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为解决合成染料污染及抗菌难题，研究人员开展利用日本曲霉合成 MgONPS@Aj 的研究。结果显示其在染料吸附和抗菌方面表现优异。该研究为相关领域提供新思路，强烈推荐科研读者阅读。
真菌助力：纳米材料的绿色魔法与多元应用
在我们生活的这个时代，工业发展可谓是日新月异，合成染料在纺织、造纸、化妆品等众多行业都有着广泛的应用。然而，这些合成染料在给我们的生活带来绚丽色彩的同时，也带来了不少麻烦。大量的合成染料废水被直接排放到自然水体中，其中约 10 - 15% 未经任何处理。这些染料不仅难以降解，还具有化学稳定性，会对生态环境和生物健康造成极大的威胁。就拿活性黑 5 染料（RBL5）来说，它是一种常见的合成纺织染料，由于其在水中溶解度高、难以降解，还会对皮肤和肝脏产生有害影响，因此被视为水生环境中的危险污染物。
面对这些问题，传统的废水处理方法显得有些力不从心。物理和化学处理方法不仅成本高昂，回收利用困难，而且去除效果也不尽如人意，还可能产生二次污染。因此，寻找一种高效、环保又经济的废水处理方法成为了科研人员们亟待解决的问题。
在众多研究方向中，吸附技术因其成本低、操作简单、效率高等优点脱颖而出，成为了研究的热点。而金属氧化物纳米材料，由于其具有易于制备、成本效益高、稳定性好、吸附能力强等特性，近年来被广泛用作去除阴离子和阳离子染料的有效吸附剂。其中，氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）更是备受关注，它不仅在去除染料方面表现出色，还在抗菌、抗病毒等领域展现出了巨大的潜力。
然而，传统的纳米材料制备方法往往存在一些缺点，比如需要高温高压的反应条件、反应时间长、纳米颗粒容易聚集等。因此，采用绿色合成方法制备纳米材料成为了新的研究趋势。这种方法利用微生物或生物提取物来合成纳米材料，具有环保、成本低、操作简单等优点。
在这样的背景下，研究人员在《BMC Microbiology》期刊上发表了名为 “Green synthesis, characterization, and application of magnesium oxide nanoparticles using Aspergillus japonicus cell-free exometabolites for dye biosorption and antibacterial activity” 的论文。通过一系列研究，他们成功利用日本曲霉（Aspergillus japonicus）的无细胞外代谢物合成了氧化镁纳米颗粒（MgONPS@Aj），并对其进行了表征，还研究了其在染料生物吸附和抗菌方面的应用。这一研究成果为解决废水处理和抗菌问题提供了新的思路和方法，具有重要的意义。
为了开展这项研究，研究人员主要用到了以下几个关键技术方法：一是利用 Plackett Burman 设计（PBD）和中心复合设计（CCD）对 MgONPS@Aj 的生物生产过程进行优化，确定影响生产的关键因素；二是运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对合成的纳米颗粒进行表征，了解其结构和形貌；三是通过生物吸附实验、吸附动力学和等温线模型研究 MgONPS@Aj 对活性黑 5 染料的吸附性能；四是采用琼脂扩散法、时间 - 杀灭试验和扫描电子显微镜观察等方法评估 MgONPS@Aj 的抗菌活性；五是利用分子对接技术探究 MgONPS@Aj 与细菌蛋白质的结合亲和力，揭示其抗菌机制。
下面，让我们来详细看看研究人员都取得了哪些成果。
真菌鉴定与纳米颗粒的生物合成
研究人员从大蒜健康的根中成功分离出一种内生真菌，经过一系列鉴定，确定其为日本曲霉。之所以选择它，是因为它在与金属前体混合后能产生明显的颜色变化，这表明它有合成纳米颗粒的潜力。研究人员利用日本曲霉的生物质提取物，成功实现了 MgONPS@Aj 的快速生物合成。这一过程中，真菌生物质滤液里的各种生物活性物质，如酶、有机酸、碳水化合物等发挥了重要作用。它们有的能将金属离子还原成纳米颗粒，有的则能稳定纳米颗粒，防止其聚集。
生物过程优化
为了提高 MgONPS@Aj 的产量，研究人员采用 PBD 和 CCD 对生产过程进行了优化。通过 PBD 实验，他们发现 pH、生物质数量和 Mg2?前体浓度是影响生物生产过程的关键因素，其中 pH 的影响最为显著。随后，利用 CCD 进一步优化这些因素，结果表明，所建立的模型非常显著且可接受，这意味着通过调整这些因素，能够有效提高纳米颗粒的产量。
MgONPS@Aj 的表征
研究人员运用多种技术对 MgONPS@Aj 进行了全面表征。FTIR 分析显示，在真菌提取物和合成的 MgONPS@Aj 中都存在 N - H、O - H、C = O 等多种功能基团，这不仅证实了纳米颗粒的成功合成，还表明这些功能基团在染料生物吸附过程中可能发挥重要作用。XRD 光谱表明 MgONPS@Aj 具有较高的结晶度，同时也证明了真菌代谢物作为封端剂的作用。TEM 图像显示，MgONPS@Aj 呈不规则球形，平均粒径为 8.7 ± 3.2nm，虽然存在一定程度的团聚，但较小的尺寸使其可能具有更高的活性。SEM - EDX 分析则表明，MgONPS@Aj 具有均匀的球形结构和较高的比表面积，这为其良好的生物吸附性能提供了结构基础。
生物吸附实验
在生物吸附实验中，研究人员考察了多个因素对 MgONPS@Aj 吸附活性黑 5 染料性能的影响。pH 对吸附效果的影响十分显著，当 pH 从 4 升高到 6 时，吸附效率大幅提升，这是因为氨基的质子化使其能与染料分子中的磺酸基团更好地相互作用；而当 pH 继续升高到 10 时，吸附容量反而降低，这是由于吸附剂表面电荷的改变导致与染料分子之间的静电排斥作用增强。接触时间方面，MgONPS@Aj 在 40 分钟时就能达到吸附平衡，去除效率高达 90.4%，这表明其具有快速吸附染料的能力。此外，研究人员还对吸附剂的再生性进行了研究，经过 5 个连续循环后，MgONPS@Aj 的吸附容量虽有所下降，但仍保持在 81.97mg/g，这说明它具有一定的重复使用潜力。
在对吸附动力学和等温线的研究中，实验数据更符合伪二级动力学模型和 Langmuir 等温线模型。这表明 MgONPS@Aj 对活性黑 5 染料的吸附过程主要是化学吸附，且吸附位点在吸附剂表面均匀分布，有利于染料分子的单层吸附。研究人员还推测，MgONPS@Aj 与活性黑 5 染料之间的相互作用主要是静电相互作用和化学吸附，但还需要进一步的研究来证实。
体外抗菌活性研究
研究人员对 MgONPS@Aj 的抗菌活性进行了深入研究。实验结果显示，MgONPS@Aj 对不同的致病细菌都有抑制作用，且呈现出剂量依赖性。其中，铜绿假单胞菌对 MgONPS@Aj 最为敏感，其最小抑菌浓度（MIC）为 3.125μg/ml，其次是大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，枯草芽孢杆菌的敏感性相对较低。与其他研究中报道的氧化镁纳米颗粒相比，本研究中合成的 MgONPS@Aj 在较低浓度下就表现出了更高的抗菌效率，这表明它具有潜在的应用价值。
研究人员还进行了时间 - 杀灭试验，结果发现，在 MgONPS@Aj 的作用下，所有测试菌株的生长速率在 8 小时内都显著降低。这说明 MgONPS@Aj 能在较短的接触时间和较低的浓度下有效杀灭细菌，具有广谱抗菌活性。通过 SEM 对铜绿假单胞菌的形态学分析发现，经过 MgONPS@Aj 处理后，细菌细胞出现了细胞质泄漏、破裂、形状改变和数量减少等现象，这直观地展示了 MgONPS@Aj 的抗菌效果。
为了进一步探究 MgONPS@Aj 的抗菌机制，研究人员进行了分子对接实验。他们选择了大肠杆菌的氯霉素乙酰转移酶 III 型和金黄色葡萄球菌的 MurE 结构域作为目标蛋白，结果发现 MgONPS@Aj 能与这些蛋白紧密结合，形成氢键等相互作用，从而抑制细菌的生长。这一结果从分子层面揭示了 MgONPS@Aj 的抗菌机制，为其在抗菌领域的应用提供了理论支持。
综合上述研究，研究人员成功利用日本曲霉的无细胞外代谢物合成了 MgONPS@Aj，并对其进行了全面的研究。这种纳米颗粒在染料生物吸附和抗菌方面都展现出了优异的性能，为解决废水处理和抗菌问题提供了新的选择。它不仅具有高效的染料吸附能力，还能在较低浓度下有效抑制多种致病细菌的生长，有望成为传统阴离子染料吸附剂的环保替代品和极具潜力的抗菌材料。
不过，目前的研究也存在一些需要进一步探索的地方。虽然 MgONPS@Aj 展现出了良好的性能，但在实际应用前，还需要进一步降低其制备成本，提高其重复使用性。同时，研究人员还需要评估二次污染物以及纳米颗粒与天然聚合物结合对生物吸附过程的影响，确保其在废水处理中的广泛应用安全可靠。此外，尽管 MgONPS@Aj 在体外模型中表现出了良好的抗菌潜力，但还需要仔细研究其最佳剂量和毒性，以避免在实际应用中产生不良影响。
总的来说，这项研究为纳米材料在环境和生物领域的应用开辟了新的道路，为后续的研究和实际应用奠定了坚实的基础，相信在未来，随着研究的不断深入，MgONPS@Aj 将会在更多领域发挥重要作用，为我们的生活带来更多的便利和保障。
