利用辣木（Moringa oleifera）叶提取物生物合成氧化铁纳米颗粒：特性研究及其在抗菌效果和废水处理中的应用

《Sustainable Chemistry One World》：Biogenic Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles Using Moringa oleifera Leaf Extract: Characterization and Applications in Antimicrobial Efficacy and Wastewater Treatment

　　

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  使用Moringa oleifera的水提取物生物合成FeONPs
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  壳聚糖包覆的FeONPs对纺织染料的吸附率很高（>80%）
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  FeONPs将废水浊度从19.42 NTU降低到3.89 NTU
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  FeONPs处理后的废水电导率从370 mS降低到0.70 mS
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  FeONPs能有效去除46%的六价铬（Cr(VI）
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  FeONPs对不同菌株具有显著的抗菌活性

引言

纳米技术是现代科学中发展最快的领域之一，它能够在原子和分子尺度上操控物质。“纳米”一词指的是十亿分之一米（10?? m）[1]，[2]。纳米颗粒的定义是尺寸在1到100纳米（nm）之间的材料[3]。在这个尺度上，材料表现出独特的物理化学性质，这归因于其高表面积与体积比以及量子效应。这种纳米级调控机制可以在不改变化学成分的情况下调节结合效率、磁化强度、熔点和电荷容量[2]，[4]。在纳米材料中，金属氧化物颗粒（MONPs）由于其结构稳定性和多功能性而特别重要。这些颗粒是通过带正电的金属离子与带负电的氧离子之间的静电相互作用形成的，从而产生稳定的离子键[5]，[6]。这样的相互作用增强了吸附效率。常见的例子包括氧化铁（Fe?O?、Fe?O?）、氧化锌（ZnO）和氧化铝（Al?O?）[6]，[7]。

传统的物理和化学合成方法通常需要高能量输入、较长的反应时间、昂贵的纯化过程，并且常常会产生有毒副产品[8]。这些限制促使人们采用了绿色合成方法，这种方法符合自20世纪90年代初以来由美国环境保护署倡导的绿色化学原则。生物合成方法利用植物提取物或微生物，通过使用天然的还原剂和稳定剂提供了一种可持续、成本低廉且环保的替代方案[9]，[10]。

植物介导的合成方法受到了广泛关注，因为植物提取物中含有生物活性化合物，如生物碱、蛋白质、多糖和萜类化合物，这些化合物可以作为还原剂和包覆剂[11]，[12]。在合成过程中，金属离子从单价态或二价态被还原为零价态，通常伴随着颜色的变化。pH值、温度、反应时间和金属盐浓度等因素会影响纳米颗粒的形态、大小和稳定性[12]。

Moringa oleifera，又称鼓槌树或辣根树，原产于热带和亚热带地区，尤其是在印度东北部[13]，[14]，[15]。它被称为“奇迹树”，具有丰富的营养价值和药用功效[15]，[16]。该植物属于辣木科（Moringaceae），富含维生素（A、B族、C、D、E）和钙、钾、锌、镁、铁等必需矿物质[13]，[17]。此外，这种植物还含有多种次生代谢物，包括黄酮类、生物碱、皂苷、单宁和异硫氰酸盐，这些成分作为天然的还原剂和稳定剂有助于纳米颗粒的合成[14]，[15]。

绿色合成的纳米颗粒有广泛的应用。在催化领域，它们的高表面积提高了反应效率。在环境修复中，它们能有效去除工业废水中的染料和重金属，从而减轻生态和健康风险[18]，[19]，[20]，[21]。它们的催化特性还支持氮的固定[6]，[22]。在生物医学应用中，它们可用于抗菌剂、癌症诊断、光热治疗、基因传递和组织工程[6]，[23]；农业、食品、电子和化妆品行业也从纳米技术中受益[24]。废水处理仍然是一个关键的研究领域，因为含有染料、农药、酚类和铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）和铜（Cu）等重金属的工业废水对人类和水生生物健康构成重大威胁[25]。例如，六价铬（Cr(VI)和镉（Cd(II)）具有高度毒性，并且与突变和器官损伤效应有关。纳米材料在膜过滤、光催化降解、纳米吸附和生物吸附方面显示出巨大的潜力[26]。

鉴于对高效、可持续合成方法和多样化应用的需求不断增加，使用Moringa oleifera绿色合成氧化铁颗粒已成为一个关键的研究焦点。本研究旨在利用M. oleifera生物合成氧化铁颗粒，对其进行表征并探索其环境应用。通过这些目标，研究旨在开发具有多功能环境和生物医学潜力的环保型金属氧化物颗粒。本研究的新颖之处在于探索其在染料和重金属（如铬）生物修复方面的应用，以及对其抗菌潜力的评估。

章节片段

所用化学品

本研究中使用的所有化学品均为分析级，来自Sigma-Aldrich或HiMedia Laboratories Pvt. Ltd.

植物叶片采集

从恰蒂斯加尔邦Raipur的Pt. Ravishankar Shukla大学生物技术学院的校园收集了新鲜健康的Moringa oleifera叶片（图1a）。

M. oleifera水提取物的制备

将新鲜的M. oleifera叶片用蒸馏水彻底清洗后，在40°C的热风烤箱中干燥48-72小时。然后，

氧化铁颗粒的合成

采用生物合成或绿色方法制备氧化铁颗粒，使用金属前驱体（无水氯化铁）和新鲜的M. oleifera叶片作为还原剂、稳定剂和包覆剂。

当前驱体溶液滴加到叶片提取物中时，在5分钟内观察到颜色从浅棕色变为深棕色或黑色，表明铁离子发生了生物还原。

结论

本研究采用绿色方法利用M. oleifera叶片提取物合成氧化铁颗粒，该提取物富含多种植物化学成分。合成的纳米颗粒在去除染料方面具有很好的应用价值，染料是导致水污染的常见来源之一，会对人类和水生生物造成不利影响。它们通过降低水的浊度来改善水质，水的浊度是由各种化学物质和悬浮颗粒引起的。

伦理批准

资金信息

CRediT作者贡献声明

Jai Shankar Paul：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件、概念化。Nisha Gupta：写作——审阅与编辑、验证、概念化。Bipasha Singh：写作——初稿撰写、方法设计、实验研究、数据分析。Shailesh Kumar Jadhav：可视化、验证、监督、资源协调。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

利益冲突声明

致谢

作者感谢恰蒂斯加尔邦Raipur的Pt. Ravishankar Shukla大学生物技术学院为开展这项研究提供了所有必要的设施。

利益冲突

Bipasha Singh | Nisha Gupta | Shailesh Kumar Jadhav | Jaishankar Paul