综述：绿色合成纳米材料用于生物质废物的增值利用：最新进展与未来展望

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Green-synthesized nanomaterials for bio-waste valorization: Recent advances, and future perspectives

　　

摘要

范围
纳米材料合成的传统方法涉及高能耗、使用危险化学品并产生有毒副产物，存在显著的环境和健康风险。本综述旨在概述绿色合成纳米粒子的原理和方法，包括各种来源、反应条件和应用，重点强调从不同来源产生的生物废弃物中合成纳米粒子。

方法
本综述比较了纳米粒子的传统合成方法与绿色合成方法，分析了其优缺点，探讨了绿色合成纳米材料的来源及其在各行业中的应用。进一步详细评估了从不同来源产生的生物废弃物开发的纳米粒子，包括食品来源、农业废弃物或植物来源。讨论了制剂商业化方面的挑战以及未来前景，包括有关纳米材料绿色合成的临床前和临床研究。本综述中纳入的文献按照PRISMA指南进行筛选。

主要发现
与传统方法相比，纳米材料的绿色合成在降低能耗、避免加工中使用危险物质、减少有毒废物产生等方面具有多重益处。进一步地，利用生物废弃物进行合成能够实现资源的有效利用，帮助将废弃物转化为有用产品。通过绿色合成获得的纳米材料在工业、农业或医疗领域具有适用性。临床前或临床研究证明了其安全性和有效性。然而，需要解决有关规模化生产、毒性预测、来源差异、工艺重复性和工艺条件优化等方面的挑战。未来需要更多研究朝这些方向发展。

结论
由绿色来源、特别是不同类型生物废弃物产生的纳米粒子能够确保宝贵资源的回收利用并提高可持续性。未来的努力需要在工艺标准化、生产可重复性、毒性研究以及为商业利用进行规模化生产方面展开研究。

引言
绿色纳米材料合成作为传统化学方法的环境替代方案出现在21世纪初，解决了传统化学方法的环境问题。可以引用一些例子，如Shankar等人利用天竺葵叶提取物生物合成银纳米粒子，Duran等人利用尖孢镰刀菌菌株合成银纳米粒子，Gardea-Torresdey等人利用牧草植物合成金纳米粒子（Shankar et al., 2003; Durán et al., 2005; Gardea-Torresdey et al., 2002）。基于绿色化学原则，研究人员开始使用食品提取物、植物提取物、微生物和不同的自然资源来制备纳米粒子——开辟了一条将传统知识与现代纳米技术相结合的可持续道路（Huston et al., 2021; Abuzeid et al., 2023; Ying et al., 2022; Osman et al., 2024）。

纳米材料是至少有一个维度在1到100纳米之间的化合物。由于纳米粒子具有生物特性或绿色技术增强了稳定性和适当尺寸，因为它们的生产是在单一步骤中完成的（Abuzeid et al., 2023; Ying et al., 2022）。如果合成的氧化铜纳米粒子的高表面能导致团聚，颗粒尺寸可能会增大，范围在300纳米到500纳米之间。纳米粒子可以通过不同的化学、物理、生物或联合方法生产（Huston et al., 2021; Ying et al., 2022）。它们的特殊性质不仅取决于尺寸，还取决于其几何形状、结构甚至表面性质，使其适用于不同的科学领域，如电子学、环境科学，以及尤其是制药科学（Abuzeid et al., 2023; Ying et al., 2022; Osman et al., 2024）。

传统上，纳米材料采用溶胶-凝胶技术、化学气相沉积技术（CVD）和水热合成技术生产（Huston et al., 2021）。虽然这些技术能够生产所需形状和尺寸的纳米粒子，但它们通常需要高能耗、危险化学品和有毒溶剂，从而产生显著的健康和环境风险（Osman et al., 2024）。

纳米粒子（NPs）的绿色合成是一种生态友好技术，利用自然资源，即植物提取物、微生物、真菌、藻类和农业工业生物废弃物，替代用于纳米粒子合成的有毒化学品（Huston et al., 2021; Abuzeid et al., 2023; Ying et al., 2022; Osman et al., 2024）。图1说明了从植物来源合成纳米材料的关键步骤。

基于纳米粒子绿色合成的综述工作主要基于通过植物提取物生物合成的金属纳米粒子，考虑到由于地理位置变化和季节变化导致植物代谢物变化所带来的挑战（Ying et al., 2022）。而Osman等人综述了利用生物质和废弃物进行纳米粒子生物合成，重点研究了有效能源利用和环境可持续性。本综述文章在更广泛的观点上关注了这两个方面，特别是将生物废弃物增值作为可持续纳米材料生产的核心组成部分。

纳米粒子的应用多种多样，更多研究集中在医学和医疗保健领域。表1列出了纳米粒子和纳米技术在各个领域的应用。

其他应用包括传感器、催化剂、纺织品、化妆品和电子（Abuzeid et al., 2023; Sundeep et al., 2017; Skiba and Vorobyova, 2019）。

本综述工作的新颖性有效地基于其以生物废弃物为中心的方法、机理整合、稳定化、形成途径的区分、对表征的关键强调、合成参数与环境性能的关联、对水处理性能的关键评估，生物合成纳米粒子的可重复性、应用和局限性、其优势、挑战和未来前景评估。

文献检索和综述的方法学
a) 检索数据库：检索数据库包括ScienceDirect、PubMed、Google Scholar、Web of Science和Scopus。
b) 检索时间范围和检索词：文献检索主要针对近期出版物，检索时间范围从2014年到2026年。
检索文献的检索词包括："纳米粒子合成的传统方法及其局限性"；"纳米材料的绿色合成方法"；"纳米粒子生物合成的来源"；"应用、局限性和传统纳米材料合成方法的局限性"。

传统方法的局限性
纳米材料合成的传统方法如溶胶-凝胶法和化学气相沉积法（CVD）具有很高的通用性和可控性，但存在若干局限性（Ying et al., 2022）。溶胶-凝胶法虽然简单经济，但通常使用有毒有机溶剂，引发健康和环境担忧（Turakhia et al., 2018）。CVD在薄膜和二维材料的合成中提供了很好的控制，但需要非常高的温度（约1000°C）（Gao, 2016; Turakhia et al., 2018），因此……

绿色合成概念
绿色合成采用了这种方法，利用生物和植物材料作为还原剂和稳定剂，以生态友好和经济可行的方式合成纳米粒子（Huston et al., 2021; Abuzeid et al., 2023）。植物提取物是多酚、黄酮类化合物、酶、维生素和糖等生物分子的重要来源，这些生物分子有助于还原金属离子并稳定粒子形成纳米粒子。该方法符合绿色化学……

绿色合成的来源
绿色合成利用生物分子将金属离子还原为纳米结构形式。表4比较了纳米粒子生物合成的途径。植物提取物、微生物和生物成因废弃物提供了多种生物活性化合物和生物分子，作为还原剂、稳定剂和稳定剂。下表5总结了它们的可持续性、成本效益、可扩展性和主要挑战，包括组成变异性、污染、异质性和加工……

纳米粒子生物合成过程及机理分析
该过程通常包括：
1. 将金属前驱体（如AgNO?、HAuCl?、FeCl?、KMnO?等）与生物提取物混合。
2. 通过生物分子（如柠檬酸、抗坏血酸、多酚）还原金属离子。
3. 通过提取物中的蛋白质或多糖进行包覆/稳定化。
4. 形成具有所需尺寸、形状和表面性质的纳米粒子（Huston et al., 2021; Abuzeid et al., 2023; Ismail et al., 2018; Fazal et al., 2014; Patra et al., 2018; Siddique and Chow, 2020; …

商业应用
表7列出了绿色合成的纳米粒子、生物制剂和应用。

局限性和挑战
尽管有许多优势，绿色合成面临若干挑战：
- 原材料变异性：季节/地理的植物可用性和组成变异性影响纳米粒子的产量和质量。
- 生产所需的粒子尺寸和形状：实现均匀生产、重复生产和可扩展性比化学/物理合成更为困难。由于提取物组成的差异，尺寸、形状、产量和表面特性可能不一致（Ying et al., 2022）。

使用植物来源废弃物的绿色合成
利用植物来源的废弃生物质进行纳米材料绿色合成已成为传统化学方法的可持续和生态高效替代方案。与传统合成不同，传统合成通常需要有毒还原剂、高压和昂贵的溶剂，绿色方法利用植物残留物中天然存在的植物化学物质作为还原剂、稳定剂和稳定剂（Abuzeid et al., 2023）。果皮、叶子、茎、种子和农业残留物富含……

绿色合成纳米材料的表征
表征绿色合成纳米材料需要进行结构、形貌、表面、光学、胶体、热学和元素分析（Mourdikoudis et al., 2018; Ettadili et al., 2022）。
- XRD用于识别结晶相并提供结晶度和相干晶粒尺寸信息。
- SEM、TEM、HRTEM和SAED揭示颗粒形貌、尺寸、团聚和局部晶体学特征。
- FTIR有助于识别官能团。
- UV-Vis光谱检测特征……

纳米材料的再生与再利用
开发用于微量金属提取的可重复使用纳米材料具有挑战性，这是由于金属螯合官能团对脱附和再生的强烈阻碍。使用了不同的方法如ICP-OES、ICP-MS、XRD、SEM、FTIR、XIS、TGA来评估循环后的吸附性能、结构变化、氧化态和分散稳定性（Mehdar et al., 2026）。磁性纳米材料（MNMs）可以基于再生策略用于多周期应用，并专注于……

绿色合成纳米材料在生物废弃物管理中的优势
利用植物提取物、微生物、生物质或农业残留物等生物资源而非需要危险化学品和大量能量输入的传统化学或物理过程，这被称为"绿色合成"。这种策略提供了重大的环境和经济优势，特别是在用于生物废弃物管理时，与绿色化学和可持续性概念一致（Malik et al., 2023; Sajini and Joseph, 2025）。绿色合成利用了……

绿色合成纳米材料在生物废弃物管理中的挑战
绿色合成纳米材料比传统纳米材料更可持续，因为它们是由微生物、植物提取物和生物废弃物等生物前驱体制备的。然而，一些重大障碍限制了它们在生物废弃物管理系统中的更广泛应用，特别是在环境技术中，包括土壤修复、废水处理、吸附和催化。绿色合成消除了危险化学品，然而……

绿色合成纳米材料在生物废弃物管理中的未来前景
绿色纳米技术将可持续性、绿色化学和纳米科学的概念融合在一起，利用生态友好的过程（如从农业、工业、食品和植物废弃物中生物合成）来制造纳米材料。从实验室研究到商业和临床应用的有效转化将是未来进步的必要条件。日益增长的减少危险化学品使用的监管压力正在推动绿色合成纳米粒子的商业化。

结论
利用生物资源，特别是农业和其他生物废弃物，进行纳米材料的绿色合成，降低了能耗，消除了对危险化学品的需求，并创造了可用于农业、环境和医疗应用的生物相容性纳米粒子。绿色纳米技术在生物废弃物管理中至关重要，因为它从大量有机废弃物和农业残留物中产生增值纳米粒子。这促进了废弃物……

CRediT作者贡献声明
Sattam Sahoo：撰写—原稿。Nilanjana Das：撰写—原稿。Pritam Kamila：撰写—原稿。Ayon Dutta：撰写—原稿。Dipanjana Ash：撰写—原稿。Anushree Mandal：撰写—原稿。Moumita Das Kirtania：撰写—审阅与编辑。Kamalika Mazumder：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。

资金来源
作者声明没有资金来源参与。

未引用参考文献
10.3390/jfb17030152, 2024
Atanda et al., 2026
Dmitry et al., 2021
Dos Santos et al., 2026
Fu et al., 2019
Ho and McKay, 1999
International Council for Harmonisation of Human Use (ICH), 2023
September et al., 2026
Singh, 2024
Taylor and Francis, 2025
Thanh et al., 2014
Tiwari et al., 2024

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

Sattam Sahoo | Nilanjana Das | Pritam Kamila | Ayon Dutta | Dipanjana Ash | Anushree Mandal | Moumita Das Kirtania | Kamalika Mazumder