利用烟草（Nicotiana tabacum）叶片提取物进行生态友好的植物辅助银纳米粒子合成，以减轻马拉硫磷引起的毒性：表征、抗菌活性及体内评估

《Inorganic Chemistry Communications》：Eco-friendly plant-mediated synthesis of silver nanoparticles using Nicotiana tabacum leaf extract for mitigation of malathion-induced toxicity: Characterization, antibacterial activity, and in vivo assessment

　　**摘要**

马拉硫磷是一种广泛使用的有机磷农药，与氧化应激以及肝脏和肾脏损伤有关。本研究探索了一种利用烟草（Nicotiana tabacum）叶提取物合成银纳米粒子（AgNPs）的绿色方法，并评估了AgNPs/马拉硫磷混合物在减轻马拉硫磷毒性方面的效果。合成的材料通过紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、动态光散射（DLS）、ζ电位分析、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜-能量色散谱（STEM-EDS）和比表面积（BET）分析进行了表征。XRD结果显示AgNPs的平均晶粒尺寸约为9纳米，而定量TEM分析表明其颗粒尺寸分布不均匀，AgNPs的平均直径为22.6±8.6纳米，AgNPs/马拉硫磷混合物中的可辨识颗粒特征平均直径为17.4±10.0纳米。马拉硫磷掺入后观察到的物理化学变化与其与AgNPs的表面相互作用一致。在细菌计数（CFU）实验中，AgNPs和AgNPs/马拉硫磷混合物分别将金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的数量减少了87.8%和72%。使用THLE-2和HepG2细胞进行的MTT实验显示细胞活力存在浓度依赖性变化，但实验评估的浓度范围内，AgNPs/马拉硫磷混合物的细胞毒性效果相对较低。在健康的成年雄性Wistar大鼠中，马拉硫磷暴露增加了血清中的ALT、AST、肌酐和尿素水平，并降低了蛋白质相关指标。AgNPs处理部分改善了这些变化，而AgNPs/马拉硫磷组则表现出更强的生化恢复能力，并减少了肝脏和肾脏的组织学及超微结构损伤。总体而言，烟草介导的AgNPs改变了马拉硫磷的毒性特征，同时保持了其对金黄色葡萄球菌的抗菌活性。需要进一步的研究来确认其装载效率、相互作用机制、长期安全性和环境适用性。

**引言**

为了满足不断增长的世界人口的需求，农业实践的快速发展和高频率的应用导致了化学农药的大量使用。有机磷杀虫剂是其中之一，因为它们对多种害虫具有高效控制效果。马拉硫磷由于其在农业中的广泛应用、国家和地方卫生部门的推广以及在其控制媒介中的使用而备受关注。尽管效果显著，但由于其持久性、生物累积性和对非目标生物体的毒性作用，马拉硫磷带来了严重的环境和健康问题。植物介导的合成方法为生产金属纳米粒子提供了一条环境友好的途径，因为天然存在的植物化学物质可以参与金属离子的还原和随后的表面稳定。这种方法特别适用于AgNPs的合成，因为植物来源的羟基、羰基等官能团可以促进纳米粒子的形成和封端。先前已有研究将烟草作为AgNPs合成的生物来源，为本研究提供了直接的基础。本研究扩展了这一概念，探讨了烟草介导的AgNPs与马拉硫磷的相互作用，并通过物理化学和生物学分析对其效果进行了评估。

马拉硫磷的毒性主要通过抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）来实现，从而导致突触间隙中乙酰胆碱的积累，进而扰乱神经系统的正常功能[1]。除了神经毒性外，暴露于马拉硫磷还被报道会引起氧化应激、活性氧（ROS）的生成，导致脂质过氧化、蛋白质变性及DNA损伤。这些生化变化最终会导致肝毒性、肾毒性、免疫毒性和内分泌紊乱[2]。即使在低水平下长期暴露也可能导致慢性疾病，因此迫切需要寻找更安全、更可持续的农药管理方法[3]。选择烟草是因为其叶子含有生物碱、酚类化合物、黄酮类等植物化学物质，这些物质可能参与金属离子的还原和纳米粒子表面的稳定。尽管烟草已被用于纳米粒子的合成，但本研究进一步探讨了烟草介导的AgNPs与马拉硫磷的表面相互作用，并通过物理化学、抗菌、细胞毒性及体内分析对其效果进行了评估[4]。

近年来，纳米技术在农业和环境领域成为了一项革命性的工具。由于其独特的物理化学特性，如高表面积与体积比、增强的反应性和表面化学修饰能力，纳米粒子在解决农药问题方面展示了巨大潜力[5]。特别是银纳米粒子（AgNPs）因具有高度的抗菌性、催化能力和与有毒物质的反应而受到广泛关注[6]。AgNPs的这些特性使它们成为降低农药毒性和提高环境安全性的理想候选者[6]。植物提取物在绿色纳米粒子合成中越来越受欢迎，作为传统物理和化学合成方法的环境友好替代品[7]。植物介导的合成方法具有许多优点，如操作简单、成本低廉且避免使用危险试剂[8]。植物提取物含有生物活性成分，如黄酮类、生物碱、萜类和酚酸，它们可以作为天然的还原剂和稳定剂，用于形成稳定的纳米粒子[9]。烟草含有高浓度的生物碱（如尼古丁）、多酚和其他次级代谢物，因此可能是绿色纳米粒子合成的良好候选植物[10]。纳米粒子与农药的结合催生了纳米复合材料系统，这些系统可以提高农药的效率并减少环境危害。由纳米粒子制成的配方能够实现农药的控释、稳定性和靶向输送，从而减少所需剂量并最小化非靶标效应。此外，纳米粒子能够吸附或降解有毒农药残留物，减少其对生物系统的不良影响[11]。最近的研究表明，基于纳米粒子的系统能够显著降低有毒化学物质引起的氧化应激和组织损伤。除了环境应用外，纳米粒子还展示了抗菌、抗氧化和抗癌等期望的生物功能[12]。它们作为有效的抗菌剂，能够与微生物膜相互作用并干扰细胞过程。此外，纳米粒子还能调节细胞信号通路，增强抗氧化防御系统，这对于逆转农药相关毒性至关重要[13]。植物介导的合成方法为生产AgNPs提供了更环保的途径，因为植物化学物质（如酚类、黄酮类、生物碱和蛋白质）可以同时还原银离子并稳定生成的纳米粒子。最近的研究表明，植物来源的还原剂和稳定剂可以支持多种金属和复合纳米材料的环境和生物应用；然而，这些系统在组成、目标污染物和预期功能上与本研究中的AgNPs/马拉硫磷混合物有所不同。然而，使用烟草介导的AgNPs制备马拉硫磷纳米复合材料并对其进行抗菌、细胞毒性和体内毒性评估的研究尚不充分。因此，本研究旨在探讨绿色合成的AgNPs在减轻马拉硫磷毒性同时保持生物活性的潜力。

基于此，本研究旨在探讨利用烟草叶提取物绿色合成银纳米粒子及其在克服马拉硫磷毒性中的应用。所得纳米粒子用于制备AgNPs/马拉硫磷纳米复合材料，目的是确定其物理化学性质、抗菌性质、细胞毒性和体内模型中的保护作用。该研究提供了关于如何开发可持续的纳米技术方法以更安全、更环保的方式使用农药的信息。本研究调查了烟草介导的AgNPs及其与马拉硫磷的相互作用是否能够改变马拉硫磷引起的生物毒性。物理化学表征证实了纳米粒子的形成和纳米复合材料的制备，而抗菌和细胞活力测试提供了补充的生物学信息。主要的毒性评估是在大鼠身上进行的，通过肝脏和肾脏组织的生化、组织病理学和超微结构分析来完成。本研究的主要目的是确定烟草介导的AgNPs和AgNPs/马拉硫磷纳米复合材料是否能够减轻马拉硫磷引起的肝毒性和肾毒性。还包括抗菌和细胞活力测试，以评估纳米复合材料形成后的生物活性变化。

**化学物质和试剂**

硝酸银（AgNO?，纯度≥99.9%）是用于制备纳米粒子的起始前体盐[14]。所使用的模型有机磷杀虫剂为技术级马拉硫磷（O,O-二甲基二硫代磷酸二乙基巯基琥珀酸酯）。乙醇（99.5％）、甲醇和二甲基亚砜（DMSO）用于合成和分析[15]。微生物实验使用了从商业供应商购买的营养琼脂和营养肉汤培养基。

**紫外-可见光谱分析**

据报道，烟草叶中含有丰富的植物成分，包括生物碱（如尼古丁）、酚类化合物、黄酮类、萜类和植物甾醇[31]。这些生物分子在将银离子（Ag+）还原为元素银纳米粒子（Ag0）以及通过封端稳定这些纳米粒子方面起着关键作用。叶提取物中的水溶性植物化学物质同时充当还原剂和稳定剂，使得这一过程成为可能。

**结论**

本研究展示了使用烟草叶提取物绿色合成AgNPs及其与马拉硫磷的关联。XRD结果显示AgNPs的平均晶粒尺寸约为9纳米，而定量TEM分析表明AgNPs的颗粒尺寸分布不均匀，平均直径为22.6±8.6纳米。补充的物理化学变化证实了AgNPs与马拉硫磷之间的表面相互作用。AgNPs将金黄色葡萄球菌的数量减少了87.8%。

**关于生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明**

在本研究的准备过程中，作者仅使用OpenAI来辅助优化图9和图10中作者准备的概念性示意图。原始的科学概念、标签、机制关系、图形组织和解释均由作者本人完成。OpenAI未被用于生成、修改、增强或解释任何原始实验图像或基础研究数据。图9和图10的最终版本由作者亲手制作。

**作者贡献声明**

江从毅（Congyi Jiang）：概念提出、方法论设计、软件选择、数据分析、实验实施、初稿撰写、可视化展示、项目管理和监督。

陈杰伟（Jiewei Chen）：概念提出、方法论设计、验证、数据分析、数据整理、撰写及审稿编辑。

**关于利益冲突的声明**

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。江从毅目前隶属于美国宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学梅隆科学学院，可作为本文的通讯作者，联系方式为[e-mail]。

**联系方式**

江从毅 | 陈杰伟
卡内基梅隆大学梅隆科学学院
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