基于微生物体系合成无机纳米材料的研究进展
发布时间：2021-08-20 08:26
无机纳米材料在能源、生物医学等领域应用非常广泛,过去几十年间关于无机纳米材料合成方法的研究一直受到广泛关注。自然界中普遍存在的生物矿化过程赋予了生物体合成含有特殊结构和功能的无机纳米材料的能力。微生物体系合成的无机纳米材料具有环境友好、成本低廉、生物相容性好等优点,正成为纳米材料科学的一个重要研究领域。我们主要聚焦于微生物体系合成无机纳米材料的机理、影响因素、材料分类及其应用,总结了近年来关于微生物体系合成无机纳米材料的研究历程,并对该领域面临的挑战及未来的发展方向进行了展望。
【文章来源】：无机化学学报. 2020,36(05)北大核心SCICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
非光合细菌M.thermoacetica合成CdS纳米颗粒及随后还原CO2的示意图[106]
图9 非光合细菌M.thermoacetica合成CdS纳米颗粒及随后还原CO2的示意图[106]微生物合成CaCO3、CaSO4等无机盐的例子在自然界中相当常见。微生物通过生物矿化合成这些矿物质来维持自身的生存，因此利用微生物这种与生俱来的能力可以合成一些无机盐类纳米材料。例如，河南师范大学杨林的团队[108]利用酵母呼吸产生的CO2在生物分子的引导下与溶液中的Ca2+反应在胞内合成了CaCO3纳米颗粒，这种内源性的CaCO3支架可以诱导药物进入细胞，然后作为p H响应的药物递送载体；厦门大学贾立山课题组[155]还利用了毕赤酵母(P.pastoris)提取物合成了Cu掺杂的LaCoO3光催化剂，Cu的掺杂和材料表面的生物修饰使得该催化剂对甲醛溶液制氢反应具有较强的光催化活性。此外，微生物细胞生物矿化的能力还被用于合成细胞外壳。浙江大学唐睿康课题组[156]通过提高酵母细胞表面的电荷密度，在酵母细胞表面原位诱导合成了一层磷酸钙外壳，该外壳不仅保持了细胞的生命活力，还可以在恶劣的外部条件下保护细胞。除了上述无机盐外，微生物还被用于合成Sr CO3[157]、BaTiO3[158]、FePO4[50]等多种纳米材料。基于微生物复杂的代谢过程，未来利用微生物合成各种具有复杂成分和结构的无机纳米材料成为了可能。
一些非金属离子也被报道可以由微生物体系合成非金属单质及其氧化物、硫化物纳米材料，特别是一些准金属元素受到了研究者们的广泛关注[15,159]。例如，Baesman的团队[160]用2种厌氧菌合成了具有针状和球状的Te纳米颗粒；中科院合肥智能机械研究所刘锦淮的团队[161]利用B.subtilis合成出Se纳米球和纳米线并将其用于制备H2O2生物传感器；Lee的课题组[162]利用希瓦氏菌属(Shewanella sp.)在厌氧条件下合成了As2S3纳米管，随着时间的推移，纳米管的结晶度和化学成分也在不断变化，最终产生了As4S5、AsS等多种砷化物；As2O3也被报道可以由微生物合成得到[163]。基于微生物强大的生物还原能力和复杂的表面结构，近年来微生物还被用于合成碳纳米材料。Salas[164]和李轶[165]的团队利用Shewanella sp.在常温有氧条件下还原GO合成了石墨烯材料。加州大学圣克鲁兹分校李轶的团队认为Shewanella sp.在还原GO的过程中不仅外膜的细胞色素c直接介导了胞外的电子转移，而且细菌自分泌的可溶性电子介质也参与了胞外电子转移过程[165]。中科院化学研究所刘云圻院士和华中科技大学王帅的团队[110]还进一步利用硫酸盐还原菌还原GO得到了氮和硫掺杂的石墨烯材料(图11)，并将其用于制备检测Cd2+和Pb2+的电化学传感器。此外，细菌繁殖时所合成的细菌纤维素因具有复杂的三维多孔网状结构近年来被广泛用于合成三维碳纳米材料[166]，微生物膜也因具有高比表面积和许多杂原子而被用于合成碳基材料。尽管微生物具有合成多种非金属纳米材料的潜力，但目前这方面的研究还较少，微生物合成其他非金属纳米材料的方法还有待开发。4 总结与展望
【参考文献】：
期刊论文
[1]活细胞合成无机纳米材料[J]. 熊玲红,崔然,刘茴茴,李勇,谢志雄,张志凌,胡斌,庞代文. 中国科学:化学. 2016(02)
[2]微生物介导的金纳米颗粒合成[J]. 刘紫嫣,周豪,沈娥,王经伟,张照婧,沈文丽,马桥,曲媛媛,周集体. 微生物学通报. 2015(08)
本文编号：3353165
【文章来源】：无机化学学报. 2020,36(05)北大核心SCICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
非光合细菌M.thermoacetica合成CdS纳米颗粒及随后还原CO2的示意图[106]
图9 非光合细菌M.thermoacetica合成CdS纳米颗粒及随后还原CO2的示意图[106]微生物合成CaCO3、CaSO4等无机盐的例子在自然界中相当常见。微生物通过生物矿化合成这些矿物质来维持自身的生存，因此利用微生物这种与生俱来的能力可以合成一些无机盐类纳米材料。例如，河南师范大学杨林的团队[108]利用酵母呼吸产生的CO2在生物分子的引导下与溶液中的Ca2+反应在胞内合成了CaCO3纳米颗粒，这种内源性的CaCO3支架可以诱导药物进入细胞，然后作为p H响应的药物递送载体；厦门大学贾立山课题组[155]还利用了毕赤酵母(P.pastoris)提取物合成了Cu掺杂的LaCoO3光催化剂，Cu的掺杂和材料表面的生物修饰使得该催化剂对甲醛溶液制氢反应具有较强的光催化活性。此外，微生物细胞生物矿化的能力还被用于合成细胞外壳。浙江大学唐睿康课题组[156]通过提高酵母细胞表面的电荷密度，在酵母细胞表面原位诱导合成了一层磷酸钙外壳，该外壳不仅保持了细胞的生命活力，还可以在恶劣的外部条件下保护细胞。除了上述无机盐外，微生物还被用于合成Sr CO3[157]、BaTiO3[158]、FePO4[50]等多种纳米材料。基于微生物复杂的代谢过程，未来利用微生物合成各种具有复杂成分和结构的无机纳米材料成为了可能。
一些非金属离子也被报道可以由微生物体系合成非金属单质及其氧化物、硫化物纳米材料，特别是一些准金属元素受到了研究者们的广泛关注[15,159]。例如，Baesman的团队[160]用2种厌氧菌合成了具有针状和球状的Te纳米颗粒；中科院合肥智能机械研究所刘锦淮的团队[161]利用B.subtilis合成出Se纳米球和纳米线并将其用于制备H2O2生物传感器；Lee的课题组[162]利用希瓦氏菌属(Shewanella sp.)在厌氧条件下合成了As2S3纳米管，随着时间的推移，纳米管的结晶度和化学成分也在不断变化，最终产生了As4S5、AsS等多种砷化物；As2O3也被报道可以由微生物合成得到[163]。基于微生物强大的生物还原能力和复杂的表面结构，近年来微生物还被用于合成碳纳米材料。Salas[164]和李轶[165]的团队利用Shewanella sp.在常温有氧条件下还原GO合成了石墨烯材料。加州大学圣克鲁兹分校李轶的团队认为Shewanella sp.在还原GO的过程中不仅外膜的细胞色素c直接介导了胞外的电子转移，而且细菌自分泌的可溶性电子介质也参与了胞外电子转移过程[165]。中科院化学研究所刘云圻院士和华中科技大学王帅的团队[110]还进一步利用硫酸盐还原菌还原GO得到了氮和硫掺杂的石墨烯材料(图11)，并将其用于制备检测Cd2+和Pb2+的电化学传感器。此外，细菌繁殖时所合成的细菌纤维素因具有复杂的三维多孔网状结构近年来被广泛用于合成三维碳纳米材料[166]，微生物膜也因具有高比表面积和许多杂原子而被用于合成碳基材料。尽管微生物具有合成多种非金属纳米材料的潜力，但目前这方面的研究还较少，微生物合成其他非金属纳米材料的方法还有待开发。4 总结与展望
【参考文献】：
期刊论文
[1]活细胞合成无机纳米材料[J]. 熊玲红,崔然,刘茴茴,李勇,谢志雄,张志凌,胡斌,庞代文. 中国科学:化学. 2016(02)
[2]微生物介导的金纳米颗粒合成[J]. 刘紫嫣,周豪,沈娥,王经伟,张照婧,沈文丽,马桥,曲媛媛,周集体. 微生物学通报. 2015(08)
本文编号：3353165
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