磁性纳米颗粒与昆虫病原真菌联合体形成的磁敏耐辐射生物杂化复合材料

《Surfaces and Interfaces》：Fungi biocomposites formed by magnetite nanoparticles and entomopathogenic fungal consortium (Beauveria sp and Nomuraea sp) as magnetosensitive, and radiation-tolerant bio-hybrids

　　

摘要：将生物有机体与合成材料相结合是当前具有生物技术应用潜力的研究领域。本研究报告了由昆虫病原真菌联合体（Beauveria sp和Nomuraea sp）与Fe3O4超顺磁性纳米颗粒（MNPs）组成的真菌复合材料的形成，这些复合材料被描述为简单的生物杂化体。将MNPs掺入真菌中使得能够创建一种磁敏复合材料，该复合材料引导真菌沿所施加磁场的模式生长。在测试不同的磁配置（线性、交叉和圆形）时，生物杂化体表现出由磁场梯度（?|B|）驱动的定向生长，在几天内覆盖了整个培养皿。此外，它们还表现出不寻常的辐射抗性，能够承受来自中心波长为254 nm（用于灭菌微生物的标准波长）的UV-C光和中心波长为520 nm的可见光的光氧化应激，模拟了环境条件。同时，当暴露于特征性的Co Kα（6.93 keV）和Ag Kα（22.2 keV）X射线管发射时，它们表现出辐射刺激的生长，表明对电离辐射有响应。这些生物杂化体的形成凸显了具有磁敏感性和对抗胁迫因子鲁棒性的真菌-合成复合材料的潜力，使其适用于恶劣环境中的生物修复和农业应用。

一、研究背景、问题与研究意义

生物复合材料通常被定义为具有生物相容性和/或生态友好性的材料。将微生物与合成材料相结合，可以融合生物特性（如对环境胁迫的抗性）与人造组分的物理特性（如对受控刺激的敏感性），从而构成一个有前景的研究领域。传统的有机/无机生物复合材料多利用真菌和纳米颗粒形成。近年来，磁性纳米颗粒（MNPs），特别是超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs），因其在生物医学和环境应用中的潜力而备受关注，其磁性可通过组成、尺寸和结晶度精确调控，应用于磁热疗、核磁共振成像（MRI）对比增强、药物递送、重金属吸附及水中纳米/微塑料的修复等领域。

然而，如何有效利用真菌自身的生物学特性，结合磁性纳米颗粒赋予的外部可控性，以开发具有特定功能的智能生物杂化材料，仍是当前研究的挑战。特别是，对于非黑色素化的真菌，其对辐射的耐受性和响应机制尚不完全清楚。本研究旨在探索利用昆虫病原真菌（Beauveria sp和Nomuraea sp）与Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒（MNPs）构建生物杂化体，以实现对其生长方向的磁控，并评估其在多种辐射条件下的生存与响应能力。选择这两种真菌是基于其重要的生物技术相关性（广泛用作生物杀虫剂）以及对环境条件的天然抵抗力。该研究的意义在于开发了一种兼具磁敏感性和辐射耐受性的新型生物杂化材料，为在恶劣环境下的生物修复和农业应用提供了新的可能性。

二、关键技术方法

研究人员采用了溶剂热法合成了直径约10 nm的Fe₃O₄超顺磁性纳米颗粒（MNPs）。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和综合物性测量系统（PPMS）对MNPs及生物杂化体进行了表征。通过将真菌联合体接种到含有不同浓度MNPs（0、0.3、0.6、1.0 mg/ml）的培养基中，构建生物杂化体。为了研究磁敏感性，将永磁体以不同配置（单边、线形、交叉、圆形）放置在培养皿周围，施加静态磁场。辐射实验使用了可见光灯（520 nm）、UV-C灯（254 nm）、Co阳极X射线源（6.93 keV）和Ag阳极X射线源（22.2 keV）进行照射。研究人员还利用有限元数值模拟（FEMLAB 3.0）计算了不同磁配置下的磁通密度及其梯度。

三、研究结果

3.1. XRD、PPMS和SEM表征

XRD结果显示合成的MNPs为纯相磁铁矿（Fe₃O₄），晶粒尺寸约为11 nm。PPMS测量表明MNPs在室温下呈现超顺磁性，饱和磁化强度（M_s）为66.8 emu/g，矫顽力（H_c）极低。SEM图像显示，MNPs以表面吸附和可能嵌入菌丝壁内的方式与真菌紧密结合。生长速率实验表明，较高浓度的MNPs（1.0 mg/ml）会瞬时加速径向生长，但为确保后续实验不受生理过度刺激的干扰，选择了0.3 mg/ml作为标准浓度。

3.2. MNPs在真菌系统中的运输

在单边磁铁配置下，生物杂化体表现出显著的定向生长，朝向磁铁的方向（9.30 ± 0.09 mm/天）显著快于背离磁铁的方向（6.64 ± 0.20 mm/天）（p=0.001），而未含MNPs的真菌则表现为各向同性的径向生长。在与黄曲霉（Aspergillus flavus）的竞争实验中，只有吸收MNPs的生物杂化体表现出磁响应性定向生长。在线形和交叉磁铁配置下，生物杂化体的生长轨迹沿着磁通密度梯度（?|B|）的方向延伸。在圆形磁铁配置下，生物杂化体的生长加速，7天内即可完全覆盖培养皿，而对照组需要10天。这表明磁力驱动了含有MNPs的菌丝向局部磁场最大值（靠近磁铁）移动。

四、总结与讨论

讨论部分总结：

研究人员指出，生物杂化体的定向生长是由磁致迁移力驱动的，该力正比于磁通密度的空间梯度（?|B|）。真菌细胞壁上的功能基团（羟基、羧基、磷酸基、胺基）赋予了其对金属离子的高亲和力，有助于MNPs的结合。研究还发现，生物杂化体对UV-C和可见光具有不寻常的耐受性，并且受到X射线的刺激生长。这种辐射刺激生长现象此前多在黑色素化的真菌中被观察到，而本研究中使用的非黑色素化真菌也表现出此特性，表明可能存在其他机制。通过自由基清除实验，研究人员推测MNPs可能在辐射下产生反应性氧物种（ROS），但真菌自身产生的过氧化氢酶等抗氧化机制可能抵消了部分氧化损伤，甚至可能将辐射能量转化为有利于生长的信号。

研究结论翻译：

这些生物杂化体的形成凸显了具有磁敏感性和对胁迫因子鲁棒性的真菌-合成复合材料的潜力，使其适用于恶劣环境中的潜在生物修复和农业应用。