生物源性（真菌驱动）银纳米粒子的高效催化、抗菌和抗氧化性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biogenic (Fungus-driven) Silver Nanoparticles for Efficient Catalytic, Antibacterial, and Antioxidant Performance

　　

摘要
染料和抗生素日益释放到水环境中，使得开发可持续的修复策略变得刻不容缓。在此，我们首次报告了利用腐朽木担子菌 Odontoefibula orientalis 的胞外滤液生物合成银纳米颗粒（Ag-NPs），纳米颗粒的形成在1小时内完成。生物合成的Ag-NPs主要呈球形、结晶状，与真菌来源的胞外代谢产物良好分散。这些纳米颗粒表现出优异的催化活性，在NaBH?存在下，6分钟内降解96%的亚甲基蓝，7分钟内降解91%的罗丹明B，90分钟内降解73.7%的四环素。它们还对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出广谱抗菌活性、可观的抗氧化活性（IC?? = 45.8 μg/mL），以及在绿豆种子发芽试验中初步表现出环境相容性。通过LC-MS分析真菌滤液，鉴定了负责纳米颗粒形成和稳定的胞外代谢产物。本研究证明了 Odontoefibula orientalis 作为绿色合成Ag-NPs的新型真菌平台，并强调了较少研究的担子菌在开发用于环境修复的多功能纳米材料方面的潜力。

引言
合成染料和药物残留物被认为是最主要的持久性有机污染物（POPs）之一，是重要的环境污染物。这主要是因为它们被大量释放、化学惰性高，以及常规污水处理工艺无法将其去除[1]。在各种合成染料中，亚甲基蓝（MB）和罗丹明B（RhB）被广泛应用于纺织、印刷、皮革和造纸行业。这些染料不受控制地排入水体，导致水中光穿透力降低，从而影响水生植物的光合作用。此外，这些染料具有明确的毒性、致突变性和致癌性，对人类和动物健康构成重大风险[2]。类似地，四环素（TC）在人类医疗保健、兽医学和畜牧生产中的广泛使用导致其持续释放到水环境中。因此，这些抗生素不断在表面水、地下水和污水处理厂排放物中被检出。由于其稳定的多环结构和在人和动物体内代谢不完全[3]、[4]，TC在水环境中持续存在，促进了抗药性细菌和耐药基因的传播，对环境和公共健康构成日益增长的威胁。常规处理技术，如混凝絮凝、膜过滤、吸附、电化学氧化、臭氧化和生物处理，一直是去除这些污染物的首选方案[4]、[5]。然而，这些常规处理方法往往存在降解不完全、运行成本高、容易膜污染、能耗过高以及产生二次污染物等问题。因此，它们对POPs的去除效果仍然有限。因此，业界迫切希望开发高效、环境友好和可持续的催化材料，以快速降解顽固污染物并产生危害较小的产物[1]、[6]。

在用于环境治理的各种纳米材料中，银纳米颗粒（Ag-NPs）备受关注。这主要归功于它们非凡的物理化学性质，如极大的比表面积、易于改变的表面化学、支持局域表面等离子体共振（LSPR）的能力、出色的电导率和令人难以置信的催化活性[7]、[8]。事实上，这些特性使Ag-NPs能够加速异相表面反应，因为它们实现了还原剂向污染物分子的快速电子转移，最终导致顽固有机污染物的高效降解[7]、[9]。除了优异的催化性能外，Ag-NPs还对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌具有广谱抗菌作用。它们还具有良好的抗氧化性能和高表面反应活性，使其成为可用于多种用途的通用纳米材料，如废水处理、环境监测、抗菌涂层、伤口敷料、生物传感和药物递送系统[7]、[10]、[11]。然而，Ag-NPs的物理化学特征和功能行为在很大程度上取决于合成方法。传统的物理和化学方法通常需要大量能量，使用有害的还原剂和有机稳定剂，需要复杂的仪器，并导致生产成本增加，从而产生对环境有害的不需要的废物[8]、[12]。此外，残留在纳米颗粒表面的化学试剂可能降低其胶体稳定性、生物相容性和环境安全特性，导致其在大规模和生物医学应用中的使用受到限制[12]。因此，越来越多的研究致力于开发绿色合成方法，以最小的环境影响获得高度稳定和生物功能化的纳米结构Ag-NPs，符合绿色化学和循环生物经济的原则[12]。

生物合成作为一种传统纳米颗粒生产的绿色替代方案日益流行，因为在这种情况下，生物体不仅进行金属离子还原，还充当纳米颗粒的稳定剂，同时在温和的反应条件下操作且不使用任何有毒试剂[13]。在微生物平台中，真菌因高生物量生产率、易于培养、很强的金属耐受能力以及能分泌丰富的胞外代谢产物（对纳米颗粒合成非常有益）而备受关注[14]。与胞内生物合成相比，真菌胞外合成通过消除复杂的纳米颗粒回收步骤，在下游加工方面具有主要优势，同时允许更好地控制颗粒分散和胶体稳定性[15]。Ag?离子的胞外还原以及随后的纳米颗粒成核和晶体生长主要由真菌胞外代谢产物控制，而蛋白质、多肽、多糖、酚类化合物和其他氧化还原活性代谢产物随后吸附在纳米颗粒表面作为天然封端剂，既提供静电和空间稳定化，又显著影响颗粒尺寸、形貌、结晶度、表面电荷、催化效率和生物活性[16]。因此，不仅是金属银核心，产生生物合成Ag-NPs的真菌物种独特的胞外代谢产物谱也决定了其物理化学特性和功能性能。真菌代谢与纳米颗粒表面化学之间的这种密切相互作用使真菌成为生产可用于环境修复、催化、抗菌治疗、抗氧化系统的多功能纳米材料的高度有前景的生物工厂[16]、[17]。

尽管过去十年间真菌介导的Ag-NPs合成取得了很大进展，但研究主要集中在少数已确立的真菌属上，包括禾谷镰刀菌属、曲霉属、青霉属、木霉属、平菇属和少数白腐担子菌[18]。总的来说，这些研究证明了真菌来源的Ag-NPs卓越的催化、抗菌、抗氧化、抗癌和环境修复能力[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。然而，越来越多的证据表明，真菌来源的Ag-NPs的物理化学性质和功能性能在很大程度上具有物种依赖性，这主要反映了真菌胞外代谢产物谱的差异，而非生物合成途径本身的差异[23]。因此，真菌的多样性仍然是设计具有独特物理化学和功能性质纳米材料的一个很大程度上未被开发的资源[24]。特别是，腐朽木担子菌一直相对被忽视，尽管它们具有专门化的木质素分解酶系统和富含代谢物的分泌组，可能为定制纳米颗粒表面化学和催化性能提供非常独特的途径[17]。因此，彻底研究尚未探索的担子菌对于扩大纳米颗粒生物合成平台范围、推进我们对物种依赖性纳米颗粒生物合成的了解是必要的[23]、[24]。

在此背景下，本文研究了担子菌 Odontoefibula orientalis（属于 Phanerochaetaceae 科）[25]——一种来自印度喜马偕尔邦希莫拉卡拉帕特哈森林的腐朽木真菌——作为Ag-NPs胞外生产的新型自然系统的未开发潜力。据我们所知，这是首次使用 O. orientalis 进行Ag-NP合成。我们不仅关注所用真菌物种的新颖性，还想了解真菌合成纳米颗粒如何影响表面特性和多功能性能。在合成后，我们首先详细表征了生物合成的Ag-NPs以揭示其物理化学性质，然后在NaBH?存在下评估其对MB、RhB和TC的催化降解能力。此外，进行了LC-MS分析以确定污染物的降解途径，并实验比较了其抗氧化性能以及对革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。研究了催化剂的稳定性和耐久性以评估其在实际应用中的有效性。通过结合真菌纳米生物技术、环境催化和多功能生物活性，本研究为物种特异性真菌纳米颗粒生物合成做出了贡献，并为作为多功能纳米材料可持续生物工厂的尚未充分研究的担子菌树立了标杆。

试剂
本研究中使用了分析纯试剂。麦芽抽提物琼脂（MEA）（HiMedia，印度，纯度≥99%）、营养肉汤和营养琼脂（HiMedia，纯度≥99%）。MB、RhB（纯度≥99%，Sigma-Aldrich）、TC（纯度≥98%，HiMedia）、硝酸银（AgNO?）和NaBH?均购自Fisher Scientific India（纯度≥99%）。硫酸（H?SO?）和氢氧化钠（NaOH）片剂购自Fisher Scientific，用于pH调节。2,2'-二苯基-1-苦肼基（DPPH）（纯度≥97%）、抗坏血酸（纯度≥99%）

O. orientalis的分子鉴定及其意义
分子鉴定被用于提供更为精确和清晰的菌株鉴定。根据分析结果，该真菌菌株被确认为 Odontoefibula orientalis（PP809292）。所获得的结果清楚地表明，所使用的通用引物一致地从真菌中扩增了400-600 bp长度的ITS区域，表明该真菌具有共同的保守区域。此外，扩增的基因序列显示出可接受的相似性。

结论与展望
在本研究中，首次利用腐朽木担子菌 O. orientalis 的胞外滤液在1小时内成功且快速地生物合成了Ag-NPs，确立了这种尚未充分研究的真菌作为可持续纳米颗粒生产的有前景的生物平台。这一发现开辟了将该真菌用作可持续生产纳米颗粒的高效生物系统的可能性。它们的纳米尺度尺寸、协同效应

未引用参考文献[90]

CRediT作者贡献声明
Preeti Garg：方法学，调查，形式分析。
Dhriti Bragta：撰写——原始草稿，可视化，方法学，形式分析，概念化。
Savita Chaudhary：验证，监督，资源，调查。
Moondeep Chauhan：资源，方法学，形式分析，数据整理。
Ajeet Kaushik：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督。
Avtar Singh：验证，资源，形式分析。
Rajeev Kumar：撰写——审阅与编辑，可视化，

利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的 competing 经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢
Dhriti Bragta 感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF）在总理博士学位研究奖学金计划下提供资金支持（文号：ANRF/PMFDR/FICCI/2024年9月）。Rajeev Kumar感谢旁遮普大学钦奈加尔环境研究系和CIL/SAIF提供研究工作及分析所需的设施。Preeti Garg还感谢印度科学与技术研究部（DST）在女性科学家项目下提供支持。

Dhriti Bragta | Preeti Garg | Moondeep Chauhan | Savita Chaudhary | Avtar Singh | Ajeet Kaushik | Rajeev Kumar
旁遮普大学环境研究系，印度钦奈加尔160014