利用纳米粉末增强微生物吸附作用：一种在蘑菇栽培过程中消除有毒金属的创新策略

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Directed mycosorption enhanced by nanopowders: An innovative strategy for eliminating toxic metals during mushroom cultivation

本研究创新性地结合蘑菇的天然金属吸附能力与特定合成纳米粉末的高效吸附特性，通过六种蘑菇（如Pleurotus spp.）和六种纳米粉末（包括TiO?、Fe?O?及掺杂钕的YSZ变体），在模拟胃液条件下评估了Mg、Zn、Cd、Pb的吸附与解吸效果。纳米粉末展现出优异的持留性，有效抑制重金属的生物可利用性，同时蘑菇的孔隙结构（通过BET和SEM分析）与表面形貌显著影响金属积累效率。研究证实，通过优化蘑菇栽培介质并辅以纳米粉末应用，可在保障功能性食品营养安全的同时，有效去除污染物，为开发高附加值的蘑菇基食品提供新策略。

　　

阿加塔·克拉科夫斯卡（Agata Krakowska）|玛格多扎塔·苏恰内克（Ma?gorzata Suchanek）|埃娃·涅维阿拉（Ewa Niewiara）|托马什·斯卡尔斯基（Tomasz Skalski）|博热娜·穆辛斯卡（Bo?ena Muszyńska）

波兰克拉科夫雅盖隆大学医学院药学院无机与药物分析系，Medyczna街9号，邮编30-688

摘要

本研究提出了一种创新策略，将选定的蘑菇对金属的天然吸收能力与具有高吸附性能的合成纳米粉末相结合，以实现定向金属吸附。通过使用六种蘑菇和六种纳米粉末（包括TiO₂、Fe₂O₃以及掺钕的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）变体），我们在模拟胃消化条件的情况下评估了这些材料对金属（Mg、Zn、Cd、Pb）的吸附和脱附性能。结果显示，蘑菇和纳米粉末能够吸附超过90%的这些金属元素，且纳米粉末能够有效固定这些有毒金属而不发生脱附，从而降低了它们在消化过程中的生物利用度。通过对表面形态和孔隙特性的分析，阐明了吸附效率的机制。我们的发现表明，将选择性蘑菇培养与纳米粉末的应用相结合，有助于提高功能性食品的安全性和质量。

引言

食用蘑菇不仅因其美味而受到重视（Muszyńska等人，2010年；Chang和Wasser，2018年；Kumar等人，2021年；Bell等人，2022年），还因其多种促进健康的特性而受到关注。这些特性包括抗炎、免疫调节、抗癌、抗糖尿病和抗氧化作用（Muszyńska等人，2012年；Muszyńska等人，2020年）。蘑菇含有多种有益化合物，如维生素、常量和微量元素、酚类和吲哚类化合物、甾醇以及类胡萝卜素（Muszyńska等人，2012b年；Patel等人，2017年；Chaturvedi等人，2018年；Golak-Siwulska等人，2018年）。

近年来，蘑菇的栽培规模显著增长（Yamanaka，2011年；Royse等人，2017年），尤其是 Pleurotus属的品种，如P. ostreatus、P. citrinopileatus、P. djamor和P. pulmonarius（Bellettini等人，2019年）。这些蘑菇不仅营养价值高，还因其抗病毒、抗菌和免疫刺激作用而受到重视，这些作用归因于β-葡聚糖（Muszyńska等人，2010年；Krakowska等人，2020年）。

蘑菇本身具有吸附金属的能力，既能吸附有益金属（如Mg、Zn），也能吸附有毒金属（如Cd、Pb）（Soylak等人，2005年；Stolarska和Przybulewska，2006年；G?ogowska和Pietrzak-Fie?ko，2021年；Falandysz等人，2003年；Goligar等人，2023年；Keres和Genccelep，2023年）。这一现象已研究超过100年（Campos等人，2009年；Ka?a等人，2019年）。通过适当调整体外培养基（Reczyński等人，2013年；Krakowska等人，2016年；Bagherani和Smoller，2016年；Wu等人，2019年），可以富集菌丝体中的所需生物元素（Frederickson等人，2000年；Guerrera等人，2009年；Corbo和Lam，2013年；Mleczek等人，2013年；Schwalfenberg和Genuis，2017年），使其成为潜在的功能性食品（Jahnen-Dechent和Ketteler，2012年；Kinash等人，2021年）。

然而，在子实体生长阶段，培养基中的有毒元素（主要是Cd和Pb）是一个常见问题（Zoysa等人，2020年）。这些非必需元素会在菌丝体中大量积累。理想情况下，应培养蘑菇以有效吸收Mg和Zn等必需生物元素，同时排除Cd和Pb。本研究的目的是开发一种有效的栽培方法，该方法专注于从土壤中吸附有益的微量元素，以支持蘑菇的最佳生长，并直接从体外培养的Pleurotus属物种（P. citrinopileatus、P. djamor、P. pulmonarius）及其他物种（如A. bisporus和B. edulis）中去除Cd和Pb。此外，还应用了具有独特吸附性能的纳米粉末来测试它们在减少蘑菇生物量中重金属积累方面的有效性。研究了六种Pleurotus属物种和六种纳米粉末在不同粒度和pH值条件下的吸附和脱附特性，这些条件模拟了胃液环境。蘑菇栽培——尤其是Pleurotus属的栽培——非常受欢迎，这些食用蘑菇在食品行业中得到广泛应用。

本研究采用了一种新颖的集成方法，超越了以往的生物吸附或纳米颗粒修复研究，将选定食用蘑菇的天然金属吸收能力与工程纳米粉末的定向添加相结合。这种双重系统增强了必需生物元素的积累，并有效地将有毒金属固定在基质中，降低了最终蘑菇生物量中的生物利用度。通过详细的吸附/脱附分析和模拟消化提取实验，证实了这些组分的协同作用，提高了食品安全性，并为生产富集的功能性食品提供了一种有前景的栽培方法。了解蘑菇、纳米粉末及各种物质（特别是在不同pH条件下的相互作用，包括消化液中的条件）之间的相互作用，有助于通过去除有毒金属和优化保存方法来提高食品安全性。

实验方案

实验方案

实验分为四个阶段，以获得菌丝体和纳米粉末的最佳效果，包括针对重金属吸附和纳米粉末的真菌种类优化。研究方案如图1所示：

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  第一阶段（准备）——包括两个独立步骤：
• 步骤1 - 体外培养菌丝体（对照组及添加了Mg、Zn、Cd、Pb和Mix的培养组）
• 步骤2 - 纳米粉末的合成
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  第二阶段（分析）——吸附和脱附性能的分析

吸附剂的表征

利用BET方法测得所研究纳米粉末的比表面积如下：TiO₂为57.1 m²/g，Fe₂O₃为117.0 m²/g，YSZ_c为42.6 m²/g，YSZNd_c为16.3 m²/g，YSZ_h为139.1 m²/g，YSZNd_h为122.8 m²/g。根据Langmuir方程计算得到的比表面积分别为YSZ_c为59.1 m²/g，YSZNd_c为22.4 m²/g，YSZ_h为187.9 m²/g，YSZNd_h为169.1 m²/g。纳米粉末的总孔体积（V_micro）、微孔面积（S_micro）和平均孔径（A_pore）详见表1。

BET

结论

研究表明，菌丝体能够有效地从基质中吸附金属。生物元素的积累程度与菌丝体的形态密切相关，同时也取决于菌丝体的表面结构以及孔隙的大小和形状。这些特性通过SEM表面成像和BET测试进行了分析。

在所研究的真菌中，四种蘑菇——P. ostreatus、P. djamor、P. pulmonarius和A. bisporus——表现出最高的生物元素积累能力

作者贡献声明

阿加塔·克拉科夫斯卡（Agata Krakowska）：负责正式分析。

玛格多扎塔·苏恰内克（Ma?gorzata Suchanek）：负责撰写、审稿和编辑。

埃娃·涅维阿拉（Ewa Niewiara）：负责撰写、审稿和编辑。

托马什·斯卡尔斯基（Tomasz Skalski）：负责监督和资源协调。 博热娜·穆辛斯卡（Bo?ena Muszyńska）：负责撰写、审稿和编辑、初稿撰写、可视化处理、资源协调、项目管理、方法论设计、实验实施、数据整理和概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。