关于功能微生物的开发和实际应用报道较少。

图文导读

Figure 1. (a) Preparation of heteroatom-doped porous carbon materials with Pd nanopartieles synthesized by Shewanella oneidensis. (b) Schematic illustration of the bioremediation procedure of radioactive iodine anions using Au-DR. (c) Model of the biomineralization of magnetite in the magnetosomes of magnetotactic bacteria. (d) Biosynthesis of Au nanohorns between the surfaces of Pichia pastoris cells in the presence of cetyltrimethylammonium chloride.

细菌生物合成纳米粒子具有培育周期短、操作简单等优点，是生物合成纳米材料的主力军。当活细菌与金属离子共同孵育时，细胞的电负性表面对金属阳离子具有较强的吸附和吸收能力，利用胞内和胞外的生物活性分子自组装成纳米粒子。如表1所示，目前已报到用于纳米颗粒生物合成的细菌有Pseudomonas sp、Shewanella sp、Bacillus sp、Lactobacillus sp和Sulfate-reducing bacteria等几十种。细菌合成纳米粒子具有以下特点，首先是合成材料的种类较多，主要包括Au、Ag、Fe₃O₄、ZnS、CdS、CdTe，TiO₂ 等，其中以贵金属纳米材料合成为主。其次是合成金属纳米粒子的形状多样、粒径范围广，总结发现形状主要以球形为主，粒径约为0.1-300 nm. 目前合成不同金属纳米材料的细菌也存在差异，如合成金纳米颗粒的细菌主要包括Escherichia coli，Pseudomonas，Aeruginosa等，合成 AgNPs 的细菌主要包括短小芽孢杆菌（B.brevis）、干酪乳酸杆菌（L. casei）、肺炎克雷伯（Klebsiellapneumonia）、嗜线虫沙雷氏菌（Serratia nematodiphila）、阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）、大肠杆菌（Escherichia coli）、棒状杆菌（Corynebacterium sp.）等。最后，细菌不仅能生成单一的金属纳米颗粒, 还能生成双金属纳米颗粒，如Lactobacillus sp 能在乳酪中产生极小的金-银合金晶体。又如，De Corte等报道了以氢气作为电子供体时，S.oneidensis 在含有Pd(II)和Au(Ⅲ)离子的溶液中能同时还原这两种金属离子, 并生成Pd -Au 纳米催化剂。

总结和分析发现，细菌合成金属纳米材料具有很多优势。第一，细菌是为微生物的主要类群之一，是数量最多的一类，所以更容易分离和获得具有纳米合成能力菌种，第二、细菌分布广泛，在不同环境条件下已与金属离子实现了共存，而且细菌的营养类型多样，可多方式利用无机物质。第三，细菌的时代周期短、繁殖迅速，短时间获得的细胞生物量很多，可用于金属纳米材料的快速合成。

 

Table 1. Summary of metal/metallic compound nanomaterials as synthesized by fungi.

 

真菌相比于其他微生物具有许多突出的优点，如可以承受更多的外界机械压力，可在无机基质上生长，生长面积大等；真菌还具备较高的酶和蛋白分泌能力，同时真菌可以提供成核中心，并通过减缓粒子聚合和形成黏液介质获得高度分散的纳米颗粒系统。所以对金属离子的摄入量更高，所以真菌也被广泛用于合成金属纳米材料。目前可合成金属纳米粒子的真菌主要包括：Aspergillus flavus、Trichoderma asperellum、Coriolus versicolor、Cladosporium、F. oxysporum、Penicillium fellutanum等。真菌合成的金属纳米材料主要以球形和准球形为主，平均粒径约在0-400 nm。如表1所示，已报道的真菌合成的金属纳米材料主要包括Au、Ag和金属氧化物等。如Mishra等用丝状真菌瑞氏木霉细胞外合成稳定的纳米金，平均直径为5～25 nm。Bhainsa等利用烟曲霉菌合成了直径5～20 nm的纳米银，且合成速度很快，在10 min内得到了单分散性的银纳米晶，这是首次实现利用真菌快速合成银纳米晶的报道。相比于纳米金、银等，真菌合成的磁性纳米颗粒较少，由此说明微生物合成纳米颗粒时会根据自身的生理生化特性，所合成的纳米材料具有选择性和特异性。归纳发现，真菌在合成纳米金方面极具潜力，如Liang等用青霉菌的细胞滤液和AuCl₇反应，在l min内进行细胞外合成平均粒径为45 nm的球形纳米金，又用含有AuCl₄^-的溶液来孵育青霉菌8 h，合成的纳米金较好的分散在细胞壁和细胞内，平均粒径为50 nm。这是目前报道中最快的微生物合成纳米金的方法。真菌在自然界中分布广泛，类群庞大，约有十几万种，形态差异极大，它们的存在为自然界的物质循环做出了重大贡献。在合成金属纳米材料方面，目前研究者只挖掘了极少部分真菌资源，同时，关于真菌大量合成金属纳米材料还有一段距离，未来研究者们还需投入大量的时间和精力开展相关研究。

 

Table 2. Summary of metal/metallic compound nanomaterials as synthesized by yeasts.

 

酵母是一种单细胞真菌，不仅具有积累大量剧毒金属的能力，而且具有强大的解毒能力。酵母体内富含谷胱甘肽、金属硫蛋白和植物螯合肽等生物分子，这些活性分子一方面增强了细胞的抗逆性，另一方面也提高了细胞的解毒能力。如表2所示，目前用于合成纳米材料的酵母主要包括Extremophilic、Candida guilliermondii、Pcihia capsulata、Rhodosporidium、diobovatum、Rhodotorula mucilaginosa、Saccharomyces cerevisiae等。酵母细胞内的植物螯合肽可以高效地螯合Cd²⁺等剧毒重金属离子，因此酵母很适合用于合成半导体纳米材料，此外，植物螯合肽也有利于纳米颗粒的稳定和分散，所以酵母能很容易地在胞内合成小粒径的半导体量子点。酵母也可以在细胞外合成 CdTe 纳米晶。Bao等将CdCl₂和NaTeO₃加入酵母细胞培养基中，在温和的条件下在胞外合成了CdTe 纳米晶，粒径为2.0-3.6 nm。目前酵母菌主要用来合成量子点纳米材料，但也有文献报道了纳米金和纳米银的合成，如Pimprikar等利用热带海洋酵母菌合成了纳米金，并通过改变细胞数目和盐浓度实现了纳米金的形貌和尺寸控制。又如2003年，Kowshik等利用银耐受酵母菌株MKY3于胞外合成了银纳米晶，其在对数生产期形成了大小为2～5 nm的纳米银。

酵母菌被认为是人类的“第一种家养微生物”，是单细胞真核微生物,目前可用于多种纳米材料的合成。研究表明酵母细胞壁中多糖的羟基和氨基酸的羧基可能是金属离子的吸附位点，所以目前酵母菌容易在细胞壁上形成产物。另外，金属纳米材料的还原合成与酵母菌中存在的还原酶和蛋白酶有关，所以合成产物的产量与酵母菌分泌酶的性能有直接关系。综上，酵母菌在量子点合成方面具有独特的优势，所合成的量子点具有较好的应用前景。

 

Figure 2. (a) Biosynthesis of Pd/Fe₃O₄, Au/Fe₃O_4, and PdAu/Fe₃O₄ composites by Shewanella oneidensis MR-1. (b) Schematic illustrating the preparation process of LFP@C.

 

随着金属氧化物及复合金属氧化物粉体制备技术的不断发展和成熟，人们已经可以快速制备出不同粒径、不同组分、不同结构的多种类型金属氧化物。相比于其他金属纳米材料，金属氧化物的安全性和稳定性更高，据估计金属氧化物纳米材料预计在2020年将达到1700万吨。目前通过微生物合成的金属氧化物纳米材料主要包括Fe₃O₄、Fe₂O₃和CO₃O₄等。其中Fe₃O₄、Fe₂O₃等磁性纳米颗粒的合成研究开始最早，其合成机理最为透彻，并已能够大规模商业化生产。所分离和筛选的趋磁细菌能够合成不同形状的磁性纳米颗粒，并应用于药物传递、免疫分析等领域。除了铁纳米颗粒，微生物还能通过各种水解或氧化作用合成Ag₂O、CeO₂、CuO、Bi₂O₃、ZnO等。研究表明，除了超声技术、微波辐射技术、交流电沉积技术等新技术，微生物合成是制备高纯度、小粒径、均匀分散的金属氧化物纳米粉体的最有前途的方法，未来值得进一步研究和推广。目前利用微生物合成金属硫化物纳米颗粒的研究相对较多。微生物合成硫化物纳米颗粒需要在较低的氧化还原电势条件，通常需要添加金属离子前体和含硫化合物，硫元素离子被微生物细胞内的特异性还原酶还原后与金属离子结合生产相应的纳米粒子。如真菌尖孢镰刀菌在含有不同金属硫化物的培养液中培养，可以通过酶催化过程生成不同形态的纳米颗粒如PbS、ZnS、NiS、MnS 和CdS 等。

除了金属氧化物和硫化物，微生物较多的合成了贵金属纳米材料，它可将贵金属优良的理化性质同纳米材料的特殊性能结合起来，充分展示贵金属纳米材料的优势。目前，金和银纳米材料的微生物合成已非常广泛，且研究最多。研究者们已经筛选了大量的微生物合成具有复杂结构的金、银纳米材料。微生物能成功从贵金属冶炼废水、贵金属催化剂中回收贵金属，说明了微生物是极具研究价值。虽然目前能合成贵金属纳米材料的微生物数量还十分有限，而且较难保持合成过程的持续性和稳定性。但通过更深入的研究，未来非常可能发现合成效率更高，性能更稳定的功能微生物。微生物还能通过不同的方式合成其他纳米材料。如有CO₂存在或微生物生成CO₂时、微生物可以合成PbCO₃、CdCO₃、SrCO₃等；如有在磷酸盐存在时，酵母可合成出10~80 nm 宽、80~200 nm 长的微蝴蝶状结构Zn₃(PO₄)₂纳米颗粒。同时，除了合成单金属纳米材料，微生物还能合成双金属或多金属纳米颗粒。如图2所示，柳广飞等首先在胞外合成了Fe₃O₄纳米颗粒，然后在Fe₃O₄表面进一步通过生物还原过程合成了Pd/ Fe₃O₄、Au/ Fe₃O₄和PdAu/ Fe₃O₄纳米复合材料。

Figure 3. Scheme of the possible pathways to synthesize NPs by microorganisms. M: metal salt, M⁺: Metal ion, Mo: neutral atom.

生物还原几乎涉及到微生物合成 MNMs/MCNMs 的全过程。 如图3所示，纳米粒子是由小原子和分子以及还原/氧化反应产生的。纳米颗粒的生物还原/氧化过程相对复杂，因为它伴随着微生物的生长繁殖，纳米颗粒的成核、聚集和稳定，以及电子转移和重金属离子转化。在生物还原过程中，生物 还原性辅酶I、还原性辅酶II、硝酸盐还原酶、氢化酶等分子作为电子供体，在酶或蛋白质的催化作用下还原金属离子，产生水溶性差的元素或低价物质或有毒金属。

Figure 4. (a) Biosynthesis of metal nanomaterials by a bioreduction process (b) Schematic representation of bacteria synthesis of NPs; both intracellular and extracellular process are included. (c) Proposed mechanism of AuNPs biosynthesis by fungi Rhizopus oryzae. (d) Biosynthesis mechanism of AgNPs by cytochrome subunit NapC in Escherichia coli.

如图4(a)所示，微生物还原合成的位置与活性分子的分布有关，取决于细胞内和细胞外的合成。对于细胞内合成，金属离子首先被膜转运分子转运到细胞质，然后被生物活性分子还原。对于细胞外合成，有两种常见的情况。第一种情况是金属离子被细胞外的生物活性分子直接还原。第二种是首先通过静电吸引将金属离子吸附在细胞表面，然后利用细胞壁或细胞膜上的生物活性分子还原金属离子。 如图 4(b) 所示，离子被蛋白质还原、酶和有机分子在培养基中或由细胞壁成分组成。细胞外还原似乎比细胞内还原更有利，因为其成本更低、提取更简单和效率更高。然而，在细胞内过程中，位于细胞壁上的羧基通过静电相互作用吸引金属和准金属离子。然后，离子进入细胞并与细胞内蛋白质和辅因子相互作用以产生 NP。

众所周知，微生物可以在多个位置同时合成纳米材料。如图 4(c)所示，米根霉可以利用细胞内和细胞外的蛋白质合成AuNPs。一些Au原子被细胞表面的蛋白质还原成AuNPs，而另一些Au³⁺则穿透细胞质，与蛋白质共价结合，被金属还原酶还原成AuNPs。此外，许多细胞外生物还原过程涉及呼吸的复杂电子传输途径。Zhi等人发现细胞色素C在大肠杆菌合成AgNPs的电子传递中起重要作用。如图4(d)所示，耐受银离子的大肠杆菌与AgNO₃溶液反应时，细胞对呼吸底物的氧化和细胞色素对周质空间银离子的还原同时发生。因为微生物金属纳米材料的合成过程涉及多种酶的参与，并由细胞内和细胞外的物质完成，所以较难研究和阐明物质生产对其生长繁殖、代谢活动和细胞构型的影响。另外，由于单个细胞的生成时间短，在短时间内完成物质合成后进入衰变阶段，最后通过分离提纯等手段去除。因此，在研究微生物合成机理的过程中，要准确把握采样时间和合成周期，才能得出正确的结论。

 

总结与展望

MNMs/MCNMs的微生物合成在过去的几十年中不断发展，它不仅以更绿色、更安全、更有效的方式发现和开发新的纳米材料和产品，而且展示了一种新的生物合成策略来制造纳米颗粒，使其具有可控的形状、大小和结构层次。与传统的物理制备和化学合成策略相比，使用活的微生物（即细菌、真菌和酵母）作为小型高效生物工厂合成MNMs/MCNMs具有成本效益、生态友好和能源可持续性的巨大优势，以及工业可扩展性。更重要的是，微生物可用于去除和回收废物和污染物中的有毒重金属，然后将它们转化为尺寸和形态可控的生物纳米颗粒。微生物合成纳米材料的相关参数可以进一步优化，以最大限度地提高生产力和安全性。

尽管 MNMs/MCNMs 的微生物合成取得了很大进展，但仍有一些关键挑战需要解决，因为微生物目前合成的不同组成的 MNMs/MCNMs 仍然相当有限。通过先进的遗传、分子、细胞工程合理设计或发现新微生物是另一种有前景的策略，不仅可合成具有可控形态和所需功能的新纳米颗粒，而且还能赋予微生物新的功能，具体途径包括： 1）通过驯化、分离和基因工程提高微生物的性能，从而分离获得高活性功能微生物。 2）通过控制微生物制品的大小和形状，控制微生物制品的稳定性、生物相容性等性能。 3）充分利用多组学测序技术，综合分析微生物的特征酶和功能基因，进一步阐明其合成机理。

此外，开发具有优化操作参数的微生物制造工艺对于从微生物中分离、纯化和稳定生产MNMs/MCNMs 也同样重要，特别是在工业规模上，所有这些都将改善低产量、低质量和MNMs/MCNMs 的生物毒性。最后，开发多尺度建模和模拟以更好地理解分子、细胞和功能酶以及金属离子之间的复杂相互作用至关重要。提出的计算模型和模拟允许揭示生物合成过程的不同方面，包括阐明微生物代谢和途径的机制解释模型、优化操作参数以实现最大产量的生产优化模型、预测商业价值的经济分析模型，以及用于确定晶体结构和纳米颗粒形成的分子模拟模型。总之，MNMs/MCNMs 的微生物生物制造需要跨学科研究的创新，以推进从开发有效微生物到可控纳米材料合成的突破。

 

文献链接：https://doi.org/10.1039/d1tb01000j