معماری

سنتز نانوذرات با استفاده از جلبک

قلمرو دیگری از ارگانیسم‌ها به نام جلبک‌ها وجود دارد که فناوری‌های نانو در آن‌ها نیز مشاهده شده است. Chlorella vulgaris، جلبکی است که در جسم خشک شده آن نانوذره AU در اندازه‌های 9 تا 20 نانومتر مشاهده شده است. همچنین در فیلامنت‌های یک سیانوباکتر به نام Plectonema boryanum سنتز نانوذره طلا گزارش شده است. این سیانوباکتر می‌تواند اندازه و شکل نانوذرات را به صورت مشخصی تولید کند. سیانوباکترها می‌توانند gold (III)-chloride آبی را به رسوب نانوذره gold (I)-sulfide در دیواره سلولی خود تبدیل کنند. در نهایت فلز طلا به شکل پلاکت‌های هشت ضلعی 6 تا 10 نانومتری در نزدیکی سطح سلول رسوب می‌کنند.

جلبک دریایی Sargassum wightii greville یک سنتزکننده سریع نانوذره نقره در اندازه 8 تا 12 نانومتر است. این جلبک دریایی می‌تواند با بازیابی نقره از محلول‌های Hydrometallurgical تولید سریع نانوذره بنماید.

سنتز نانوذرات با استفاده از قارچ‌ها

سنتز زیستی نانوذرات با استفاده از قارچ به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. نانوذرات سنتز شده با قارچ در ابعاد و اشکال یکسان تولید شده و با ترکیب‌های شیمیایی متفاوت می‌توان اندازه و شکل آن‌ها را کنترل کرد (شکل 1).

قارچ‌ها به علت داشتن آنزیم‌های بسیار متنوع در سلول خود و طی کردن مکانیسم‌های بسیار ساده با بازدهی بالا، به نظر بهترین کاندیدا برای تولید نانوذرات فلزی و سولفیدی هستند. لیستی از قارچ‌هایی که با آن‌ها می‌توان نانوذرات مختلفی را بدست آورد در جداولی که در ادامه ارائه گردیده، آمده است.

 

جدول 1: بیوسنتز نانوذرات طلا با استفاده از قارچ‌های مختلف

Sl. No. Name of the Fungi Size of the Nanoparticles
1 Fusarium oxysporum Schlecht. em. Snyder & Hansen 20-40 nm, Spherical, triangular
2 Collitotrichum spp. 20-40 nm, Spherical
3 Trichothecium spp.Link. 5-200 nm, Triangle, hexagonal
4 Verticillium luteoalbum (Link) Subram. 10 nm, Spherical
5 Aspergillus oryzae var. viridis 10 to 60 nm triangle, pentagon and hexagon- shaped nanoplates

 

جدول2: بیوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از قارچ‌های مختلف

Sl. No. Name of the Fungi Size of the Nanoparticles
06 Fusarium oxysporum (Schlecht. em. Snyder & Hansen) 5-50 nm
07 Fusarium oxysporum (Schlecht. em. Snyder & Hansen) Au-Ag alloy, 8-14 nm
08 Aspergillus fumigatus Fresenius 5-25nm, Monodispersed
09 Phanerochaete chrysosporium Burdsall 5-200 nm, Pyramidal
10 Aspergillus flavus Johann (Heinrich Friedrich Link) 8.92 nm
11 Aspergillus niger (vanTieghem) 20 nm, Spherical
12 Fusarium semitectum (Berk. &Ravenel) 10-60 nm, Spherical
13 Volvariella volvacea
(Bulliard ex Fri) Singer
Ag and Au-Ag, 15 nm and 20-150 nm,
spherical and hexagonal
14 Aspergillus fumigatus Fresenius  
15 Cladosporium cladosporioides (Fresen.) G.A. de Vries 10-100nm, Spherical
16 Coriolus versicolor (L.) Quel. Silver 25-75 nm, Spherical
17 Fusarium solani (USM- 3799) (Mart.) Sacc. 16.23 nm, Spherical
18 Penicillium brevicompactum WA2315 Dierckx, 58.35±17.88 nm
19 Penicillium fellutanum Biourge 5-25 nm, Spherical
20 Phoma glomerata (Corda) Wollen w. & Hochapfel. 60-80 nm, Spherical
21 Alternaria alternata(Fr.) Keissl. Silver, 20 to 60 nm polydisperse spherical
22 Trichoderma viride Pers. 5-40 nm,
23 Rhizopus nigricans Ehrenberg 35-48nm , Polydispersed and Spherical
24 Penicillium fellutanum Biourge 5-25 nm, Spherical

 

جدول 3: بیوسنتز نانوذرات با استفاده از قارچ‌های مختلف

Sl. No. Name of the Fungi Size and shape of the Nanoparticles
24 Fusarium oxysporum Schlecht. em. Snyder &Hansen CdS, 5 to 20 nm, Monodisperse
25 Fusarium oxysporum Schlecht. em. Snyder & Hansen Silica, 5-15 nm, Quasi-spherical
26 Fusarium oxysporum Schlecht. em. Snyder & Hansen Titanium, 6-13 nm, Spherical
27 Fusarium oxysporum Schlecht. em. Snyder & Hansen and Verticillium sp. Nees Magnetite, 20-50 nm, Quasi-spherical
28 Fusarium oxysporum Schlecht. emen. Snyder & Hansen 9-15 nm, Spherical CdSe
29 Coriolus versicolor (L.) Quel. CdS
30 Aspergillus terreus Thom zinc oxide, 54.8 to 82.6 nm, spherical
31 Fusarium oxysporum Zirconia, 3-11nm,

 

از بین قارچ‌ها و باکتری‌ها، قارچ‌ها می‌توانند طیف وسیع‌تری از نانوذرات را تولید کنند، همچنین قارچ‌ها به طور میانگین 400 برابر باکتری‌ها بهره‌وری بالاتری دارند. این بهره‌وری بالاتر مربوط به جذب بیشتر فلزات به صورت داخل سلولی و همین طور تولید آنزیم‌های تسهیل‌کننده تولید نانوذرات از مکانیسم‌های شیمیایی نسبت به باکتری‌ها است.

علاوه بر موارد بالا، قارچ‌ها بر روی سطوح معدنی و غنی از فلزات رشد می‌کنند که این خود یک کاتالیزور توزیع نانوذره است. همچنین کشت قارچ‌ها بسیار ساده‌تر از کشت اختصاصی باکتری‌ها بوده و می‌توانند بر روی سطوح جامد قابل تخمیر که بیوماس زیادی دارند رشد کنند. این رشد در بیوماس بالا، ترشح آنزیم‌ها را نسبت به اندازه بیوماس افزایش می‌دهد.

به عنوان مثال نانوذره طلا توسط Verticillium spp. در حضور محلول HAuCl4 در بیوماس به صورت داخل سلولی تولید می‌شود. در این پروسه بیوماس قارچی در محلول یون نقره به روش احیاء تولید نانوذره نقره می‌کند.

در ایران مطالعات مختلفی در این زمینه وجود دارد که می‌توان به مطالعه، شیخ‌لو و همکاران به بيوسنتز داخلی و خارجی نانوذرات طلا توسط قارچ رايزوپوس اوريزا اشاره کرد. در این مطالعه نمونه‌برداری از خاک معدن مس اهر انجام دادند. بيومس حاصل از قارچ‌های جداسازی شده با محلول HAuCl4 در شيکر انکوباتور به مدت 72 ساعت گرماگذاری شد و گونه‌های قادر به سنتز نانوذرات طلا شناسايی شدند. توليد نانوذرات طلا با استفاده از اسپکتروفوتومتری UV-vis، تفرق اشعه‌ی ايکس (XRD) و ميکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بررسی گرديد. در اين تحقيق 8 نوع قارچ از خاک معدن جدا شد که از ميان آن‌ها تنها قارچ رايزوپوس اوريزا قادر به سنتز نانوذرات طلا شد. توليد نانوذرات طلا با مشاهده‌ی تغيير رنگ محلول واکنش از زرد به ارغوانی و با ايجاد يک پيک مشخص در طول موج 540 نانومتر توسط اسپکتروفتومتری UV-vis تأييد گرديد. آناليز XRD نانوذرات حاصل اثبات کرد که ذرات سنتز شده به صورت نانوکريستال‌های طلا می‌باشند. تصاوير تهيه شده به کمک ميکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که قارچ رايزوپوس اوريزا نانوذرات طلا را به صورت داخل سلولی و خارج سلولی به شکل‌های کروی و سه‌گوش و با مونوديسپرسيتی بالا سنتز می‌کند.

در ایران مطالعات دیگر نیز انجام شده است. تلاش برای يافتن ميکروارگانيسم‌های جديدی که بتوانند نانو‌ذرات را با ابعاد کوچک‌تری توليد کنند، همچنان ادامه دارد. برآبادی و هنری در یک مطالعه با هدف بررسی سنتز زيستی نانوذرات نقره توسط قارچ پني‌سيليوم کرايسوژنوم PTCC 5037 معادل ATCC 10003 بررسی کردند که در آن مشخص شد گونه استاندارد قارچ پني‌سيليوم کرايسوژنوم، ضمن داشتن قابليت احيای يون‌های فلزی نقره، قدرت توليد نانوذرات نقره را دارد. همچنين آن‌ها مطرح نمودند که بدلیل اینکه نانوذرات تشکيل شده در خارج از سلول، عاری از اجزاء و ترکيبات سلولی غيرضروری می‌باشد، می‌توان از آن مستقيماً در کاربری‌های گوناگون استفاده کرد.

در این مطالعه توليد خارج سلولي نانوذرات نقره به وسيله قارچ فوزاريوم اگزيسپوروم در مقياس آزمايشگاهي نیز بررسی شده است. در این مطالعه هدف توليد خارج سلولي نانوذرات نقره توسط قارچ فوزاريوم اگزيسپوروم IRAN 81C با حداکثر ابعاد 50 نانومتر بود، لذا پس از بهينه‌سازي شرايط رشد در محيط کشت MGYP حاوي پپتون 5 گرم بر ليتر، گلوگز 10 گرم بر ليتر، عصاره مالت 3 گرم بر ليتر، عصاره مخمر 3 گرم بر ليتر و توده سلولي قارچ فوزاريوم اگزيسپوروم توليد گرديد. پس از توليد نانوذرات نقره در محلول نيترات نقره با روش‌هاي FTIR، UV-visible spectrophotometer و ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)، نانوذرات توليد شده مورد بررسي قرار گرفتند.

نتايج اين پژوهش نشان داد توده سلولي قارچ فوزاريوم اگزيسپوروم IRAN 81 در غلظت 10-3 مولار يون‌هاي نقره قادر به توليد نانوذرات نقره به صورت خارج سلولي مي‌باشند. همچنين مشخص شد که پس از فيلتر کردن توده سلولي قارچ (بیوماس)، مايع رويي توانايي سنتز نانوذرات نقره را دارد که خود نشان‌دهنده ترشحی بودن برخي پروتئين‌ها و آنزيم‌ها توسط قارچ به محيط اطراف خود می‌باشد. در نهایت آن‌ها مطرح نمودند که به دليل ويژگي‌هاي منحصربفرد فيزيکي و شيميايي نانوذرات نقره با اندازه ذره‌اي حداکثر 50 نانومتر به وسيله قارچ فوزاريوم اگزيسپوروم، توليد آن در حد صنعتي و بررسي کارائی آن پيشنهاد مي‌گردد.

چالش‌ها و چشم‌انداز‌ها

تحولات فوق‌العاده‌ای در زمینه تولید نانوذرات توسط میکروارگانیسم‌ها و کاربرد آن‌ها در دهه گذشته روی داده است، با این حال کارهای زیادی برای بهبود و بهره‌وری از سنتز، کنترل اندازه ذرات و مورفولوژی مورد‌نیاز است؛ چرا که تولید نانوذرات یک روند کند نسبت به بقیه روش‌هاست. تولید نانوذرات به وسیله بیوسنتز از چند ساعت تا چند روز طول می‌کشد. کاهش زمان سنتز یکی از مواردی است که باید بر روی آن تحقیقات بیشتری صورت گیرد. همچنین اندازه ذرات و توزیع آنها نیز دو موضوع مهم در ارزیابی سنتز نانوذرات هستند. مطالعات نشان داده است که نانوذرات ساخته شده توسط میکروارگانیسم‌ها ممکن است پس از یک دوره خاص تجزیه شوند، بنابراین ثبات نانوذرات تولید شده توسط روش‌های بیولوژیکی نیازمند مطالعات بیشتری است. فرایند‌‌های بیولوژیکی که منجر به کنترل اندازه و شکل نانوذرات می‌شوند نیز مزیت قابل‌توجهی را برابر تولید شیمیایی و فیزیکی نسبت به تولید نانوذرات با میکروارگانیسم‌ها ایجاد کرده است.

پارامترهای فیزیکوشیمیایی در چند سال اخیر در مورد میکروارگانیسم‌ها موردعلاقه پژوهشگران قرار گرفته است. در این پارامترها اندازه نانوذرات و توزیع آنها به منظور افزایش ثبات ذرات به کار گرفته می‌شود. همچنین لازم به ذکر است که تولید با میکروب‌ها، نانوذرات غیرسمی، تمیز و سازگار با محیط زیست را ایجاد می‌کند که به “شیمی سبز” معروف شده‌اند. این تولیدات امروزه در تلفن‌های همراه و مدارهای میانجی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

باتوجه به تنوع زیستی غنی از میکروب‌ها، توانایی‌های بالقوه آن‌ها به عنوان مواد بیولوژیکی نانوذرات تولید شده توسط آن‌ها، دارای مشخصات متفاوتی است. به عنوان مثال قارچ‌ها نسبت به باکتری‌ها می‌توانند مقدار بیشتری نانوذره را تولید کنند چرا که مقدار پروتئین مستقیم بیشتری تولید می‌کنند که بهره‌وری آنها را بالا می‌برد، اما در عوض باکتری‌ها با تحمل شرایط بسیار متفاوت مانند دمای بالا یا پایین، اسیدیته متفاوت و فشار، پیشتیبانی بیشتری می‌کنند که نقطه قوت آنها برای تولید نانوذرات در شرایط بسیار سخت است. همچنین ذرات تولیدشده توسط باکتری‌ها واکنش‌های کاتالیزوری بهتری نسبت به نانوذرات تولید شده توسط قارچ‌ها و گیاهان نشان می‌دهند. این نانوذرات تعاملات بهتری بین آنزیم‌های نمکی و فلز ایجاد می‌کنند.

پیشرفت‌های اخیر و تلاش‌های مداوم در بهبود بهره‌وری سنتز ذرات و بررسی کاربرد‌های زیست– پزشکی نیز محققین را امیدوار کرده است که با رعایت مراقبت‌های ایمنی، از میکروارگانیسم‌ها به عنوان تولید‌کننده‌های تجاری نانوذرات استفاده کنند.

دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)، وهاب پیرانفر (کارشناش ارشد)، الهام زندگانی (کارشناس ارشد)

منابع:

Sheikhlou Z, Salouti M, Farahmandkia Z, Mahmazi S, Einlou A. Intra-Extra Biosynthesis of Gold Nanoparticles by Fungus Rhizopus Oryza. ZUMS Journal. 2012; 20 (78) :47-56.

Barabadi H, Honary S. Biological synthesis of silver nanoparticles using standard fungus of Penicillium chrysogenum. RJMS. 2014; 21 (122) :20-28.

پاسخ دهید