基于黄褐曲霉生物合成的Y2O3纳米复合材料在重金属废水修复及生物医学应用中的创新研究

《Scientific Reports》：Biological applications of yttrium oxide nanocomposites synthesized from Aspergillus penicillioides and their potential role in environmental remediation

本研究针对工业废水中铅(Pb)和镍(Ni)等有毒重金属污染问题，开发了基于黄褐曲霉(Aspergillus penicillioides)生物合成的Y2O3纳米复合材料。研究人员通过真菌介导的绿色合成方法成功制备了球形Y2O3纳米复合材料(尺寸31.4-61.9 nm)，该材料在pH=6条件下对铅和镍的吸附率分别达到60%，并表现出优异的光催化降解性能。研究还证实了该纳米复合材料具有抗菌、抗氧化活性和良好的生物相容性(溶血率<3%)，为环境修复和生物医学应用提供了新型多功能材料。

　　

随着工业化进程的加速，含有铅、镍等有毒重金属的工业废水对环境和人类健康构成了巨大威胁。这些重金属离子具有高溶解性和生物累积性，可通过食物链进入人体，引发肾衰竭、癌症、神经系统疾病等严重健康问题。传统的水处理方法存在成本高、效率低、易产生二次污染等局限性，迫切需要开发新型高效、环境友好的废水处理技术。

纳米技术的发展为重金属污染治理带来了新希望，其中氧化钇(Y₂O₃)纳米材料因其独特的物理化学性质而备受关注。然而，传统的化学合成方法往往使用有毒试剂，限制了其生物医学应用。基于此，印度韦洛尔理工学院的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新研究，利用真菌黄褐曲霉(Aspergillus penicillioides)生物合成了Y₂O₃纳米复合材料，并系统评估了其在环境修复和生物医学领域的应用潜力。

关键技术方法

研究团队从泰米尔纳德邦的土壤和水样中分离筛选出耐受铅镍的真菌菌株，通过18S rRNA测序鉴定为黄褐曲霉。利用真菌代谢产物生物合成Y₂O₃纳米复合材料，采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线衍射(XRD)、动态光散射(DLS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术进行表征。通过批次吸附实验评估重金属去除效率，运用原子吸收光谱(AAS)定量分析金属离子浓度，并系统研究了材料的抗菌活性、抗氧化活性和生物相容性。

结果与讨论

真菌鉴定与纳米复合材料合成

研究团队从75份环境样品中成功分离出一株能够耐受高浓度铅(1000μg/mL)和镍的真菌菌株。通过形态学观察和分子生物学鉴定，确定该菌株为黄褐曲霉，其基因序列已收录于NCBI数据库(登录号PQ570604.1)。

利用真菌代谢产物进行Y₂O₃纳米复合材料的胞外生物合成，GC-MS分析鉴定了20种生物活性化合物，这些化合物在纳米材料形成过程中起到还原、封端和稳定作用。与硝酸钇反应后，溶液由无色变为乳白色，表明成功合成了Y₂O₃纳米复合材料。

纳米复合材料表征

表征结果显示，合成的Y₂O₃纳米复合材料在284nm处有特征吸收峰，光学带隙为4.37eV。XRD分析表明材料具有立方晶系结构，平均晶粒尺寸为31.4nm，结晶度为80.4%。DLS显示流体力学直径为61.9nm，Zeta电位为-20.7mV，表明材料具有良好的胶体稳定性。

2O₃纳米复合材料的紫外-可见光谱(b)XRD分析图谱'>

SEM和TEM观察显示纳米材料呈球形形貌，存在部分团聚现象。EDX能谱证实材料中含有Y、O、C元素，原子百分比分别为9.15%、33.10%和57.75%。FTIR分析揭示了材料表面的功能性基团，包括羟基、羰基等，这些基团在重金属吸附过程中起关键作用。

重金属吸附性能

批次吸附实验表明，在pH=6、Y₂O₃纳米复合材料浓度4μg/mL、铅浓度60μg/mL条件下，5小时吸附率达到60%。镍的最佳去除条件为pH=6、纳米复合材料浓度2μg/mL，5小时吸附率达70%。UV光照下的降解效果显著优于日光照射。

2O₃纳米复合材料对铅降解的批次吸附研究'>

吸附等温线符合Freundlich模型(R²>0.99)，表明为多分子层吸附。动力学研究符合准一级动力学模型，说明吸附过程受扩散控制。AAS分析进一步证实，经过纳米材料处理后，铅和镍的最终浓度分别为1.172mg/mL和1.172mg/mL，去除率分别为31.74%和37.2%。

光催化降解性能

通过2³因子设计实验评估Y₂O₃纳米复合材料对结晶紫染料的光催化降解性能。在pH4-8、纳米材料浓度50-100μg/mL、时间4小时条件下，降解率超过94%。统计分析表明，时间因素是影响降解效率的最关键参数。

生物医学应用评估

抗菌实验显示，Y₂O₃纳米复合材料对革兰氏阳性菌(枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(铜绿假单胞菌、大肠杆菌、普通变形杆菌)均具有显著抑制作用。细菌生长动力学研究表明，材料能够缩短细菌的对数生长期，表现出抑菌和杀菌双重特性。

2O₃纳米复合材料对革兰氏阳性和阴性菌的抗菌活性'>

蛋白质泄漏分析表明，纳米复合材料能够破坏细菌细胞膜完整性，导致细胞内蛋白质外泄。抗氧化实验显示，Y₂O₃纳米复合材料具有显著的DPPH自由基清除能力，IC₅₀值为10.37±0.04μg，优于抗坏血酸(27.29±0.07μg)。溶血实验证实材料具有良好的生物相容性，溶血率仅为2.77-2.8%。

可重复使用性

经过7次吸附-解吸循环后，Y₂O₃纳米复合材料仍能保持56.8%的金属离子去除率，表明其具有良好的可重复使用性。

研究意义与展望

本研究成功开发了一种环境友好的真菌介导Y₂O₃纳米复合材料合成方法，该材料在重金属废水处理方面表现出优异性能，同时具备抗菌、抗氧化活性和良好生物相容性，为多功能环境修复材料的开发提供了新思路。未来研究可聚焦于实际废水处理中的应用验证、体内生物安全性评估以及与其他修复技术的集成创新，推动该技术向实际应用转化。

该研究的创新之处在于将生物合成技术与纳米材料应用相结合，既解决了传统纳米材料合成过程中的环境问题，又拓展了纳米材料在环境和生物医学领域的应用范围，为可持续发展提供了技术支撑。