绿色合成氧化钛纳米颗粒：从微藻提取到生物医学与生物柴油生产的创新突破

为解决传统能源危机及生物柴油生产难题，研究人员利用纤细席藻（Limnospira fusiformis）水提取物绿色合成 TiO2纳米颗粒（NPs）。该纳米颗粒对特定细菌有抗生物膜潜力、对癌细胞具细胞毒性，还能高效催化藻类油脂转化为生物柴油，意义重大。

　　

研究背景

在能源领域，随着全球经济的飞速发展，对能源的需求与日俱增，然而传统石油储备却面临着严峻的挑战。据预测，到 2050 年，常规石油储备可能会大幅减少。这一危机促使科研人员迫切寻找替代能源，生物柴油因其可再生的特性，成为了研究的热点。在生物柴油的生产原料选择上，最初人们关注非食用作物如麻风树、蓖麻油和麻疯树，后来也将食用油纳入其中。但无论是食用还是非食用作物，作为生物柴油原料都存在诸多弊端，比如需要大量土地用于种植，灌溉需求大，受气候影响严重，生产过程还十分依赖人力，而且生产成本往往高于化石燃料。相比之下，微藻凭借其高含油量、低成本的培育优势，成为了极具潜力的第三代生物燃料原料。

不过，从微藻生产生物柴油的传统方法也并非完美无缺。常规的生产流程包括微藻的培养、收获、干燥、油脂提取，以及最后的酯交换反应，该反应需要使用催化剂将甘油三酯与甲醇转化为甘油和生物柴油。在催化剂的选择上，碱（如 NaOH 和 KOH）和酸（如 H₂SO₄和 HCl ）虽然在酯交换反应中有效，但它们存在难以从反应产物中分离、会产生反馈抑制以及形成肥皂等问题，严重阻碍了催化剂的回收利用。而酶虽然也是潜在的催化剂，但其稳定性差、生产成本高昂，限制了实际应用。

在纳米材料领域，纳米催化剂由于其独特的小尺寸和均匀分散性，展现出了强大的催化活性，受到了科研人员的广泛关注。其中，纳米金属氧化物因具有酸碱催化特性，为微藻生物柴油生产中的酯交换反应提供了新的解决方案。同时，在纳米材料的合成方法上，传统的钛酸异丙酯水解法虽然能合成氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs），但在控制颗粒的大小、形状、稳定性和表面功能方面存在明显不足。

为了解决上述一系列问题，来自印度相关研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们利用纤细席藻（Limnospira fusiformis）的水提取物，采用绿色化学技术合成 TiO₂ NPs，并对其进行了全面深入的研究，该研究成果发表在《Algal Research》上。这一研究不仅为生物柴油的生产提供了新的催化剂选择，还探索了 TiO₂ NPs 在生物医学领域的潜在应用，意义非凡。

研究方法

研究人员从印度国家微藻和蓝藻淡水库（National Repository for Microalgae and Cyanobacteria – Freshwater）获取纤细席藻（L. fusiformis）NRMC - F 6962、微藻联合体（Chlorella vulgaris + Scenedesmus dimorphus）生物质，从印度浦那国家细胞科学中心获取人肺癌细胞 A549 和三阴性乳腺癌细胞 MDA MB - 231。利用 UV - Vis 光谱、FTIR、FE - SEM、EDS、XRD、Zeta 电位、DLS、TGA - DTA 等技术对生物合成的 TiO₂ NPs 进行表征。通过 MTT 法评估 TiO₂ NPs 对癌细胞系的细胞毒性，测试其对特定细菌的抗生物膜潜力，并研究其在不同浓度下催化微藻油脂转化为生物柴油的效果。

研究结果

1. TiO₂ NPs 的表征：在合成 TiO₂ NPs 的过程中，研究人员观察到溶液颜色发生了明显变化，纤细席藻生物质提取物在与钛（IV）异丙醇溶液反应约 1 小时后，颜色从紫色变为白色，这初步表明了纳米颗粒的合成，意味着 Ti²⁺逐渐还原为 Ti⁰。进一步通过 UV - Vis 光谱分析发现，生物合成的 TiO₂ NPs 在 254nm 处出现了尖锐的吸收峰。FTIR 分析显示在 424、1398、1632 和 3479cm^-1处有特征峰。XRD 图谱呈现出五个强烈的宽峰，分别对应（101）、（004）、（200）、（105）和（205）。SEM 图像显示 TiO₂ NPs 呈球形聚集结构，EDS 图谱证实了钛和氧的存在。Zeta 电位和动态散射分析表明，TiO₂ NPs 在 - 49.4mV 时高度稳定，平均粒径为 98.9nm。DTA 和 TGA 分析则确认了 TiO₂ NPs 成功实现了功能化。
2. 抗生物膜和细胞毒性研究：研究人员测试了 TiO₂ NPs 对人类病原体的抗生物膜潜力，选取了革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）进行实验。结果发现，TiO₂ NPs 展现出了一定的抗生物膜效果。同时，利用 MTT 法评估其对人肺癌 A549 细胞和乳腺癌 MDA - MB - 231 细胞的细胞毒性，结果显示，在 20μg/mL 和 10μg/mL 的浓度下，TiO₂ NPs 分别对枯草芽孢杆菌和 MDA - MB - 231 癌细胞系表现出了有前景的抑制作用。
3. 生物柴油生产研究：研究人员探索了绿色合成的 TiO₂ NPs 在微藻联合体（Chlorella vulgaris + Scenedesmus dimorphus）油脂转化为生物柴油过程中的催化性能。研究发现，TiO₂ NPs 能够有效地催化这一反应，并且在 6mg/mL 的浓度下，脂肪酸甲酯（FAME，生物柴油的主要成分）的产量达到最高。与单一藻类相比，使用微藻联合体油脂在 TiO₂ NPs 催化下的生物柴油产量有所提高。

研究结论与讨论

这项研究充分证明了利用纤细席藻提取物绿色合成 TiO₂ NPs 的可行性，这种合成方法不仅环保，而且所得到的 TiO₂ NPs 具有多种优异的性能。在生物医学领域，TiO₂ NPs 展现出了抗生物膜和抗癌细胞的潜力，为相关疾病的治疗和预防提供了新的研究方向。在生物能源领域，它作为一种高效的催化剂，能够显著提高微藻油脂转化为生物柴油的产量，为解决能源危机提供了新的途径。

不过，目前的研究也存在一定的局限性。例如，虽然 TiO₂ NPs 在实验中表现出了良好的性能，但在实际大规模应用中，其合成成本、稳定性以及对环境的长期影响等问题还需要进一步研究和评估。此外，在生物医学应用方面，还需要深入探究其作用机制和潜在的副作用。未来的研究可以朝着优化合成工艺、提高纳米颗粒性能、拓展应用领域等方向展开，以充分挖掘 TiO₂ NPs 的巨大潜力，为人类的健康和可持续发展做出更大的贡献。