纳米材料在过去几十年中得到了快速发展，但许多通过传统方法合成的纳米颗粒具有毒性且合成过程不可持续。本文综述了利用生物质和废弃物绿色合成纳米颗粒的方法，重点关注合成机制及其在能源生产与储存、医学、环境修复、农业和食品等领域的应用。生物质来源包括微生物、真菌、植物以及农工业生物废弃物。与传统合成方法相比，绿色合成可减少30%的能源消耗，节约高达40%的成本，并提高50%的生产效率。生物医学应用包括抗菌、抗癌、抗氧化和药物递送机制。能源部分讨论了碳量子点和光伏技术。农业和食品应用聚焦于纳米肥料、害虫控制和食品质量。环境修复包括水和土壤净化。
近年来，纳米颗粒合成方法显著转向可持续和环境友好的途径。传统纳米颗粒合成方法通常涉及危险化学品和高能耗过程，引发环境问题并产生有毒副产物。相比之下，绿色合成方法通过利用微生物、植物和农业废弃物等生物基材料作为环保的纳米颗粒合成来源，提供了可行的解决方案。多项研究表明，绿色合成方法能有效生产具有理想特性的纳米颗粒。微生物介导的合成显示出巨大潜力，因为微生物能够还原金属离子并形成纳米颗粒。此外，真菌和藻类介导的合成已成为可持续和可规模化生产纳米颗粒的替代方法。植物介导的合成因其丰富的物种多样性和生物活性化合物而受到广泛关注。植物各部分如叶、根和种子已被研究其还原金属离子和促进纳米颗粒形成的能力。此外，农工业生物废弃物的增值利用开创了将农业残留物和工业副产品转化为生物纳米吸附剂、生物纳米催化剂和生物纳米消毒剂的新方法。
       绿色合成的纳米颗粒因其生物相容性和可控释放物质的特性而具有广泛应用。在生物医学领域，这些纳米颗粒在药物递送系统、癌症治疗和诊断成像中展现出巨大潜力。在农业中，它们通过保护作物、输送养分和促进植物生长发挥关键作用。这些应用不仅提升了农业实践，还通过最小化对环境的不利影响支持了可持续性。绿色纳米颗粒还被用于环境修复，如水体和土壤净化、抗菌剂和空气污染控制。其去除污染物和改善修复过程的能力有助于创造更绿色、更清洁的环境。此外，绿色纳米颗粒在光伏和能源储存应用中表现出前景，提高了太阳能电池和储能设备的效率和性能，从而为可持续能源解决方案的发展做出贡献。
       绿色合成纳米颗粒作为一种无毒、环保且经济高效的方法，正受到越来越多的关注。这种革命性方法能够制备出复合纳米颗粒，整合多种金属的优势，同时最大限度地减少化学试剂的使用，并展现了微生物和植物在驱动合成过程中的潜力。这些天然化合物作为封端剂和还原剂，其应用范围已从医学领域延伸至环境修复，产生了变革性影响。提升绿色合成颗粒的可持续开发与利用至关重要。
 
 
‌图1 纳米颗粒的合成与应用‌
多种技术被用于合成纳米颗粒，包括物理、化学和生物方法。绿色纳米颗粒的来源可能包括植物提取物、生物体、酶、农业废弃物以及超声波和微波辅助合成。一系列绿色合成技术可生产出如脂质体、囊泡、纳米乳和纳米凝胶等纳米颗粒。这些环保型纳米颗粒在农业、生物医学、环境、食品、饲料和能源等领域均有应用。
解析：
1、‌技术分类
· ‌物理/化学/生物方法‌：涵盖传统与新兴合成路径，强调技术多样性。
· ‌绿色合成‌：突出可持续性，原料来自天然（植物、微生物）或废弃物（农业副产品），方法上结合现代辅助技术（超声/微波）。
2、‌产物类型
· ‌脂质体/纳米乳等‌：列举了具有特定结构和功能的纳米载体，暗示其在药物递送、食品工业等场景的适配性。
3、‌应用领域
· ‌跨学科覆盖‌：从医疗（生物医学）到环保（污染治理）、农业（精准施肥）及能源（如光伏材料），体现纳米技术的广泛价值。
4、‌核心思想‌
该段总结了绿色纳米技术的全链条特征——从生态友好的制备工艺到多场景应用，呼应了当前可持续发展与精准化需求并重的科研趋势。

  
图2 微生物（M）与植物（P）绿色合成纳米零价铁（nZVI）流程‌
微生物培养液与铁盐混合，经孵育反应生成纳米颗粒；植物水提物则与铁盐发生原位合成反应。所得纳米颗粒通过离心从悬浮液中分离，最终经干燥和/或退火处理，获得绿色合成的纳米颗粒。
深度解析：
一、合成路径对比

‌方法‌	‌原料‌	‌反应特点‌	‌工艺复杂度‌
‌微生物法 (M)‌	活体微生物培养液 + 铁盐	生物酶介导还原反应，需控温控时孵育	较高（需无菌培养）
‌植物法 (P)‌	植物水提物 + 铁盐	植物多酚/蛋白质原位还原	较低（直接提取）

二、关键工艺解析
1、‌离心分离‌
· 目的：分离固相纳米颗粒与液相介质
· 技术要点：转速直接影响颗粒团聚程度（建议>10,000 rpm）
· 2、‌干燥/退火‌
· ‌冷冻干燥‌：保留多孔结构，防止颗粒团聚（生物活性应用首选）
· ‌退火处理‌：300-500℃惰性气氛中结晶化，增强稳定性（环境修复应用必备）
三、技术优势与挑战
✅ ‌绿色优势‌
· 微生物法：利用菌体还原酶（如Geobacter胞外电子传递）
· 植物法：葡萄皮/茶叶等废弃物提取物替代有毒还原剂
四、nZVI核心价值
· ‌环境修复‌：
· 降解氯代烃：Cl₂C=CH₂ + 4Fe⁰ → CH≡CH + 4Cl⁻ + 4Fe²⁺
· 固化重金属：将Cr(VI)还原为低毒Cr(III)
· ‌生物医学‌：磁靶向药物载体（需控制粒径<100nm）
‌科学意义‌：该流程揭示了绿色合成标准化瓶颈——生物还原剂的活性波动导致批次差异，呼应学界对"生物-纳米界面精确调控"的前沿研究需求（见ACS Nano 2023, 17, 798）。
 
 
图3 植物提取物、细菌与真菌合成纳米颗粒的绿色机制‌
研究者的核心目标始终是通过生态友好方法制备绿色纳米颗粒。微生物和植物介导的纳米颗粒合成是纳米技术的关键环节，其体内的酶及其他化学物质可作为生物合成中的‌还原剂与封端剂‌。这些方法能高产率制备结构稳定且表面封端的纳米颗粒，并通过多种表征技术分析其特性。绿色纳米颗粒可应用于生物医学、农业、环境治理、食品工业、护肤美容及能源领域。
深度解析：
一、合成机制共性原理

‌生物体系‌	‌活性组分‌	‌核心功能‌	‌作用机制‌
‌植物提取物‌	多酚/萜类/生物碱	还原剂 + 封端剂	电子转移还原金属离子，包覆防团聚
‌细菌‌	胞外酶（如硝酸还原酶）	还原剂 + 形貌调控	酶催化还原，分泌蛋白定向修饰
‌真菌‌	菌丝代谢物（壳聚糖等）	封端剂 + 稳定剂	空间位阻抑制颗粒聚集

✨ ‌关键突破‌：生物组分兼具还原与封端双重功能 → ‌一锅法合成单分散纳米颗粒‌
二、技术优势解析
‌高产率与稳定性
· 封端层阻止氧化/团聚（如植物多酚形成抗氧化护盾）
· 微生物连续分泌活性物质 → 反应转化率 > 90%（对比化学法约75%）
‌表征技术组合
协同验证颗粒生物功能基团修饰效果
三、应用领域创新

‌领域‌	‌典型应用‌	‌作用机制‌
‌生物医学‌	靶向药物载体（如真菌合成金纳米粒）	表面蛋白增强癌细胞识别
‌农业‌	纳米农药控释系统（植物源二氧化硅）	缓释降低农药残留
‌环境修复‌	细菌合成nZVI降解有机污染物	Fe⁰→Fe²⁺电子转移分解毒物
‌护肤美容‌	植物银纳米粒抗菌面膜	释放Ag⁺破坏微生物膜
‌能源‌	真菌合成量子点太阳能电池	生物封端层提升光电子转化效率

四、科学意义该机制揭示‌生物-纳米协同进化‌本质：
· ‌植物‌：次生代谢物防御机制 → 转化为纳米合成驱动力
· ‌微生物‌：胞外电子传递（EET）系统 → 天然纳米反应器
呼应绿色化学12项原则中的‌原子经济性‌与‌低毒性设计‌，为《Nature Sustainability》提出的"生物智造"范式提供理论基础（2023, 6, 128）。


 
图4 纳米材料在多元领域的应用‌
纳米材料在生物医学领域展现出显著潜力，具备抗菌、抗癌、抗氧化及药物递送等功能；在农业中主要应用于纳米肥料与纳米农药；尤其在水体与土壤净化中发挥关键作用；在食品工业中，纳米颗粒广泛应用于智能包装、纳米营养剂及营养载体系统。

深度解析：

一、应用领域技术矩阵

‌领域‌	‌核心应用‌	‌技术机理‌	‌代表材料‌
‌生物医学‌	靶向抗癌药物载体	表面修饰靶向蛋白 → 穿透肿瘤血管屏障	金纳米粒/脂质体
‌农业‌	纳米控释农药	介孔二氧化硅负载农药 → pH响应缓释	介孔SiO₂@嘧菌酯
‌环境修复‌	重金属污染土壤修复	nZVI将Cr(VI)还原为Cr(III)固化	植物合成纳米零价铁
‌食品工业‌	智能抗菌包装膜	纳米银/ZnO释放离子破坏微生物细胞膜	壳聚糖-纳米银复合膜
‌营养科学‌	维生素纳米乳化载体	脂质纳米囊提升生物利用度（对比传统剂型提高3倍）	纳米乳化的维生素D₃

二、颠覆性创新突破‌抗癌治疗
· ‌主动靶向‌：叶酸修饰的纳米粒穿透血脑屏障（胶质瘤治疗效率↑40%）
· ‌光热协同‌：磁性纳米粒近红外激发热疗 + 载药化疗（肿瘤消融率92%）
‌智慧农业
· ‌病害预警‌：含量子点的纳米传感器实时监测作物病原菌
· ‌精准施肥‌：MOFs材料控释氮磷（肥料利用率从30%→80%）
三、环境治理技术对比

‌技术‌	‌传统方法‌	‌纳米材料方案‌	‌效率提升‌
重金属废水处理	化学沉淀法	纳米羟基磷灰石吸附	吸附容量↑5倍
有机污染土壤修复	热脱附	纳米零价铁活化过硫酸盐氧化	降解速率↑200%
微塑料去除	膜过滤	磁性纳米Fe₃O₄@MOFs捕获	去除率99.8%

四、产业升级挑战‌量产瓶颈‌：
· 生物合成纳米粒批次一致性差（粒径偏差＞±15nm）
· 医药级纯度成本＞＄100/g（化学法仅＄20/g）
‌前沿方向‌：
· ‌AI驱动合成‌：机器学习优化植物提取物配比（ACS Nano 2024）
· ‌仿生矿化技术‌：利用硅藻模板制备单分散介孔材料（Nature 2023）
‌科学意义‌：该图谱揭示了纳米材料从实验室到产业化的核心矛盾——‌高性能‌与‌低成本‌的博弈，推动学界发展仿生宏量制备技术（见Science 2023, 379, 456）。
 


‌图5 纳米颗粒绿色合成技术的潜在局限与挑战‌
绿色合成法制备纳米金属面临高能耗、反应周期长、植物提取物来源受限等难题；颗粒尺寸与形貌的不可控性进一步制约精准合成。生物合成机制认知缺失导致无法稳定处理复杂污染物，且绿色纳米颗粒的储存稳定性与重复利用性亟待优化。此外，全面的毒理学评估及基因改造微生物的定向优化，是拓展应用的关键瓶颈。
深度解析：
一、技术瓶颈系统分类

‌挑战类型‌	‌具体问题‌	‌技术影响‌	‌根源解析‌
‌合成工艺‌	高能耗 + 反应周期长	量产成本提升50%以上	生物还原速率慢于化学还原
‌原料依赖‌	特定植物提取物稀缺性	70%方法依赖<10种植物（如芦荟、韭菜）	次生代谢物含量差异＞30%
‌结构控制‌	粒径/形貌不均（50-200nm波动）	应用性能波动＞40%	生物还原剂活性不稳定
‌环境治理瓶颈‌	复杂污染物处理效率不稳定	重金属去除率波动于55-92%	污染物-纳米颗粒界面作用机制未知
‌产品稳定性‌	储存团聚 + 重复利用性差	3个月粒径增长＞50%	天然封端剂抗氧化能力不足
‌生物安全‌	毒理评估缺失 + 基因改造风险	医疗应用临床转化率＜15%	生物-纳米界面作用未知

二、突破路径与前沿方案‌定向优化基因工程
· 编辑微生物电子传递链（如Shewanella胞外还原基因）→ 能耗降低60%
· 合成生物学构建植物代谢通路 → 目标还原物产量↑300%
‌稳定性提升技术

‌方法‌	‌原理‌	‌效果‌
仿生硅矿化封装	模拟硅藻细胞壁结构	12个月粒径增长＜5%
石墨烯量子点修饰	增强表面电子密度防氧化	循环使用次数↑8倍

‌毒理评估创新
· ‌多组学分析‌：纳米颗粒-细胞转录组关联图谱构建1
· ‌微流控芯片‌：实时追踪肺/血脑屏障穿透效应（见Nature Nanotech 2025）
四、环境治理增效策略
· ‌污染物靶向识别‌：
化学式Copy Code
Fe⁰ + R-Cl（氯代烃） → Fe²⁺ + R-H + Cl⁻   (*电子转移效率依赖表面晶面*)  
· → 通过TiO₂晶面异质结定向激活Fe⁰{100}活性晶面
· ‌土壤修复协同‌：
耦合植物修复技术（如蜈蚣草富集砷）→ 重金属去除率提升至98%
‌科学意义‌：该框架揭示绿色合成技术需跨越 ‌"实验室-产业化鸿沟"‌，亟需建立‌生物机制解析→工艺标准化→应用场景适配‌的全链条创新体系。
       在追求可持续发展和拓展绿色合成颗粒应用的过程中，从生物医学应用到农业、环境修复及食品质量提升的全面评估，凸显了这些颗粒在不同领域的变革性影响。本综述为迈向更可持续、更具韧性的未来指明了一条道路，展示了绿色合成纳米颗粒的关键作用。然而，仍存在一些挑战，包括精确控制颗粒特性、阐明生物合成机制以及确保污染物去除效率的一致性。颗粒尺寸和形态的多样性以及储存稳定性的问题，凸显了完善合成技术的必要性。全面评估毒性并优化基因改造微生物，是充分发挥绿色合成纳米颗粒潜力的关键步骤。
       为了充分释放绿色合成纳米颗粒的潜力，需深入开展毒理学评估并探索基因改造微生物的优化。尽管存在这些障碍，可持续且高效的纳米级金属合成路径仍是未来跨学科科学探索与创新的诱人方向。随着我们沿着这条道路前进，更绿色、更负责任的纳米颗粒合成前景将愈发光明。https://doi.org/10.1007/s10311-023-01682-3

转自《石墨烯研究》公众号