综述：微生物纳米工厂：可持续生物合成纳米材料的小型综述

　　本综述系统阐述了微生物作为新兴生物合成平台在纳米材料制备中的前沿进展，重点介绍了其通过模板驱动策略（如微生物活模板、结构模板及碳化模板）精准合成多级孔微球、高比表面积纳米棒等特殊结构纳米材料的机制，并深入探讨了这些材料在环境修复、能源转化及生物医学等领域的应用潜力与面临的挑战。

　　

细菌

细菌作为重要的微生物模板，凭借其培养条件简单、细胞尺寸均一、形态特征鲜明及易于基因修饰等优势，在微纳结构材料制备中展现出巨大潜力。诸如链球菌（Streptococcus）、芽孢杆菌（Bacillus）等菌种，其细胞壁外富含羧基、氨基、羟基和磷酰基等可电离基团，能通过配位或静电作用捕获金属离子，并借助细胞内还原酶、电子传递链或胞外聚合物完成生物还原与矿化过程，一步生成尺寸均匀、形状复杂的功能性纳米晶体。遗传工程与合成生物学的介入，可精确编辑微生物的代谢途径、表面化学及分泌行为，实现晶体缺陷、晶面暴露和表面官能团的原子级调控，为构建多级孔、空心/核壳结构或异质界面等先进材料提供前所未有的设计自由度。

金属纳米粒子（Metal nanoparticles）

金属纳米粒子（MNPs）凭借其独特的物理化学性质，在生物医学科学与工程领域获得广泛应用，并展现出在电子学、化妆品、涂层、包装及生物技术等多领域的应用潜力。微生物介导的纳米材料合成是一种绿色可持续的制备方法，利用细菌、真菌、藻类等微生物及其分泌的胞外聚合物，在温和条件下实现金属离子的还原与稳定化，避免了传统化学合成中对强还原剂、有毒溶剂及高温高压的依赖，同时显著降低了废弃物产生与碳排放。

模板驱动合成-微生物吸附/沉淀

该机制的核心在于利用微生物细胞壁、荚膜、鞭毛等结构所分泌的胞外聚合物中的羧基、羟基、磷酸基和氨基等功能基团，通过物理吸附、化学反应及微生物代谢诱导的生物矿化过程，将溶液中的金属离子结合于细胞表面或转化为金属元素及不溶性沉淀。微生物作为“活体微反应器”，不仅规避了传统物理或化学方法的高温、高压及有毒溶剂使用，还为构建具有多级孔道、异质界面等特性的先进材料提供了新范式。

微生物合成纳米材料的应用

微生物介导合成的纳米材料在环境、能源及生物医学领域展现出广阔前景。在环境修复方面，功能化纳米材料可用于污染物吸附与催化降解；在能源领域，如微生物燃料电池（MFCs）和电催化反应中，这些材料能显著提升电子传递效率与催化活性；在生物医学方面，金属纳米粒子及其复合物在抗菌、抗癌、生物成像及药物递送等方面具有重要应用价值。

挑战与局限性

尽管微生物介导的纳米材料合成技术显示出显著的应用潜力，但其从实验室研究向大规模工业化转化仍面临诸多严峻挑战。合成过程依赖于复杂的生命系统，微生物的生长阶段、代谢活性及培养条件均会显著影响产物的尺寸、形貌、晶型及单分散性，导致批次间差异较大。此外，微生物模板的去除、产物的纯化及规模化培养的成本控制等问题也是实际应用中亟待解决的关键瓶颈。

结论与展望

微生物凭借其丰富的多样性、独特的形态结构及表面化学特性，被视为理想的生物材料。通过利用特定微生物作为天然纳米反应器与结构导向剂，可精准合成具有复杂多级孔结构和高比表面积的微球、微棒等定制化微纳结构。这些特殊结构材料（如多孔碳、二氧化硅骨架及金属氧化物复合材料）在催化、能源存储、环境修复及生物医学等领域展现出巨大应用价值。未来研究需进一步结合合成生物学与材料设计，深化对微生物-材料相互作用机制的理解，推动该绿色合成策略向标准化、规模化及功能集成化方向发展。