大肠杆菌代谢物合成钠纳米颗粒的抗菌、抗生物膜及抗氧化活性研究及其生物医学应用潜力

本研究针对多重耐药病原体日益严重的威胁，利用大肠杆菌代谢物绿色合成钠纳米颗粒（NaNPs），系统评估其抗菌、抗生物膜及抗氧化性能。通过XRD、TEM、FTIR等表征证实合成NaNPs具有125nm棒状结构及63.45%结晶度，对粪肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌展现显著杀菌效果（MBCs 0.0625–0.125mg/mL），生物膜抑制率达62%，DPPH自由基清除率23%。该研究为开发新型纳米抗菌剂提供创新策略。

　　

随着全球多重耐药菌问题的日益严峻，我们正面临所谓"后抗生素时代"的公共卫生危机。抗生素滥用、治疗周期延长以及不当用药方式导致耐药菌引起的医院感染、胃肠道疾病和结肠相关疾病发病率显著上升。与此同时，氧化应激问题也日益突出，活性氧（ROS）如过氧化氢（H₂O₂）、超氧化物和羟基自由基的过量产生会导致细胞损伤，威胁人类健康。在这一背景下，纳米材料因其独特的生物学特性而备受关注，特别是其在生物医学领域的应用潜力。

传统纳米颗粒合成方法存在明显局限性：物理方法需要高能量输入和特殊设备，化学方法常使用有毒试剂并产生危险副产物。相比之下，生物合成或绿色合成方法利用微生物、植物提取物或细菌代谢物（BMs）在温和条件下将金属离子还原为纳米颗粒，提供了一种经济高效、环境友好且可持续的替代方案。在各类生物合成方法中，细菌介导的纳米颗粒合成因其培养温度稳定、提取简单等优势而逐渐流行。

在金属纳米颗粒中，钠纳米颗粒（NaNPs）的研究相对罕见，其物理化学特性与钾纳米颗粒（KNPs）相似。先前研究表明，KNPs尺寸约为20-200nm，对病原体具有显著效果，且在某些情况下可作为纳米肥料使用。基于这些发现，研究人员推测NaNps可能表现出相当的抗菌和抗氧化特性。

为此，Malak Mezher、Mahmoud I. Khalil、Taymour A. Hamdalla和Dalia El Badan等研究人员开展了一项创新研究，旨在从大肠杆菌代谢物中生物合成NaNPs，评估其对临床分离菌株的抗菌、抗生物膜特性以及抗氧化潜力。该研究发表于《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》，为应对多重耐药菌挑战提供了新的解决方案。

研究人员采用了几项关键技术方法：从废水样本中分离大肠杆菌并通过VITEK系统鉴定；使用细菌代谢物与硝酸钠反应合成NaNPs；通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、光致发光（PL）和紫外-可见光谱（UV-Vis）进行纳米颗粒表征；针对肺炎链球菌、屎肠球菌、肺炎克雷伯菌和鼠伤寒沙门氏菌等临床菌株进行药敏试验和纳米颗粒抗菌活性评估；采用微孔板法评估抗生物膜活性；通过DPPH自由基清除实验测定抗氧化活性。

3.1. NaNPs的生物合成与表征

研究发现，NaNPs合成后溶液颜色从清澈黄色变为浑浊淡黄色，表明纳米颗粒成功形成。XRD分析显示NaNPs在2θ值为32.8°、38.6°、42.9°、50.3°、55.4°、64.9°、66.1°和73.5°处出现八个衍射峰，分别对应(311)、(222)、(220)、(222)、(400)、(220)、(420)和(422)晶面，此外在24.2°处观察到一个前所未有的第九个峰，这被归因于大肠杆菌代谢物中生物分子在NP表面的吸附。计算得出平均晶体尺寸为125.61nm，结晶度为63.45%。

TEM分析显示大多数NPs呈棒状形态且未聚集，颗粒尺寸不一致，平均粒径为125.8nm。FTIR光谱揭示了多种功能基团的存在，包括O-H伸缩基团（3852.1和3429.7cm^-1）、N-H伸缩（3429.7cm^-1）、C-H伸缩（2963.3、2926.4、2855.2和2365.4cm^-1）以及C=O、C=N和C=C伸缩（1739.1、1649.1和1541.1cm^-1），这些基团在Na⁺还原为NaNPs过程中发挥重要作用。

PL光谱在458nm和490nm处显示两个峰值，属于蓝色发射光谱，这是由于Na空穴中的电子与价带中的空穴重组所致。UV-Vis光谱在280nm处显示显著吸收峰，光学带隙为4.125eV，Urbach能量为1.19eV，表明合成的NaNPs具有良好的光学特性。

3.3. NaNPs的抗菌活性

3.3.1. 药敏试验结果

研究发现所有测试菌株均表现出多重耐药性。在14种测试抗生素中，肺炎克雷伯菌仅对哌拉西林中介敏感（ZOI = 10.333±0.272mm）；四环素对肺炎链球菌（22.666±0.720mm）、屎肠球菌（21.666±0.544mm）、肺炎克雷伯菌（22.333±0.272mm）和鼠伤寒沙门氏菌（21.666±0.272mm）均有效；诺氟沙星对肺炎链球菌（32.333±1.186mm）、屎肠球菌（22.000±0.471mm）、肺炎克雷伯菌（31.666±0.272mm）和鼠伤寒沙门氏菌（24.666±0.272mm）表现出敏感效果。所有细菌对头孢替坦、头孢氨苄、头孢克肟、头孢吡肟和厄他培南耐药，显示出显著的多重耐药性。

3.3.2. 琼脂扩散法结果

NaNPs对屎肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌表现出显著的抑制圈（ZOIs > 7mm）。对屎肠球菌的抑制从0.0625mg/mL浓度开始，而对鼠伤寒沙门氏菌的抑制从最低NP浓度（0.03125mg/mL）就开始显现，表明对鼠伤寒沙门氏菌的效果最为显著。抑制圈范围从7.333±0.072到10.533±0.027mm，所有结果均具有统计学意义（p < 0.05）。

3.3.3. MIC和MBC结果

NaNPs对屎肠球菌（MBC = 0.125mg/mL）和鼠伤寒沙门氏菌（MBC = 0.0625mg/mL）表现出杀菌效果，但对肺炎菌株无影响。MBC/MIC比值为2（小于4），证实了NaNPs的杀菌作用。研究结果表明NaNPs对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有相似效果，使其成为抗菌应用的有前途候选者。

3.3.4. 时间杀灭试验

时间杀灭试验显示，NaNPs在孵育5小时后对屎肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌表现出抑制效果，所有结果均具有统计学意义（p < 0.05）。这表明NaNPs能够抑制细菌细胞的粘附和初始定植，通过限制营养吸收和改变细菌代谢过程最终导致细胞裂解。

3.4. NaNPs的抗生物膜活性

生物膜因其产生胞外多糖的能力而比细菌分离株具有更强抵抗力。研究发现NaNPs对生物膜形成具有显著抑制作用，对屎肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌的抑制百分比分别达到61.089±4.118%和61.459±1.401%。然而，NaNPs对已形成生物膜的破坏作用较小且统计不显著，在相对高浓度（2mg/mL）下仅能消除10.538±16.262%（屎肠球菌）和21.927±16.875%（鼠伤寒沙门氏菌）的生物膜。这种差异主要归因于NP尺寸（125.8nm）和成熟生物膜的致密胞外多糖基质限制了NaNPs的渗透能力。

3.5. NaNPs的自由基清除活性

DPPH自由基清除实验表明，NaNPs具有显著的抗氧化能力，清除率达到23.171±0.218%，但低于抗坏血酸阳性对照的49.074±0.145%。这种差异主要源于NaNPs表面活性位点的密度限制，以及较大的NP尺寸和封端层部分阻碍了自由基与NP表面反应基团的直接相互作用。抗氧化效果与NaNPs浓度直接相关，随着浓度增加而增强。

本研究通过系统评估大肠杆菌代谢物合成的钠纳米颗粒的生物学活性，得出以下重要结论：成功合成了具有良好结晶度和特定形态的NaNPs；这些纳米颗粒对多重耐药菌株，特别是屎肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌表现出显著抗菌活性；NaNPs能有效抑制生物膜形成，但对已形成生物膜的破坏作用有限；同时具备一定的抗氧化能力。

研究的创新之处在于首次系统报道了基于大肠杆菌代谢物的钠纳米颗粒绿色合成方法及其多方面的生物学活性。与传统的银、金、锌和铜氧化物纳米颗粒相比，钠纳米颗粒的研究相对稀少，本研究填补了这一空白。虽然NaNPs的抗菌活性略低于一些高度有效的银纳米颗粒，但其生物合成方法的低成本性和生物相容性封端剂使其成为一种有前途的替代方案。

值得注意的是，NaNPs对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的相似效果突破了传统纳米颗粒的选择性抗菌模式，为其广泛应用提供了可能。然而，较大的颗粒尺寸（125.8nm）可能限制了其对某些细菌（如肺炎菌株）的抗菌效果和生物膜渗透能力，这为后续研究提供了优化方向。

这项研究的意义不仅在于开发了一种新型纳米抗菌剂，更重要的是为应对多重耐药菌的全球挑战提供了绿色、可持续的解决方案。NaNPs的多功能特性（抗菌、抗生物膜和抗氧化）使其在生物医学领域，特别是伤口愈合、医疗器械涂层和食品包装等方面具有广阔应用前景。未来研究可进一步优化合成条件以获得更小尺寸的NPs，并深入探索其作用机制和体内安全性，推动其向临床转化。