微生物-纳米材料杂化体系

　　纳米是一个很小的长度单位。纳米材料，从字面上看，就是一些体积很小的材料。提到纳米材料，同时常会联想到精密的实验室合成、严苛的反应条件；提到微生物，脑海中浮现的则是细菌、真菌、藻类这些肉眼看不见的微小生命体。

　　当这两种看似毫无关联的微观物质相遇，便碰撞出了微生物-纳米材料杂化体系这一前沿领域--它不是简单的物理混合，而是微生物与纳米材料通过静电吸附、共价键合、生物矿化等方式，形成的兼具生物活性与纳米材料特殊性能的新型复合体系，堪称微观世界里优势互补的"跨界搭档"。（详情请点击下方阅读原文）

　　这一领域打破了传统材料学与微生物学的边界，既解决了纯纳米材料生物相容性差、稳定性不足的痛点，又弥补了游离微生物易受环境影响、功能单一的缺陷，在环境治理、生物医药、能源开发、催化工业等领域展现出巨大潜力，成为当下跨学科研究的热门方向。

什么是微生物-纳米材料杂化体系？

　　简单来说，微生物-纳米材料杂化体系是以微生物（全细胞或其代谢产物）为生物骨架，与各类无机/有机纳米材料结合，构建的多功能复合系统。这里的"微生物"不仅包括细菌、真菌、微藻、噬菌体等活体细胞[1]，还涵盖微生物分泌的酶、多糖、蛋白质、胞外聚合物等代谢产物；"纳米材料"则是尺寸在1~100 nm之间的特殊材料，比如金属纳米颗粒（金、银、铁氧化物）、半导体纳米材料（二氧化钛、硫化镉）、碳基纳米材料（石墨烯、碳纳米管）、金属有机框架（MOF）等[2]。

　　二者结合后，会产生"1+1>2"的协同效应：微生物保留自身的代谢、催化、靶向等生物活性，纳米材料则赋予体系光学、电学、磁学、高比表面积等独特性能，让原本单一的微生物或纳米材料，拥有了全新的功能特性。在生物医药，环境保护，以及工业催化领域有众多的应用[3]。

为什么要做微生物-纳米杂化？

　　相比传统化学合成纳米材料、纯微生物制剂，杂化体系的优势堪称颠覆性，完美解决了两大领域的共性难题。

　　绿色环保，温和合成：传统纳米材料合成需要高温、高压、有毒化学试剂，而微生物可在常温常压下，通过代谢反应原位合成纳米颗粒，无污染物排放，属于"绿色合成"；微生物代谢产物还能自然掺杂氮、磷等元素，提升纳米材料性能。

　　生物相容性：纯纳米材料易引发机体免疫反应、细胞毒性，经过微生物或其代谢产物修饰后，表面更贴近生物组织，在医疗、食品领域应用更安全[4]。

　　稳定性与耐受性提升：纳米材料包裹微生物，能保护微生物抵御酸碱、重金属、高温等极端环境，避免菌体失活；微生物则防止纳米材料团聚、沉降，延长使用寿命[5]。

　　功能定制化：可根据需求选择不同微生物和纳米材料，比如靶向治病选益生菌+药物纳米粒，污水处理选降解菌+吸附纳米材料，实现"按需设计"[4]。

如何"组队"？

　　微生物和纳米材料的结合方式主要有三种：

　　表面附着：纳米材料与微生物细胞壁表面之间的范德华力、静电吸引力或疏水作用使其能像小铠甲一样"贴"在微生物的细胞壁上，比如给细菌表面裹上一层金纳米颗粒，既不影响细菌活动，还能给它附加增益效果。

　　细胞内包裹：指将纳米材料递送至微生物细胞内部的递送方式。其中体积极小的纳米颗粒（<5 nm="">　　典型应用案例包括：将磁性纳米颗粒递送至酵母细胞内，实现对酵母细胞的精准操控；将荧光纳米碳量子点导入细菌胞内，用于微生物的胞内成像分析。

　　生物合成：指微生物通过代谢活动或分泌物，将环境中的离子前体转化为纳米材料，即微生物自主"生产"纳米材料。主要分为胞内合成（微生物吸收离子，经胞内酶催化还原生成纳米颗粒，如磁性细菌合成磁小体）和胞外合成（微生物分泌蛋白质、多糖等物质作为成核位点，引导离子在细胞周围沉淀形成纳米材料）两种方式[6]。生物合成的纳米材料通常具有优异的生物相容性和独特的晶体结构。

跨界应用：从守护健康到改善环境

　　凭借独特的协同优势，微生物-纳米材料杂化体系已经走出实验室，在多个领域落地应用，改变着我们的生活。

生物医药：精准诊疗的"微观利器"

　　益生菌搭载抗肿瘤纳米药物，利用细菌的厌氧靶向性，穿透实体肿瘤深部释放药物，提升治疗效果[1]。噬菌体-银纳米杂化材料，精准杀灭耐药细菌，攻克超级细菌感染。李娜[7]在碱性条件下原位合成银纳米粒子(AgNPs)，得到M13噬菌体-银纳米粒子复合材料。实验结果显示，M13噬菌体-银纳米粒子复合材料对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌)和革兰氏阴性菌(肠出血性大肠杆菌、铜绿假单胞菌)在短时间内均能达到较强的杀菌效果。磁性纳米-真菌杂化体，可用于医学成像、病灶精准定位。Hao等[8]开发的铈基单宁酸（CeTA）纳米酶，具备SOD、CAT双重类酶活性，可高效清除ROS并促进巨噬细胞M2极化，在炎症部位实现ROS响应性聚集，在肠炎治疗方面产生了较好的效果。

环境治理：污染修复的"绿色卫士"

　　降解菌+铁氧化物纳米颗粒，高效吸附并还原水体中的铬、铅等重金属；藻类+光催化纳米材料，降解农药、染料等有机污染物，同时固定二氧化碳；微生物-MOF杂化体，超高比表面积吸附废气、污水中的有害物质，重复利用率远超传统吸附剂。韩吉平制备双金属有机框架Cu@Co-MOFs,并证明其具有类过氧化物酶（POD）活性的纳米酶为环境污染治理提供了新的思路。实验结果表明,该催化剂对各类污染物均表现出优异的降解性能,展现出卓越的光催化活性和广泛的适用性[9]。

能源开发：可持续能源的"助推器"

　　非光合细菌与硫化镉纳米颗粒杂化，模拟光合作用，将光能转化为化学能，合成乙酸等高附加值燃料；微生物-碳纳米管杂化体，提升微生物燃料电池的电子传输效率，发电能力大幅增强；真菌基杂化材料，用于钠离子、钾离子电池，提升储能稳定性。

工业催化：高效反应的"微型工厂"

　　微生物酶-纳米杂化催化剂，替代传统化学催化剂，用于食品加工、化工合成，反应更温和、产物更纯净；细菌-纳米铜杂化体，用于有机废水的催化降解，成本低、效率高、无二次污染。

未来展望：无限可能的微观新赛道

　　目前，微生物-纳米材料杂化体系仍处于快速发展阶段，虽然部分成果已实现小规模应用，但大规模产业化仍面临一些挑战：比如杂化机理尚未完全阐明、规模化合成工艺待优化、长期生物安全性需进一步验证。

　　但随着基因工程、材料科学、微生物技术的不断突破，未来我们可以通过基因改造微生物，精准调控纳米材料的合成尺寸、形貌，开发智能响应型杂化体系，实现环境触发式功能释放，甚至构建人工光合杂化系统，解决能源危机[10]。

　　从微观世界的跨界组合，到宏观世界的绿色变革，微生物-纳米材料杂化体系正用小小的微观粒子，书写着材料科学与生命科学融合的新篇章，也为人类应对环境、能源、健康难题，提供了全新的解决方案[1, 11]。

　　参考文献

　　1. 廖琪. 环境中AgNPs/Ag^~+对噬菌体控制耐药细菌及耐药基因的影响研究. 成都: 西南石油大学, 2023 、

　　2. Manohar A, Suvarna T, Gurugubelli T R, et al. Dual-functional Mg_xZn_0.5Cu_0.5−xFe₂O₄/graphitic carbon nitride nanocomposites with supercapacitive and biocompatible performance. Mater Charact, 2026, 235: 116280 

　　3. Raklami A, Tahiri A I, Bechtaoui N, et al. Restoring the plant productivity of heavy metal-contaminated soil using phosphate sludge, marble waste, and beneficial microorganisms. J Environ Sci (China), 2021, 99: 210-221 

　　4. 房琦. 模板策略制备的多功能纳米酶及其类酶活性机制和应用研究. 合肥: 中国科学技术大学, 2025 

　　5. Yang H, Zhang X, Wu J, et al. Probiotic membrane-modified nanocomposite alleviates inflammation and microbiota dysbiosis in colitis by scavenging oxidative stress and restoring immune homeostasis. ACS Appl Mater Interfaces, 2025, 17(15): 22245-22265 

　　6. Sun C, Sun B, Chen L, et al. Harnessing biosynthesized selenium nanoparticles for recruitment of beneficial soil microbes to plant roots. Cell Host Microbe, 2024, 32(12): 2148-2160.e7 

　　7. 李娜. M13噬菌体-银纳米粒子复合材料的制备及其在杀菌和铬检测中的应用研究. 沈阳: 东北大学, 2019 

　　8. Hao J, Liu C, Zhou L, et al. Enhancing diabetic wound healing with a pH/glucose dual-responsive hydrogel for ROS clearance and antibacterial activity. Int J Biol Macromol, 2024, 272: 132935 

　　9. 韩吉平.MOFs基与g-C3N4基纳米材料的制备及其应用研究.银川：宁夏医科大学,2025 

　　10. Souza L, Recouvreux D, Watzko E, et al. Bacterial nanocellulose/hydroxyapatite hybrid for proton exchange membrane applied in microbial fuel cells. Int J Biol Macromol, 2025, 307(Pt 1): 141569 

　　11. 何俊生.氧气传质调控促进H2O2光催化生成与污染物降解.杭州：浙江大学,2025 

　　作者简介

　　于泽文：大连民族大学生命科学学院研究生；研究方向：微生物-纳米材料。

（作者：于泽文）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）