王文杰 陳玉霞 梁 玲 曾 波 談 潔 袁 荃＊,,

(1湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南大學(xué)生物學(xué)院，化學(xué)生物學(xué)與納米醫(yī)學(xué)研究所，長(zhǎng)沙 410082)

(2武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

在30多億年漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中，生物體已經(jīng)能夠產(chǎn)生具有獨(dú)特和精致結(jié)構(gòu)的礦物質(zhì)，如珊瑚石、牙齒、骨骼和貝殼等等[1-2]。這一過程被稱為生物礦化，即生物體利用有機(jī)基質(zhì)(酶、蛋白質(zhì)、脂類、多糖等)對(duì)無機(jī)離子進(jìn)行精確調(diào)控，最終沉淀成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的純無機(jī)或者無機(jī)有機(jī)混合材料[3-5]。生物礦化是生物體維系生存的一種行為[3]，在細(xì)菌、真菌等微生物中廣為存在。微生物作為地球上最古老的一類生命體，具有體形極小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、繁殖速度快等特點(diǎn)[6]，能夠利用生物礦化過程合成出各種微小的無機(jī)材料。例如，為了在呼吸、集光的同時(shí)形成“盔甲”，硅藻等海洋生物可以讓SiO2在細(xì)胞表面快速成核、固定，形成具有微米到毫米層級(jí)結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)外骨骼，并在細(xì)胞死亡后也能保持完好(圖1a)[7-9]；一些厭氧性細(xì)菌被稱為趨磁細(xì)菌(magnetotactic bacteria)，它們能夠在細(xì)胞內(nèi)合成形態(tài)各異的Fe3O4或Fe3S4磁性納米晶體并呈鏈狀分布(磁小體鏈)，從而根據(jù)地磁場(chǎng)進(jìn)行定向移動(dòng)來擺脫富養(yǎng)環(huán)境(圖1(b，c))[10-11]；有的嗜金屬微生物群能在污水區(qū)域大量繁殖，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)⑺苄缘闹亟饘俑患⒁远喾N形狀結(jié)晶析出來抵御金屬毒性[12-13]。微生物作為分布最為廣泛的一類生物[6,14-15]，常常暴露于極端的自然環(huán)境之下，它們需要合成各種晶形或非晶形微納尺寸的無機(jī)材料來維持自己的生存[14,16-17]，這使它們成為了合成無機(jī)納米材料的天然工廠。

在過去的二十年間，納米材料正在成為物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。納米材料因尺寸極小(1～100 nm)，具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特性而表現(xiàn)出與其宏觀材料完全不同的物理化學(xué)性能[13,18-19]。其中無機(jī)納米材料在催化、傳感、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要角色[13]，并且其通常由無機(jī)物前體通過物理或化學(xué)方法制備而成[20-23]。不同于傳統(tǒng)方法，自然界中的微生物已天然具有將無機(jī)離子合成為含金、銀、鈣、硅、鐵等無機(jī)納米材料的能力[24]。1980年，Beveridge等[25]首次發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌(B.subtilis)能夠?qū)⑷芤褐械腁u3+固定還原成粒徑不到50 nm的Au納米顆粒(AuNPs)。1999年，Klaus等[26]發(fā)現(xiàn)硝酸銀溶液會(huì)使施氏假單胞菌AG259(P.stutzeri AG259)的周質(zhì)空間內(nèi)形成高度分散、具有多種晶形的Ag納米顆粒(AgNPs)。微生物塑造納米材料的現(xiàn)象在上世紀(jì)末引起了納米科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，這給無機(jī)納米材料的合成帶來了新的啟發(fā)。過去幾十年間，研究者們已經(jīng)利用微生物或者微生物提取物合成了 Au、Ag、Pd、TiO2、CdS 等一系列無機(jī)納米材料并闡明了部分合成機(jī)理和影響因素[13]，發(fā)現(xiàn)了微生物體系合成的無機(jī)納米材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，微生物體系合成無機(jī)納米材料的過程與微生物的生長(zhǎng)、酶的催化等生物過程是同時(shí)進(jìn)行的，保證了合成過程可以在室溫和中性pH條件下發(fā)生，環(huán)保而且成本較低。其次，微生物對(duì)無機(jī)納米材料表面進(jìn)行的生物修飾也使得材料的生物相容性、分散性和穩(wěn)定性較好[27-28]。上述優(yōu)勢(shì)使得微生物合成技術(shù)有望成為合成無機(jī)納米材料的重要手段。

利用微生物體系合成無機(jī)納米材料正成為一個(gè)新興的、具有廣闊前景以及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，并且有望在未來進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。近年來報(bào)道了許多關(guān)于微生物體系合成無機(jī)納米材料的綜述，如Gahlawat和Choudhury[23]從合成機(jī)理的角度綜述了微生物合成金屬納米材料的研究進(jìn)展；李清彪和楊大鵬課題組[29]介紹了了植物、微生物等多種生物合成金屬納米材料的研究；Dahoumane等[30]綜述了藻類合成無機(jī)納米材料的進(jìn)展；張春陽課題組[31]總結(jié)了近年來微生物體系和仿生體系合成半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究；龐代文課題組[32]綜述了微生物活細(xì)胞合成無機(jī)納米材料的生物應(yīng)用研究進(jìn)展。但是目前關(guān)于微生物體系合成不同種類無機(jī)納米材料的機(jī)理、影響因素，以及這些材料在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的綜述還較少。為了較為全面地了解基于微生物體系合成無機(jī)納米材料的相關(guān)研究，我們將從細(xì)菌、真菌、酵母等多種微生物體系合成的金屬和非金屬等不同種類無機(jī)納米材料進(jìn)行系統(tǒng)的綜述，并從其合成機(jī)理、影響因素及其在催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述，最后我們也對(duì)微生物體系合成無機(jī)納米材料目前存在的問題以及未來的發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。

圖1 (a)硅藻表面精致的硅質(zhì)外骨骼[7];(b,c)趨磁細(xì)菌及其體內(nèi)的磁小體鏈[10]Fig.1 (a)Morphology of delicate exoskeleton composed of silica on diatom cell surface[7];(b,c)Morphology of magnetotactic bacteria and intracellular magnetosome chains[10]

1 微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理

不同的微生物有著不同的無機(jī)納米材料合成機(jī)制。總體來講，微生物的合成機(jī)制來源于3種生物活動(dòng)過程：微生物對(duì)極端環(huán)境壓力的抵抗、對(duì)無機(jī)營(yíng)養(yǎng)的利用和對(duì)能量代謝的需求[13,33]。微生物對(duì)極端環(huán)境壓力的抵抗能力來自于其對(duì)金屬離子的耐毒性機(jī)制，包括對(duì)金屬氧化態(tài)的改變、細(xì)胞壁吸附、多肽或多糖的螯合、射流系統(tǒng)等等[33-35]；微生物對(duì)無機(jī)營(yíng)養(yǎng)的需求指的是微生物主動(dòng)利用無機(jī)離子合成自身的特殊結(jié)構(gòu)，如硅藻主動(dòng)吸收硅酸鹽合成外骨骼；微生物的能量代謝需求則是微生物將無機(jī)基質(zhì)用于生物體代謝過程以獲得還原性的當(dāng)量，并用于生物合成或能量?jī)?chǔ)存[13,33]。微生物體系合成無機(jī)納米材料的過程是微生物分泌的多種酶或蛋白質(zhì)等生物活性分子協(xié)同作用的結(jié)果，并且不同的合成過程會(huì)利用到不同的生物活性分子中。其中常見的參與合成的生物活性分子包括還原型輔酶Ⅰ(NADH)[36]、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)[37-38]、硝酸還原酶[34,37-39]、植物螯合肽[13,34,38]、氫化酶[40]、多糖[24,34,41]、谷胱甘肽[34,42]等等。細(xì)菌、真菌體系通常利用還原性酶的作用[24]，酵母體系傾向于利用植物螯合肽的螯合過程[13,38]。大部分微生物體系合成無機(jī)納米材料的過程包括成核、生長(zhǎng)和穩(wěn)定3個(gè)步驟，因此其往往能合成具有有序晶體結(jié)構(gòu)的納米材料。

微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理是極其復(fù)雜且多樣的，即便對(duì)于同種微生物也存在多種機(jī)制來合成無機(jī)納米材料，這增加了對(duì)合成機(jī)理研究的難度。其中較為常見的是生物還原(Bioreduction)所主導(dǎo)的合成機(jī)制，它是指高價(jià)態(tài)金屬離子被微生物體系還原成低價(jià)態(tài)金屬離子或金屬單質(zhì)的過程[23,29,34]，此外其他種類納米材料的合成機(jī)制還受多種復(fù)雜代謝過程的控制。理解微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理是控制其產(chǎn)品性質(zhì)的關(guān)鍵，以下將對(duì)生物還原和其他合成機(jī)理分別進(jìn)行討論，以進(jìn)一步了解各種生物分子在合成過程中的作用。

1.1 生物還原主導(dǎo)的合成機(jī)理

生物還原過程幾乎存在于所有微生物合成無機(jī)納米材料的過程中，它體現(xiàn)了微生物對(duì)于金屬毒性的抵抗作用。生物還原主導(dǎo)的合成是指在還原性酶或者蛋白質(zhì)等活性物質(zhì)的催化下，一些生物分子(谷胱 甘肽[43]、NADH[36]、NADPH[37]、蛋白質(zhì)等)作為電子供體還原金屬離子，生成水溶性更差或毒性更低的單質(zhì)或低價(jià)態(tài)金屬。生物還原合成的場(chǎng)所分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩種，這取決于參與反應(yīng)的生物活性分子的分布位置(圖2)。細(xì)胞內(nèi)合成時(shí)，金屬離子被膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)輸送到細(xì)胞質(zhì)后被生物活性分子所還原[39,42,44-46]。細(xì)胞外合成時(shí)有2種情況，第1種為微生物向胞外分泌的生物活性分子直接在胞外還原金屬離子[34,46-48]，含有微生物分泌物的培養(yǎng)液上清液同樣也能還原金屬離子[39,42,44]；第2種是在細(xì)胞表面合成，細(xì)胞壁表面的羧基、磷酸基團(tuán)等先通過靜電引力吸附金屬離子(少部分情況通過共價(jià)結(jié)合)，然后細(xì)胞壁、細(xì)胞膜上的生物活性分子還原金屬離子[13-14,33-34,44,49]。還原開始后，生物分子中吸引金屬離子的基團(tuán)會(huì)幫助金屬顆?？焖俪珊?、生長(zhǎng)[14,50]。最后為了增加材料的穩(wěn)定性，微生物會(huì)利用蛋白質(zhì)、多糖等生物分子作為天然的包覆劑和穩(wěn)定劑對(duì)顆粒進(jìn)行包裹，由于靜電斥力和空間位阻的作用，納米顆粒長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不易團(tuán)聚[39,51-53]。

圖2 無機(jī)納米材料的生物還原合成示意圖Fig.2 Biosynthesis of inorganic nanomaterials mediated by bioreduction

金屬離子的生物還原過程往往是多種場(chǎng)所同時(shí)進(jìn)行的。Das等[44]認(rèn)為米根霉(R.oryzae)合成AuNPs時(shí)，一部分Au3+在細(xì)胞表面被蛋白質(zhì)還原成AuNPs，此外另一部分Au3+滲透進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合并被金屬還原酶還原成AuNPs(圖3a)。許多細(xì)胞外的生物還原過程還涉及到細(xì)胞利用復(fù)雜的電子傳遞途徑進(jìn)行呼吸作用的過程[23,53]。香港大學(xué)支志明的團(tuán)隊(duì)[49]證明了細(xì)胞色素c在大腸桿菌合成AgNPs中起到了電子傳遞的重要作用，他們認(rèn)為耐銀性大腸桿菌與AgNO3溶液反應(yīng)時(shí)，細(xì)胞氧化呼吸底物的同時(shí)細(xì)胞色素c的亞基NapC介導(dǎo)了周質(zhì)空間內(nèi)銀離子的還原(圖3b)。

圖3 (a)真菌R.oryzae合成AuNPs的機(jī)理圖[44];(b)大腸桿菌細(xì)胞色素c亞基NapC介導(dǎo)的AgNPs合成機(jī)理圖[49]Fig.3 (a)Proposed mechanism of AuNPs biosynthesis by fungi R.oryzae[44];(b)Proposed mechanism of AgNPs biosynthesis mediated by c-type cytochrome subunit NapC in E.coli strain[49]

1.2 其他合成機(jī)理

對(duì)于一些處于穩(wěn)定氧化態(tài)的無機(jī)離子，微生物難以通過生物還原過程將其沉淀，此時(shí)微生物需要利用更為復(fù)雜的機(jī)制來合成無機(jī)納米材料。大部分非生物還原主導(dǎo)的合成過程同樣具有成核、生長(zhǎng)和穩(wěn)定的過程，并且在胞內(nèi)或胞外進(jìn)行，但是目前很多機(jī)理尚未完全闡明。一些氧化物的合成來自于微生物介導(dǎo)的水解過程，如硅藻合成SiO2可能與細(xì)胞壁上硅蛋白參與的硅酸鹽水解有關(guān)[8]，TiO2的微生物合成同樣來自于生物誘導(dǎo)的TiF62-的水解[54-55]，病毒特有的表面結(jié)構(gòu)還可以作為模板通過水解來合成氧化物納米材料涂層[56]。趨磁細(xì)菌合成Fe3O4納米顆粒的機(jī)理有多種解釋，其中一種認(rèn)為：趨磁細(xì)菌先在胞內(nèi)形成具有堿性環(huán)境的磁小體囊泡，然后細(xì)胞膜上的Fe3+被部分還原形成Fe2+及鐵蛋白并進(jìn)入囊泡當(dāng)中，F(xiàn)e3+和Fe2+在囊泡上膜蛋白的作用下快速共沉淀，成核、生長(zhǎng)產(chǎn)生Fe3O4顆粒[10,21]。Fe3S4納米顆粒的合成過程則更為復(fù)雜，其合成過程中有更多的無機(jī)相存在，目前還研究得較少[10]。CdS、PbS等含劇毒重金屬的半導(dǎo)體材料的合成往往與多肽等物質(zhì)的螯合作用有關(guān)[13]。其中植物螯合肽和金屬硫蛋白是微生物中非常常見的穩(wěn)定重金屬離子的螯合劑，這是因?yàn)橹参矧想闹械墓入赘孰摹⒔饘倭虻鞍字械陌腚装彼峄鶊F(tuán)可以有效螯合金屬離子[13,43]。這些生物源的螯合劑會(huì)在毒性條件下過表達(dá)以快速解毒，如酵母中的谷胱甘肽和植物螯合肽會(huì)高表達(dá)將Cd2+、Pb2+富集[13,42]，然后半胱氨酸提供硫源以合成CdS、PbS納米顆粒[57-58]。還有一些微生物合成的無機(jī)納米材料是自身代謝過程得到的副產(chǎn)品，如細(xì)菌表面的S層蛋白可以促進(jìn)方解石等細(xì)粒礦物的成核[14]，硫酸鹽還原菌自身的硫代謝途徑促進(jìn)了ZnS納米顆粒的形成[59]?？傊?，微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理十分復(fù)雜，目前很多生物分子在合成當(dāng)中的作用尚未被完全理解，還需要進(jìn)一步的研究了解微生物合成無機(jī)納米材料的分子和基因機(jī)制。

2 影響微生物合成的因素

合成具有理想的成分、尺寸和形貌特征的無機(jī)納米材料一直是納米技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。在物理或化學(xué)方法中，影響合成的因素往往比較明確，而微生物合成無機(jī)納米材料的性質(zhì)則受各種復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致了尺寸、形狀、合成速率相差很大[30]。影響合成效果的因素有很多，包括微生物的種類、pH值、溫度、金屬離子濃度、菌種生長(zhǎng)期、培養(yǎng)基成分、孵育時(shí)間、微生物或蛋白濃度、離子強(qiáng)度、是否攪拌等等[30,39,46,60-63]。下面我們主要闡述了最重要的前4種因素[64]及其對(duì)微生物體系合成金屬納米材料的影響。

2.1 微生物的種類

微生物是種類極其繁多的生物群體，通常包括細(xì)菌、病毒、真菌等肉眼難以觀察到的小型生物。目前被用于合成無機(jī)納米材料的微生物有細(xì)菌、真菌、放線菌、病毒、酵母和藻類等[42,60,65-66]，圖4展示了幾種微生物和它們合成的無機(jī)納米材料。由于不同的微生物具有不同的基因、蛋白和代謝過程，進(jìn)行生物礦化的功能分子不同，因而它們合成無機(jī)納米材料的能力也不同[23]。

細(xì)菌因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)快、容易培養(yǎng)[14]而最早被用于合成無機(jī)納米材料[43]。細(xì)菌由于表面的凈負(fù)電性電荷和S層蛋白[14,68]而很容易吸附金屬離子并提供成核位點(diǎn)。細(xì)菌中大腸桿菌的基因編輯技術(shù)較為成熟，通過基因編輯可以增強(qiáng)其合成無機(jī)納米材料的某些效果[69-71]。真菌是合成無機(jī)納米材料的主力軍，它們相比于其他微生物具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：能承受更多的外界機(jī)械壓力，可以在無機(jī)基質(zhì)上生長(zhǎng)，生長(zhǎng)面積大，對(duì)金屬離子的攝入量高，向外分泌的酶和蛋白量比其他微生物多，因而合成效率很高[34,42,51,65]。放線菌作為細(xì)菌的一種同樣生長(zhǎng)繁殖快速，但放線菌同時(shí)又具有許多重要的真菌特征，如菌絲比表面積大、胞外分泌蛋白量多[34]，盡管放線菌具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前對(duì)其合成能力的探索還較少。酵母是一種能夠積累大量劇毒金屬的單細(xì)胞真菌[13,34,42]。酵母的解毒能力主要來源于其富含的谷胱甘肽、金屬硫蛋白和植物螯合肽等生物分子，其中植物螯合肽可以高效地螯合Cd2+等劇毒重金屬離子[13,34,43]，因此酵母很適合用于合成CdS、CdSe等納米材料[34,72]。植物螯合肽也有利于納米顆粒的穩(wěn)定和分散[13]，因而酵母能很容易地在胞內(nèi)合成小粒徑的半導(dǎo)體量子點(diǎn)[58,67]。酵母也有基因編輯的潛力[73]，這允許其像重組大腸桿菌一樣調(diào)控合成效果。藻類通常是水生的光合自養(yǎng)生物[30]，其中有部分生物(如藍(lán)藻)屬于微生物的范疇。藻類特有的光合系統(tǒng)電子傳遞鏈也能起到合成無機(jī)納米材料的重要作用[53]，并且藻類等水生生物適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力很強(qiáng)[74]，因此藻類是很有潛力的“納米工廠”[30,34]。病毒很擅長(zhǎng)利用生物還原制備無機(jī)納米材料[23,29,66]，因?yàn)椴《疽職さ鞍转?dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和殘基有利于金屬離子的結(jié)合和還原[29,75]。病毒衣殼還可以通過基因工程進(jìn)行表面修飾，成為一種組裝具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米材料的模板[76]，從而為金屬離子提供均勻、精確的結(jié)合位點(diǎn)，并對(duì)金屬離子進(jìn)行選擇性還原[23,56,75]。病毒與其他微生物在生物結(jié)構(gòu)和合成無機(jī)納米材料的過程方面差別過大，Lee等[56]對(duì)病毒合成無機(jī)納米材料進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。微生物合成無機(jī)納米材料的過程存在著高度的生物控制，產(chǎn)物的晶體形態(tài)和成分很大程度上取決于微生物的特性[77]，對(duì)此我們?cè)诤铣刹煌蚊布按笮〉臒o機(jī)納米材料時(shí)應(yīng)選擇合適的生物資源。

圖4 大腸桿菌 (a)[49]、酵母 (b)[67]和硫酸鹽還原菌 (c)[59]合成的Ag納米顆粒Fig.4 AgNPs biosynthesized by Escherichia coli(a)[49],yeast(b)[67]and sulfate-reducing bacteria(c)[59]

2.2 pH值

大量研究表明pH值能顯著影響微生物體系合成金屬納米材料的形貌大小和合成速率，如莢膜紅假單胞菌(R.capsulata)在pH=4時(shí)胞外合成了大于200 nm的金納米片，而在pH=7時(shí)主要合成10～20 nm大小的納米顆粒[36]；輪枝孢菌(V.luteoalbum)在pH=5和7時(shí)合成AuNPs的粒徑要遠(yuǎn)大于pH=3和9時(shí)[78]；云芝(C.versicolor)蛋白在堿性條件下合成AgNPs反應(yīng)速率比中性更快，反應(yīng)時(shí)間從72 h減少到1 h[79]；節(jié)桿菌屬(Arthrobacter sp.)胞外多糖在pH=5以下便失去了合成AgNPs的能力，而在pH=7到8之間能快速還原Ag+[41]；一些微生物及其提取物的合成速率還在某一特定pH值下達(dá)到最大值[80-81]。因此，pH值被認(rèn)為是影響微生物合成的一個(gè)重要因素[82]。

pH值對(duì)不同微生物合成的金屬納米材料會(huì)產(chǎn)生不同的效果。其中一種關(guān)于pH值影響微生物合成的解釋認(rèn)為，質(zhì)子濃度會(huì)影響生物活性分子的總電荷，進(jìn)而影響它們對(duì)金屬離子的吸附積累量[83]和對(duì)晶體生長(zhǎng)的控制能力[82]。以AuNPs的合成過程為例，pH值較低時(shí)質(zhì)子濃度很大，容易使參與還原過程的氨基、巰基、羧基等基團(tuán)帶更多正電荷，導(dǎo)致了其還原能力和還原速率的下降[33,36,48]，但同時(shí)生物活性分子也更容易吸附Au3+與生物分子形成的負(fù)電性絡(luò)合物或者AuCl4-，最終聚集形成大塊的金納米片[33,48]；pH值較高時(shí)則生物活性分子的還原能力增強(qiáng)、還原速率增加，但帶負(fù)電性的Au3+絡(luò)合物或AuCl4-與生物分子的結(jié)合能力變差，易于形成熱力學(xué)上更穩(wěn)定的小粒徑、單分散的球形AuNPs[36,62]。過于酸、堿性的環(huán)境不僅不利于還原過程的進(jìn)行，還可能會(huì)引起材料表面電荷的不穩(wěn)定，導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生[41,62]。此外，pH值還可能影響酶和蛋白的活性、細(xì)胞攜帶的電荷、細(xì)胞膜的通透性等因素，最終得到不同的合成效果，并可能因此產(chǎn)生合成過程的最適pH值。

2.3 溫 度

微生物體系作為一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系，必然受溫度控制。一般來說，隨著溫度的升高，微生物體系合成金屬納米材料的速率會(huì)加快。例如，摩根氏菌屬(M.psychrotolerans)合成AgNPs的速率在4～25℃的溫度范圍內(nèi)隨溫度不斷提高[84]；一些耐溫范圍更廣的微生物或微生物提取物，它們合成金屬納米材料的速率也會(huì)隨著溫度的升高而增加[78,85-86]。李玉梅等[41]探究了不同溫度孵育下Arthrobacter sp.胞外多糖合成AgNPs的速率。當(dāng)孵育溫度為70℃時(shí)，10 min內(nèi)就可以觀察到AgNPs的形成；當(dāng)溫度升至80℃時(shí)，合成過程為5 min；而在90℃時(shí)，合成過程則不到2 min。也有研究表明微生物體系合成一些金屬納米材料的過程存在最快反應(yīng)溫度，如南極假單胞菌(P.Antarctica)為22 ℃[80]，癭青霉(P.Fellutanum)為10～20℃[81]。溫度的改變同樣能影響材料的形貌，如M.psychrotolerans在20℃時(shí)主要合成球形AgNPs，而在4和25℃時(shí)主要合成多邊形銀納米片[84]；V.luteoalbum在50℃時(shí)會(huì)生成大的球形或多種其他形狀的金納米材料，而在25℃時(shí)僅有小粒徑顆粒形成[78]。

溫度對(duì)微生物體系合成金屬納米材料的影響機(jī)制目前還不夠清楚。一般認(rèn)為，一定范圍內(nèi)溫度的升高加速了金屬離子的細(xì)胞內(nèi)積累和還原過程[46,60]，有利于顆粒表面二次還原的發(fā)生從而形成大顆粒[86]，但反應(yīng)物的消耗速度和材料的成核速度的加快有時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致形成小粒徑顆粒[63,85]，具體的影響效果還需要視合成途徑而定。溫度過高會(huì)導(dǎo)致材料表面生物分子變性以及酶的失活[62-63]，不僅不會(huì)繼續(xù)提高合成效率，還會(huì)不利于其穩(wěn)定分散，導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象更加嚴(yán)重[87]。

2.4 金屬離子濃度

金屬離子是微生物合成金屬納米材料的原料離子。微生物雖然具有一定的金屬耐受性，但大量的金屬離子對(duì)于微生物結(jié)構(gòu)的破壞是不可避免的。隨著金屬離子濃度的增大，更多的金屬離子參與到合成過程中，導(dǎo)致最初微生物合成速率顯著增加，但過高的金屬離子濃度會(huì)使微生物死亡或生物分子失活，最終導(dǎo)致合成效率急劇下降[60,81]。目前對(duì)于金屬離子濃度與金屬納米材料形貌、大小的關(guān)系也有許多人進(jìn)行了研究。V.luteoalbum被報(bào)道在HAuCl4濃度較小時(shí)(250和500 mg·L-1)合成20 nm左右的納米顆粒，當(dāng) HAuCl4濃度增至2 500 mg·L-1時(shí)，合成出來的則是200 nm左右形狀不規(guī)則的金納米片[78]；Riddin的團(tuán)隊(duì)[88]利用硫酸鹽還原菌群的蛋白進(jìn)行Pt納米顆粒合成時(shí)，發(fā)現(xiàn)H2PtCl6與蛋白的質(zhì)量濃度比值的改變會(huì)明顯影響顆粒形貌，當(dāng)比值為0.7∶1時(shí)容易形成大塊的不規(guī)則顆粒并且團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，比值為2∶1時(shí)則會(huì)形成粒徑較小、分散性較好的方塊狀顆粒；東南大學(xué)顧寧課題組[89]發(fā)現(xiàn)R.capsulata在HAuCl4物質(zhì)的量濃度較低時(shí)只會(huì)產(chǎn)生10～20 nm的球形AuNPs，而當(dāng)HAuCl4濃度較高時(shí)則會(huì)形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金納米線，他們認(rèn)為這和包覆劑(參與合成和穩(wěn)定過程的蛋白質(zhì)等生物分子)與HAuCl4的濃度比值以及奧斯特瓦爾德成熟(Ostwald ripening)過程有關(guān)；Das等[61]對(duì)真菌 R.oryzae提取物合成AuNPs的影響因素進(jìn)行了深入研究(圖5)，他們同樣認(rèn)為金屬納米顆粒的大小和形狀受包覆劑與金屬離子質(zhì)量濃度的比值控制，這些參與合成和穩(wěn)定過程的蛋白在晶體上的吸附水平會(huì)隨著金屬離子濃度的改變而改變，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生了不同形狀的晶體。

3 微生物合成的無機(jī)納米材料

無機(jī)納米材料因其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等性能受到了廣泛關(guān)注，不同無機(jī)納米材料的性能也各不相同。為了滿足各種應(yīng)用的需要，科學(xué)家們對(duì)微生物體系合成無機(jī)納米材料的能力進(jìn)行了廣泛探索，成功地誘導(dǎo)了多種微生物從無機(jī)離子前體合成出不同的無機(jī)納米材料，并通過多種手段表征了這些材料的理化性質(zhì)以及探究了其在不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景。下面將從微生物體系所合成的各種無機(jī)納米材料的角度進(jìn)行綜述，并在表1中歸納了一些微生物合成的無機(jī)納米材料。

圖5 在不同的pH值、Au3+離子濃度下由R.oryzae提取物合成的不同形貌和大小的AuNPs[61]Fig.5 AuNPs with various morphologies and sizes synthesized by R.oryzae extract at different pH values and Au3+concentrations[61]

表1 一些微生物合成的無機(jī)納米材料及其性質(zhì)Table 1 Some inorganic nanomaterials synthesized by microbes and their properties

3.1 金屬納米材料

3.1.1 金和銀納米材料

由于合成過程簡(jiǎn)單，過去幾十年間金和銀納米材料被視作研究微生物合成無機(jī)納米材料的簡(jiǎn)單模型而得到了廣泛的研究[28,39,48]。1980年，Beveridge等[25]最早發(fā)現(xiàn)細(xì)菌B.subtilis能夠合成AuNPs，而后2001年Mukherjee等首次利用真菌合成了AuNPs[111]和AgNPs[112]，目前人們已經(jīng)能夠運(yùn)用多種微生物資源合成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金、銀納米材料，如顧寧課題組[89]報(bào)道了用R.capsulata合成出金納米線，最近Sreedharan等[64]還成功地用B.subtilis合成出了具有較高比表面積的金納米花。微生物體系合成的金、銀納米材料不僅在形貌上高度可控，還因?yàn)樵诠?、電、抗菌等性能方面表現(xiàn)優(yōu)異而具有一定的應(yīng)用潛力。早期微生物體系合成的金和銀納米材料常應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境領(lǐng)域，如Durán等[93]用尖孢鐮刀菌(F.oxysporum)制備出的AgNPs對(duì)棉衣進(jìn)行抗菌化處理，一些真菌合成的金和銀納米材料還被用于促進(jìn)傷口愈合[113]、消毒凈水[91,94]等。此外，Joerger 等[114]率先以細(xì)菌P.stutzeri AG259細(xì)胞作為碳基質(zhì)，并將細(xì)胞碳基質(zhì)和細(xì)菌合成的AgNPs以薄膜形式沉積在鋁基上合成出具有典型金屬陶瓷性能的陶瓷-Ag復(fù)合材料。這種將微生物同時(shí)作為無機(jī)納米材料的還原載體和應(yīng)用載體的方法可以有效繞過無機(jī)納米材料與微生物分離這一繁瑣的步驟[29]，并能在一定程度上提高其理化性質(zhì)，為后來微生物合成金屬-碳材料的研究提供了新穎的思路。2016年，加州大學(xué)圣克魯茲分校陳少偉和華南理工大學(xué)周偉家等團(tuán)隊(duì)[90]利用細(xì)菌膜作為電催化載體來改善微生物合成AuNPs的電催化性能。他們首先在血紅密孔菌(P.sanguineus)表面和內(nèi)部合成出了AuNPs，該 AuNPs緊密吸附在經(jīng)過Ar氣氛高溫煅燒后成為了氮摻雜碳基材料(NC)的細(xì)胞膜上，最終組成了負(fù)載AuNPs的氮摻雜碳基復(fù)合材料(Au@NC)(圖6)。C、N元素的引入顯著增強(qiáng)了AuNPs的電化學(xué)性能，Au與NC之間存在大量的電荷遷移過程，因此Au@NC表現(xiàn)出對(duì)析氫反應(yīng)(HER)及氧還原反應(yīng)(ORR)高效的電催化活性。除了微生物膜，其他納米材料也能同時(shí)成為金、銀納米材料的還原和應(yīng)用載體以增強(qiáng)微生物合成金和銀納米材料的性能。安徽大學(xué)石先陽課題組[115]利用奧奈達(dá)希瓦氏菌(S.oneidensis)在硝酸改性的多壁碳納米管(MWNTs)上原位合成了高度分散的AgNPs。改性后的MWNTs因具有大量成核位點(diǎn)而容易促進(jìn)S.oneidensis合成高度分散的AgNPs，MWNTs優(yōu)異的導(dǎo)電性能還顯著增強(qiáng)了Ag催化降解4-硝基苯酚的能力。除了與納米材料結(jié)合，一些微生物合成的AuNPs還會(huì)很容易與生物分子本身組成偶聯(lián)物而增強(qiáng)AuNPs的吸附或催化性能[116]，因?yàn)锳uNPs表面的生物修飾作用，微生物合成的AuNPs還表現(xiàn)出比對(duì)照組AuNPs更強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼(SERS)效應(yīng)[52]。由于微生物體系合成的金和銀納米材料具有形貌可控、性能優(yōu)異、合成過程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在過去幾十年間微生物合成技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為合成金、銀納米材料的一種重要手段，未來將有可能在大規(guī)模生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)重要突破。

圖6 (a)Au@NC的合成過程示意圖[90];(b)Au@NC的SEM圖中的纖維形態(tài)的Au@NC及亮點(diǎn)狀的AuNPs[90];(c)Au@NC的TEM圖中的AuNPs負(fù)載于NC上且粒徑為10～40 nm[90]Fig.6 (a)Preparation of N-doped carbon-supported AuNPs(Au@NC)[90];(b)Fibrous morphology of Au@NC and bright Au dots in SEM image[90];(c)AuNPs with sizes ranging from 10 to 40 nm loaded on N-doped carbon(NC)in TEM image[90]

3.1.2 其他金屬納米材料

受到微生物合成金、銀納米材料的啟發(fā)，人們探索了微生物合成其他金屬納米材料的能力。其中Pd、Pt兩種金屬單質(zhì)具有出色的穩(wěn)定性和催化性能，所以開發(fā)微生物合成Pd、Pt納米材料的方法顯得尤為重要。Lloyd的團(tuán)隊(duì)[117]最早嘗試了以丙酮酸、甲酸或H2等外加物質(zhì)為電子供體，利用微生物來回收廢液中的Pd2+并得到了Pd納米顆粒，幾年后Lengke的團(tuán)隊(duì)[118]又用微生物合成出了Pt納米顆粒。由于微生物對(duì)金屬離子的吸附作用，Pd、Pt納米顆粒往往會(huì)沉淀在細(xì)胞表面并被細(xì)胞膜有效分散和穩(wěn)定，其催化活性得到了提高[119-120]?；谶@一點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青課題組[98,121]進(jìn)一步提出用高溫碳化方法由S.oneidensis合成雜原子摻雜的Pd-C介孔納米材料以提高Pd納米顆粒的催化性能和導(dǎo)電性能。他們首先利用細(xì)菌S.oneidensis還原PdCl42-，在細(xì)胞表面合成了生物源的Pd納米顆粒(Bio-Pd)，接著向Pd與微生物的混合溶液中加入KOH高溫活化數(shù)小時(shí)，KOH高溫脫水形成的K2O與微生物膜反應(yīng)產(chǎn)生了內(nèi)部微孔和缺陷，最終合成出負(fù)載Pd納米顆粒的雜原子摻雜的介孔碳材料(圖7a)。導(dǎo)電性的介孔碳材料具有較高的比表面積且Pd在介孔碳上分散良好(圖7(b～c))，因而該P(yáng)d-C介孔納米材料表現(xiàn)出良好的催化降解4-硝基苯酚的能力和氧還原反應(yīng)電催化活性。石先陽課題組[122]還利用S.oneidensis在TiO2納米管上原位制備出了Pd-TiO2復(fù)合光催化劑，進(jìn)一步擴(kuò)展了微生物合成Pd納米材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。除了Pd、Pt，微生物合成其他金屬納米材料的能力也得到了初步探索，如S.oneidensis合成Cu納米顆粒(CuNPs)(圖7(d～f))[96]、腸桿菌屬(Enterobacter sp.)合成 Hg 納米顆粒[97]、乳酸菌合成Ti納米顆粒[123]、多種細(xì)菌合成La等納米晶體[124]等。這些方法合成的金屬納米材料具有良好的分散性和穩(wěn)定性，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)微生物合成多種金屬納米材料具有重要的借鑒意義。

圖7 (a)由S.oneidensis合成負(fù)載Pd納米顆粒的雜原子摻雜介孔碳材料示意圖[121];(b)400℃高溫活化后S.oneidensis細(xì)胞和Pd納米顆粒的SEM圖[121];(c)400℃高溫活化后S.oneidensis細(xì)胞和Pd納米顆粒的TEM圖[121];(d～f)S.oneidensis在細(xì)胞內(nèi)大量合成的CuNPs的TEM圖[96]Fig.7 (a)Preparation of heteroatom-doped porous carbon materials with Pd nanoparticles synthesized by S.oneidensis[121];(b)SEM image of Pd nanoparticles and S.oneidensis cells after activation at 400℃[121];(c)TEM image of Pd nanoparticles and S.oneidensis cells after activation at 400 ℃[121];(d～f)TEM images of large amounts of CuNPs synthesized in S.oneidensis cytoplasm[96]

3.1.3 雙金屬納米材料

由于協(xié)同效應(yīng)，雙金屬納米材料往往在某些方面比金屬單質(zhì)性能更突出[99,125]，因此近年來出現(xiàn)了許多關(guān)于微生物合成雙金屬納米材料的研究。Nair和Pradeep[126]首次提出用乳酸菌同時(shí)還原金和銀前體在細(xì)胞內(nèi)合成Au-Ag合金納米材料，進(jìn)行了微生物合成雙金屬納米材料的重要嘗試，后來Senapati等[127]進(jìn)一步采用真菌胞外合成Au-Ag合金納米材料并改善了其分散性，這一系列的研究使得微生物合成雙金屬納米材料的能力引起了廣泛關(guān)注。微生物體系合成雙金屬納米材料的合成過程簡(jiǎn)單、分散性較好，具有用于制備電極材料的潛力，如武漢大學(xué)胡成國(guó)的團(tuán)隊(duì)[128]將酵母胞外合成的Au-Ag合金納米顆粒用于修飾電化學(xué)傳感器并將其靈敏度提高了5倍。但是非導(dǎo)電性的微生物膜容易吸附合金納米材料、高溫碳化處理會(huì)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚等問題往往限制了其在電化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)此華中農(nóng)業(yè)大學(xué)韓鶴友和中科院城市環(huán)境研究所趙峰的團(tuán)隊(duì)[99]提出利用細(xì)菌S.oneidensis基于氧化石墨烯(GO)和高溫碳化過程合成合金-碳陽極材料以解決這些問題。他們首先在細(xì)菌S.oneidensis表面先后還原PdCl4-、AuCl4-得到了微生物膜負(fù)載的Pd-Au合金材料，然后在微生物膜-Pd-Au材料表面進(jìn)一步涂覆GO，最后通過水熱反應(yīng)制備出了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的雜原子摻雜的Pd-Au合金/還原氧化石墨烯(rGO)復(fù)合材料。高溫碳化和包裹rGO后的細(xì)胞膜導(dǎo)電性顯著提升，并且預(yù)先進(jìn)行GO的包裹避免了高溫碳化時(shí)顆粒聚集的問題，提高了合金材料的比表面積。因此，這種合金納米材料和碳納米材料的組裝方法將大大提升合金納米材料的電學(xué)性能。安徽大學(xué)程園園等[129]在催化應(yīng)用方面也采取了類似的策略，但是他們沒有進(jìn)行高溫碳化過程，而是用S.oneidensis一步還原合成了Pd-Ag/rGO復(fù)合材料，并將其用于催化降解污染物，充分展示了細(xì)菌S.oneidensis在合成金屬-碳納米材料方面的巨大潛力。總之，S.oneidensis等微生物因具有強(qiáng)大的生物還原能力為合成雙金屬納米材料提供了巨大探索空間，從而成為微生物體系合成無機(jī)納米材料在催化、電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要生物資源。

3.2 金屬氧化物和金屬硫化物納米材料

由于合成機(jī)制復(fù)雜，人們對(duì)微生物體系合成金屬氧化物和金屬硫化物納米材料的探索經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。趨磁細(xì)菌是最早被發(fā)現(xiàn)可以合成金屬氧化物和金屬硫化物納米材料的微生物之一，1975年Blakemore[130]在Science上首次展示的這種能在細(xì)胞內(nèi)合成鏈狀磁性納米顆粒的微生物引起了當(dāng)時(shí)多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。趨磁細(xì)菌能利用Fe3+在細(xì)胞內(nèi)合成具有長(zhǎng)方形、子彈形、菱形等多種晶形的Fe3O4、Fe3S4、γ-Fe2O3等磁性納米顆粒[10,77]，因此其一直被當(dāng)作生物礦化過程的標(biāo)準(zhǔn)模型而得到了廣泛研究[10]。盡管其基因?qū)用娴暮铣蓹C(jī)理尚不明確，但人們已經(jīng)從中學(xué)習(xí)并利用其他多種微生物合成了Fe3O4、Fe3S4、Co3O4、FeS2等磁性納米材料[10,43,131]，如Bharde等[132]利用真菌胞外分泌蛋白使鐵前體水解形成方塊狀Fe3O4納米顆粒；Byrne的團(tuán)隊(duì)[133]嘗試了利用硫還原地桿菌(G.sulfurreducens)合成Zn置換的磁鐵礦納米顆粒。相比于非磁性納米材料，由微生物合成的磁性納米材料具有許多獨(dú)特的性質(zhì)[134]。首先，磁性納米材料更容易從反應(yīng)體系中回收利用。大連理工大學(xué)柳廣飛的團(tuán)隊(duì)[101]利用S.oneidensis MR-1先在胞外合成了Fe3O4納米顆粒，然后在Fe3O4表面進(jìn)一步通過生物還原過程合成了 Pd/Fe3O4、Au/Fe3O4和PdAu/Fe3O4納米復(fù)合材料(圖8)，該復(fù)合材料不僅能有效催化降解有機(jī)污染物，F(xiàn)e3O4納米顆粒的存在還使得該催化劑可以通過磁場(chǎng)回收；Coker等[135]用鐵還原菌同樣得到了Fe3O4納米顆粒負(fù)載的Pd催化劑；Watson等[136-137]認(rèn)為硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的FeS具有吸附水中重金屬離子的能力，并且FeS能夠通過磁場(chǎng)從水中分離而實(shí)現(xiàn)水的凈化。其次，一些趨磁細(xì)菌合成的磁性納米材料具有高度可控的形貌特征、良好的生物相容性和超順磁性，因而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[10,57]，例如Lisy的團(tuán)隊(duì)[138]將趨磁細(xì)菌中磁螺菌(M.gryphiswaldense)合成的磁性納米材料作為造影劑，用于巨噬細(xì)胞的磁共振成像(MRI)；Matsunaga等[21]還綜述了趨磁細(xì)菌等微生物合成的磁性納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括藥物遞送、DNA提取、免疫分析等。這些成果都表明對(duì)合成磁性納米材料的微生物的研究具有重要的意義。

圖8 由S.oneidensis MR-1合成Pd/Fe3O4、Au/Fe3O4和PdAu/Fe3O4納米復(fù)合材料的示意圖[101]Fig.8 Biosynthesis of Pd/Fe3O4,Au/Fe3O4and PdAu/Fe3O4composites by S.oneidensis MR-1[101]

不同于趨磁細(xì)菌，硅藻可以利用細(xì)胞壁表面的蛋白質(zhì)將海水中的硅酸鹽水解而產(chǎn)生緊密排布的SiO2材料。受微生物這種強(qiáng)大水解活性的啟發(fā)，研究者們可以由微生物合成許多金屬氧化物，如真菌F.oxysporum被報(bào)道通過生物誘導(dǎo)的水解作用由TiF62-和SiF62-溶液合成 TiO2和SiO2納米顆粒[54]以及由ZrF62-溶液合成ZrO2納米顆粒[55]；乳酸菌被報(bào)道由Sb3+合成了Sb2O3納米顆粒[105]。除了上述氧化物外，UO2[139]、Ag2O[140]、CeO2[141]、Bi2O3[142]、CuO[143]等納米材料均能由微生物以多種涉及水解或氧化過程的機(jī)制合成。在這些氧化物當(dāng)中，一些半導(dǎo)體納米材料因具有出色的光電性能而被用作光催化劑。例如，Raliya等[103]利用黃曲霉(A.flavus)胞外合成了粒徑只有幾納米的TiO2納米顆粒，他們將TiO2噴灑到植物葉面后有效促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，這表明微生物合成的TiO2納米顆粒具有良好的光催化性能和生物相容性；Tripathi的團(tuán)隊(duì)[104]還利用地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)合成了ZnO納米花，并表明B.licheniformis合成的ZnO具有較強(qiáng)的光催化降解有機(jī)污染物的性能。

與上述合成氧化物的機(jī)制有所不同，許多微生物合成金屬硫化物納米材料的能力是來自于對(duì)重金屬脅迫的抵抗。1989年，Dameron等[144]最早發(fā)現(xiàn)酵母可以在螯合肽的作用下由Cd2+溶液合成CdS QDs；Cunningham和Lundie[145]接著在1993年指出半胱氨酸和CdCl2能使大腸桿菌表面沉淀出CdS顆粒。一般認(rèn)為，微生物為了避免重金屬離子的毒性作用，他們會(huì)利用半胱氨酸等含硫分子誘導(dǎo)重金屬離子沉淀而解除毒性。研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)酵母在這方面表現(xiàn)出色，它們利用細(xì)胞內(nèi)富含的多肽將重金屬離子螯合并在液泡當(dāng)中隔離[13,32]，進(jìn)而利用半胱氨酸合成多種硫化物納米晶體。由于酵母細(xì)胞的解毒能力出色，且酵母合成的無機(jī)納米材料往往尺寸較小而均一，它們一直在金屬硫化物納米材料的合成當(dāng)中扮演著重要的角色[13,31,34]，如酵母被報(bào)道合成CdS[107]、PbS[146]、ZnS[147]等多種納米材料。除了酵母，許多微生物也廣泛具有合成 CdS[148]、ZnS[59]、PbS[148-149]、Ag2S[26,150]、HgS[148,151]、Bi2S3[152]、CuS[153]等金屬硫化物的能力，但是合成機(jī)制不盡相同。無論是哪種機(jī)制，微生物合成的許多金屬硫化物納米材料具有良好的晶體結(jié)構(gòu)和較小的尺寸，故這些材料很好地保持了半導(dǎo)體的性能[13]。楊培東課題組[106]以半胱氨酸作為硫源在非光合作用的CO2還原細(xì)菌熱醋穆爾氏菌(M.thermoacetica)細(xì)胞表面合成了CdS納米顆粒，并通過CdS半導(dǎo)體納米顆粒與細(xì)菌Wood-Ljungdahl固碳途徑的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了非光合細(xì)菌對(duì)太陽能的有效利用。半導(dǎo)體CdS在光照下躍遷產(chǎn)生的大量電子可以參與到非光合細(xì)菌M.thermoacetica還原CO2的電子鏈當(dāng)中，使其進(jìn)行光合作用產(chǎn)生乙酸(圖9)，并且量子產(chǎn)率達(dá)到了85%左右。Kowshik的團(tuán)隊(duì)[107]還將粟酒裂殖酵母(S.pombe)合成的CdS納米晶用于制備二極管裝置，由于顆粒表面生物修飾的作用，該二極管具有工作電壓低，正向電流大等特點(diǎn)。這些研究表明微生物將有望成為合成半導(dǎo)體納米材料的小型工廠，未來應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更多的探索。

3.3 其他金屬化合物納米材料

圖9 非光合細(xì)菌M.thermoacetica合成CdS納米顆粒及隨后還原CO2的示意圖[106]Fig.9 Depiction for biosynthesis of CdS nanoparticles and subsequent CO2reduction by nonphotosy nthetic bacteria M.thermoacetica[106]

除了硫化物半導(dǎo)體量子點(diǎn)外，微生物還具備合成其他多種量子點(diǎn)的能力。例如，武漢大學(xué)龐代文課題組[32]提出將酵母內(nèi)Se的還原代謝途徑和Cd2+離子的解毒途徑相耦合用于合成CdSe QDs，他們首先利用酵母細(xì)胞中的谷胱甘肽及相關(guān)還原性酶將Na2SeO3還原成Se-Cys復(fù)合物，然后復(fù)合物在谷胱甘肽的作用下與Cd2+結(jié)合最終形成CdSe QDs(圖10a)[58]。他們還進(jìn)一步研究了CdSe QDs的控制合成及發(fā)光性質(zhì)，結(jié)果表明隨著Cd2+孵育時(shí)間的延長(zhǎng)，CdSe QDs的直徑不斷變大，由2.77 nm左右變?yōu)?.34 nm左右，CdSe的發(fā)光波長(zhǎng)也隨之紅移 (圖10(b～d))?；诮湍负铣蒀dSe QDs優(yōu)異的發(fā)光性能，中國(guó)藥科大學(xué)吳盛美和嚴(yán)拯宇的團(tuán)隊(duì)[154]進(jìn)一步利用含有CdSe QDs的酵母細(xì)胞作為熒光探針檢測(cè)水中和血漿中的Cu2+，首次實(shí)現(xiàn)了利用活細(xì)胞內(nèi)生物合成的量子點(diǎn)進(jìn)行離子選擇性檢測(cè)。不同于上述胞內(nèi)合成量子點(diǎn)的過程，趙東元院士的團(tuán)隊(duì)[67]另辟蹊徑在酵母胞外合成了CdTe QDs，他們指出胞外合成的CdTe QDs同樣具有尺寸可調(diào)、熒光發(fā)射較強(qiáng)的特點(diǎn)，并且胞外合成的量子點(diǎn)極易回收處理，CdTe QDs在被酵母內(nèi)吞后還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母細(xì)胞的原位生物成像。微生物合成的各種半導(dǎo)體量子點(diǎn)因具有出色的水溶性和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)此張春陽課題組[31]有詳細(xì)的綜述。為了進(jìn)一步提升微生物合成量子點(diǎn)等無機(jī)納米材料的能力，Park等[70]利用基因編輯技術(shù)由微生物合成了多種量子點(diǎn)以及其他金屬納米材料。他們將其他物種的植物螯合肽合成酶和金屬硫蛋白的基因引入大腸桿菌后，成功地合成出了CdZn、CdSe、CdTe、SeZn、CdSeZn、PrGd、CdCs和FeCo 等無機(jī)納米材料。這項(xiàng)研究充分說明了基因編輯技術(shù)將成為微生物合成新型無機(jī)納米材料的一把利劍，能進(jìn)一步豐富微生物合成無機(jī)納米材料的種類。

圖10 (a)酵母合成CdSe QDs的機(jī)理圖[58];(b～d)經(jīng)Cd2+孵育(b)12、(c)24和(d)40 h后酵母的共聚焦顯微鏡熒光圖像及其相應(yīng)的原位熒光光譜[58]Fig.10 (a)Proposed mechanism of CdSe QDs biosynthesis by yeast[58];(b～d)In situ laser confocal scanning microscopy photographs and corresponding fluorescence spectra of yeasts after incubation with Cd2+for(b)12,(c)24,and(d)40 h,respectively[58]

微生物合成CaCO3、CaSO4等無機(jī)鹽的例子在自然界中相當(dāng)常見。微生物通過生物礦化合成這些礦物質(zhì)來維持自身的生存，因此利用微生物這種與生俱來的能力可以合成一些無機(jī)鹽類納米材料。例如，河南師范大學(xué)楊林的團(tuán)隊(duì)[108]利用酵母呼吸產(chǎn)生的CO2在生物分子的引導(dǎo)下與溶液中的Ca2+反應(yīng)在胞內(nèi)合成了CaCO3納米顆粒，這種內(nèi)源性的CaCO3支架可以誘導(dǎo)藥物進(jìn)入細(xì)胞，然后作為pH響應(yīng)的藥物遞送載體；廈門大學(xué)賈立山課題組[155]還利用了畢赤酵母(P.pastoris)提取物合成了Cu摻雜的LaCoO3光催化劑，Cu的摻雜和材料表面的生物修飾使得該催化劑對(duì)甲醛溶液制氫反應(yīng)具有較強(qiáng)的光催化活性。此外，微生物細(xì)胞生物礦化的能力還被用于合成細(xì)胞外殼。浙江大學(xué)唐?？嫡n題組[156]通過提高酵母細(xì)胞表面的電荷密度，在酵母細(xì)胞表面原位誘導(dǎo)合成了一層磷酸鈣外殼，該外殼不僅保持了細(xì)胞的生命活力，還可以在惡劣的外部條件下保護(hù)細(xì)胞。除了上述無機(jī)鹽外，微生物還被用于合成SrCO3[157]、BaTiO3[158]、FePO4[50]等多種納米材料。基于微生物復(fù)雜的代謝過程，未來利用微生物合成各種具有復(fù)雜成分和結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米材料成為了可能。

3.4 其他非金屬納米材料

圖11 (a)硫酸鹽還原菌通過生物還原合成氮和硫摻雜的石墨烯材料(N,S-G)的示意圖[110];(b)N,S-G的TEM圖[110];(c)GO和N,S-G的XPS圖譜[110]Fig.11 (a)Preparation of nitrogen and sulfur-doped graphene(N,S-G)by microbial reduction of sulfate-reducing bacteria[110];(b)TEM image of N,S-G[110];(c)XPS survey spectra of GO and N,S-G[110]

一些非金屬離子也被報(bào)道可以由微生物體系合成非金屬單質(zhì)及其氧化物、硫化物納米材料，特別是一些準(zhǔn)金屬元素受到了研究者們的廣泛關(guān)注[15,159]。例如，Baesman的團(tuán)隊(duì)[160]用2種厭氧菌合成了具有針狀和球狀的Te納米顆粒；中科院合肥智能機(jī)械研究所劉錦淮的團(tuán)隊(duì)[161]利用B.subtilis合成出Se納米球和納米線并將其用于制備H2O2生物傳感器；Lee的課題組[162]利用希瓦氏菌屬(Shewanella sp.)在厭氧條件下合成了As2S3納米管，隨著時(shí)間的推移，納米管的結(jié)晶度和化學(xué)成分也在不斷變化，最終產(chǎn)生了As4S5、AsS等多種砷化物；As2O3也被報(bào)道可以由微生物合成得到[163]?；谖⑸飶?qiáng)大的生物還原能力和復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，近年來微生物還被用于合成碳納米材料。Salas[164]和李軼[165]的團(tuán)隊(duì)利用Shewanella sp.在常溫有氧條件下還原GO合成了石墨烯材料。加州大學(xué)圣克魯茲分校李軼的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為Shewanella sp.在還原GO的過程中不僅外膜的細(xì)胞色素c直接介導(dǎo)了胞外的電子轉(zhuǎn)移，而且細(xì)菌自分泌的可溶性電子介質(zhì)也參與了胞外電子轉(zhuǎn)移過程[165]。中科院化學(xué)研究所劉云圻院士和華中科技大學(xué)王帥的團(tuán)隊(duì)[110]還進(jìn)一步利用硫酸鹽還原菌還原GO得到了氮和硫摻雜的石墨烯材料(圖11)，并將其用于制備檢測(cè)Cd2+和Pb2+的電化學(xué)傳感器。此外，細(xì)菌繁殖時(shí)所合成的細(xì)菌纖維素因具有復(fù)雜的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)近年來被廣泛用于合成三維碳納米材料[166]，微生物膜也因具有高比表面積和許多雜原子而被用于合成碳基材料。盡管微生物具有合成多種非金屬納米材料的潛力，但目前這方面的研究還較少，微生物合成其他非金屬納米材料的方法還有待開發(fā)。

4 總結(jié)與展望

過去幾十年間，人們已經(jīng)利用微生物的多種生存代謝機(jī)制得到了不同種類的無機(jī)納米材料。這些基于微生物體系合成的無機(jī)納米材料不僅完整地保留了傳統(tǒng)物理、化學(xué)方法合成納米材料的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)，還具有環(huán)境友好、成本低廉、生物相容性好等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，利用微生物體系合成無機(jī)納米材料這一領(lǐng)域正不斷得到重視，并在生物醫(yī)學(xué)、催化等方面實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用。盡管這一領(lǐng)域目前已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但未來還有許多工作需要進(jìn)一步開展：

(i)深入研究微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理，精確控制無機(jī)納米材料的形貌特征。盡管人們已經(jīng)知道微生物的解毒機(jī)制和其他代謝過程在合成中起關(guān)鍵作用，但仍有很多微生物的合成機(jī)理尚不明確，細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、pH值、金屬離子濃度、培養(yǎng)介質(zhì)、材料表面的生物分子如何具體影響合成過程仍有待闡明，這導(dǎo)致目前微生物合成無機(jī)納米材料的分散性、尺寸控制還不夠理想。對(duì)此，已有許多團(tuán)隊(duì)在分子和基因水平上對(duì)微生物合成無機(jī)納米材料的機(jī)理進(jìn)行了研究。支志明[49]和Vasylevskyi[167]的團(tuán)隊(duì)對(duì)參與大腸桿菌和細(xì)菌G.sulfurreducens合成AgNPs的生物分子進(jìn)行了精確定位，闡明了生物還原的電子傳遞過程，對(duì)于理解生物分子在生物還原中的作用有著重要的意義。龐代文課題組[32,58]基于對(duì)酵母的Se還原途徑和Cd解毒過程的理解，設(shè)計(jì)出了合成具有理想尺寸和發(fā)光性能的CdSe QDs的方法。Kang等[69]根據(jù)植物螯合肽的解毒機(jī)制，將植物螯合肽合成酶的基因引入大腸桿菌，其所合成的CdS納米晶的尺寸均勻性得到了優(yōu)化，證明了從基因?qū)用嬲{(diào)控微生物合成無機(jī)納米材料效果的可能性。此外研究者們還一直通過基因測(cè)序等手段試圖探究和模仿趨磁細(xì)菌合成高度有序磁性納米材料的能力，但是進(jìn)展仍然緩慢[10]。盡管目前人們對(duì)微生物合成機(jī)制方面的理解非常有限，但從分子和基因?qū)用嫜芯课⑸锖铣蓹C(jī)制將是合成出具有理想尺寸、形狀和分散性的無機(jī)納米材料的出路之一，故未來應(yīng)當(dāng)更多地在分子和基因水平上深入探索微生物合成無機(jī)納米材料機(jī)理。通過了解生物分子的表達(dá)和作用過程，以及合成參數(shù)對(duì)生物分子的影響，我們可以在時(shí)間和空間上對(duì)微生物誘導(dǎo)的還原、成核、生長(zhǎng)、穩(wěn)定等過程進(jìn)行選擇性調(diào)控，最終像物理化學(xué)方法一樣通過調(diào)節(jié)合成參數(shù)來精確控制無機(jī)納米材料的維度、尺寸、形狀和分散性等性質(zhì)。

(ii)提高微生物合成的效率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。微生物的培養(yǎng)到合成過程需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，產(chǎn)品數(shù)量相對(duì)物理化學(xué)方法較少，無機(jī)納米材料與細(xì)胞的分離過程也會(huì)增加處理難度，這些阻礙了無機(jī)納米材料的大規(guī)模生產(chǎn)。未來需要深入研究穩(wěn)定高效的無機(jī)納米材料合成方法以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。細(xì)胞外合成具有效率高、易分離等優(yōu)勢(shì)[46]，對(duì)此Moon等[168-170]設(shè)計(jì)了基于細(xì)胞外合成的生物反應(yīng)器工藝并優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用熱厭氧桿菌屬(Thermoanaerobacter sp.)大規(guī)模胞外合成ZnS和磁性納米顆粒，展示了微生物合成納米材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的巨大前景。微生物生長(zhǎng)繁殖速度的加快能顯著提高無機(jī)納米材料的產(chǎn)率，其中生物膜作為微生物活躍生長(zhǎng)的聚集體，繁殖迅速，表面積大，分泌的生物分子量多，抗外界干擾能力強(qiáng)，是極具效率的合成載體[53]，基于生物膜設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器有望大幅縮短合成時(shí)間[51]，但目前關(guān)于這方面的研究還較少。相比活細(xì)胞體系，無細(xì)胞提取物反應(yīng)體系更加簡(jiǎn)單、易控制和易實(shí)現(xiàn)分離[46]，因此利用微生物無細(xì)胞提取物進(jìn)行合成也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的有效方式。此外，Chen等[71]通過基因編輯使重組大腸桿菌中的谷胱甘肽合成酶過表達(dá)，最終CdS納米顆粒的產(chǎn)量達(dá)到了對(duì)照組的2.5倍。細(xì)胞外合成、生物膜技術(shù)、無細(xì)胞提取物合成、基因編輯以及其他增強(qiáng)微生物發(fā)酵能力的技術(shù)能提高合成效率，在未來應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁嗟难芯?，并通過取長(zhǎng)補(bǔ)短充分發(fā)揮微生物合成無機(jī)納米材料綠色、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

(iii)豐富微生物合成材料的種類。微生物對(duì)重金屬的解毒過程是用于合成無機(jī)納米材料常見的手段，這使得目前微生物合成的無機(jī)納米材料往往集中于金屬納米材料或CdS等半導(dǎo)體納米材料，對(duì)于非金屬等其他無機(jī)納米材料不易通過微生物獲得，如碳納米材料、無機(jī)鹽類。迄今為止已有許多研究者采取高溫處理的辦法將微生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化成雜原子摻雜的碳納米材料，或者采取生物還原由GO合成石墨烯材料，這是豐富微生物合成碳納米材料種類的重要嘗試，但合成高性能碳納米材料方面的探索還不夠。微生物還具有強(qiáng)大的生物礦化能力，在自然界中已廣泛合成了 CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4等無機(jī)礦物質(zhì)[171]，但利用微生物合成具有復(fù)雜成分的化合物（如鈣鈦礦納米材料等），以及含缺陷或摻雜的無機(jī)納米材料的方法仍需進(jìn)一步開發(fā)。基因編輯技術(shù)同樣對(duì)于豐富無機(jī)納米材料的種類具有重要意義，如Park等[70]利用能夠表達(dá)其他來源的植物螯合肽合成酶和金屬硫蛋白的重組大腸桿菌合成了多種新型無機(jī)納米材料。開發(fā)新材料的合成方法同樣需要對(duì)微生物合成機(jī)制有著深入理解，未來應(yīng)當(dāng)研究各種微生物以及相應(yīng)生物分子的合成特性，充分挖掘微生物體系合成某一類無機(jī)納米材料的能力，繼而舉一反三，開發(fā)出多種無機(jī)納米材料的合成方法。

總之，利用微生物體系合成無機(jī)納米材料具有廣闊的前景。細(xì)菌、真菌等微生物因自然賦予的強(qiáng)大生存能力成為了無機(jī)納米材料的合成工廠，并可能在催化、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但目前微生物體系合成無機(jī)納米材料這一領(lǐng)域的開發(fā)探索還不夠深入，還缺少實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽睾铣傻姆椒ㄔO(shè)計(jì)，在機(jī)理研究、材料性質(zhì)的控制、合成效率的提高、納米材料種類多樣性等方面還有許多問題亟待解決。如何利用微生物高效地合成所需無機(jī)納米材料是一個(gè)物理、化學(xué)、生物多學(xué)科交叉的問題，在未來需要各個(gè)學(xué)科的科學(xué)家共同努力解決。