۱. مقدمه
در سال‌‌های اخیر تلاش‌‌های بسیار زیادی برای تولید نانوذرات به دلیل خواص ویژه نوری، شیمیایی، الکتریکی و فوتوالکتریکی آن‌ها صورت گرفته است که مؤید استفاده‌های گوناگون این مواد در زمینه هایی چون کاتالیست‌ها، اپتیک، دانش دارو‌های زیستی، مکانیک، مغناطیسی و انرژی است [1]. روش‌های مختلف تولید نانوذرات از نظر دستیابی به ذراتی با ترکیب و اندازه دانه معین و توزیع مناسب، مصرف انرژی و راحتی کار هنوز در حال بررسی و توسعه است، تا این که روش تولید نانوذرات با استفاده از روش‌های زیستی مطرح شد.
یکی از مهم‌ترین ابعاد این بحث استفاده از میکروارگانیسم‌ها در فناوری نانو است. میکروارگانیسم‌ها موجودات ریز میکروسکوپی هستند که طول آن‌ها کمتر از ده میکرومتراست و با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند.
عد‌ه‌ای از ارگانیسم‌‌های موجود در طبیعت قادر به تولید مواد آلی در داخل یا خارج سلول هستند. مثلاً باکتری‌های مگنتوتاکتیک می‌توانند نانوذرات مغناطیسی تولید کنند، دیاتومه‌ها (diatoms) مواد سیلیکونی و ارگانیسم‌‌های چند سلولی برای ساخت ترکیبات آلی یا معدنی مرکب و پیچیده استفاده می‌شوند [3]. این ترکیبات معدنی زیستی شامل مواد معدنی معمول و بعضی از ترکیبات آلی مخصوص مانند پروتئین، چربی و پلی ساکاریدها هستند. در این مقاله سعی شده تا به طور خلاصه به فرایندهایی که در طبیعت برای تولید نانوذرات از باکتری‌ها، قارچ‌ها، جلبک‌ها و مخمرها استفاده می‌کنند، پرداخته شود.

۲. استفاده ازباکتری‌ها در تولید نانومواد
درمیان روش‌‌های مختلف موجود در بیوسنتر نانوذرات، استفاده از باکتری‌‌های پروکاریوتی از توجه ویژ‌ه‌ای برخورداراست. طلا به همراه نقره از مهم‌ترین فلزاتی هستند که اکثر مقالات موجود در زمینه زیست سنتز این دو یون انتشاریافته است [3]. از شناخته‌شده‌ترین تحقیقات انجام شده می‌توان به استفاده ازقارچ Fusarium oxysporum در سنتز بیرون سلولی این نانوذرات اشاره کرد [4]. در آخرین تحقیقات انجام شده در باره سنتز نانوذرات طلا، از کشت باکتری Bacillus subtilis 168 برای احیای یون‌‌های سه ظرفیتی طلا از یک محلول کلریدی به نانوذرات پنج تا ۲۵ نانومتری به شکل هرم‌‌های چهارضلعی، در دما و فشار محیط استفاده شده است. ترکیبات آلی فسفاتی نقش عمد‌ه‌ای در ایجاد ترکیبات کمپلکس، بین باکتری و یون‌های طلا بازی می‌کنند که در نهایت منجر به تولید ذرات نانومتری فلز می‌شوند [5]. باکتری احیاکننده یون Fe (III) با نام Shewanella algae نیز در محیط بی‌هوازی قادر به انجام این کار است. در حضور گاز هیدروژن و S.Algae یون‌های طلا نیز کاملا احیا‌شده وذرات ده تا ۲۰ نانومتری تولید می‌شوند [7-6].
در سال‌‌های گذشته کاملاً اثبات شده بود که نقره برای بسیاری از سلول‌‌های باکتریایی به عنوان ماد‌ه‌ای سمی است [8]. لیکن انواع دیگری از باکتری‌ها نه تنها در برابر نقره مقاومت دارند؛ بلکه می‌توانند به میزان ۲۵ درصد وزنی سلول زنده نقره را در دیواره خود جمع آوری کنند. این تجمیع از سازوکار‌های متفاوتی ناشی می‌شود که می‌توان به سیستم‌‌های انتشار به خارج، تغییر میزان انحلال و سمی‌بودن با تغییر حالت احیای یون فلزى، تشکیل کمپلکس‌‌های بیرون سلولی و رسوب فلز و عدم انتقال فلزی خاصی در سیستم مورد نظر اشاره نمود. از این روش برای استخراج نقره ازسنگ معدن آن استفاده شده است. Pseudomonas stutzeri AG259 قادر است تا نانوذرات ۴۶-۳۵ نانومتری را در دیواره خود از محیط سولفیدی بازیابی کند. این باکتری در محیطی ایزوله‌تر ودر شرایط نیتریدی می‌تواند پودرهایی با اندازه بزرگ‌تری نیز تولید کند. نانوذراتی با اندازه‌‌های کمتر از۲۰۰ نانومتر، با توزیع اندازه مناسب، شکل و مورفولوژی مناسب بین فضای بین سلولی در باکتری‌ها قابل حصول هستند [3]. توزیع اندازه دانه به شرایط رشد دانه‌‌های نانوذره در سلول‌ها وابسته است. کامپوزیت‌‌های زیستی تولید شده ازنانوذرات نقره پس ازعملیات حرارتی تکمیلی، به دلیل خواص اپتیکی خود در کاربردهایی مانند پوشش‌‌های لایه نازک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
باکتری‌هایی که تحمل غلظت بالای یون‌های فلزی را ندارند هم می‌توانند به عنوان ارگانیسم‌‌های مفید مورد استفاده قرار گیرند. Lactobacillus که در چربی شیر موجود است، نانوذرات نقره و طلا را به خوبی در بین سلول‌‌های خود تولید می‌کند. همچنین باکتری‌‌های اسیدلاکتیک موجود در آب پنیر نیز قادربه تولید نانو پودر‌های آلیاژی از این دو فلز هستند [9].
امروزه تمایل زیادی برای تولید نانوذرات نیمه رسانا یا نقاط کوانتومی مانند CdS ,ZnS و PbS به روش زیستی وجود دارد. Clostridium thermoaceticum ذرات CdS را در دیواره سلول، در محیط کلریدی کادمیوم و در حضور هیدروکلرید سیستین به وجود می‌آورد. به احتمال فراوان وجود سیستین به عنوان منبعی برای گوگرد مورد نیاز است. Klebsiella aerogenes نیز ذرات ۲۰ تا ۲۰۰ نانومتری را از یون‌های دوظرفیتی کادمیوم آزاد می‌کند و ترکیبات میانی در رشد کریستال‌‌های سولفید کادمیوم نقش اصلی را بازی می‌کنند [10].
در پژوهشی دیگر با رشد E.coli در محیطی حاوی کلرید کادمیوم و سولفید سدیم نانو کریستال‌‌های CdS در سیستم ورتزیت و درون سلول‌ها شکل می‌گیرند. تشکیل نانوکریستال ‌ا بسیار به نحوه رشد فاز‌های سلولی وابسته است. در تحقیقی دیگر نشان داده شده است که توده‌‌های کروی با ابعاد دو تا پنج نانومتر، از ذرات اسفالریت (ZnS) در درون بیوفیلم‌‌های طبیعی حاوی باکتری احیاکننده سولفات از خانواده Desulfobacteriaceae تشکیل می‌شود. ترکیبی از فرایند‌های ژئوشیمی و میکروبی می‌تواند منجر به تشکیل بیومینرال‌‌های ZnS در یک سیستم طبیعی پیچیده شود. اشاره به این نکته مهم است که در این روش میزان غلظت روی را می‌توان تا انداز‌ه‌ای کاهش داد که حتی محلول آبی قابل نوشیدن باشد [۱۰].
نانو کریستال‌‌های سولفیدآهن مغناطیسی را می‌توان با کمک باکتری‌‌های احیاکننده سولفات با ابعاد چند نانومتر تولید نموده و پس از آن با استفاده از یک میدان مغناطیسی با اندازه یک تسلا آن‌ها را ازمحلول جدا کرد [11].
مگنتیت یکی دیگر از محصولات رایج احیا، از طریق باکتری بوده که می‌تواند به عنوان یک شاخص پتانسیل فیزیکی به صورت اکتیویته زیست‌شناسی در سیستم‌‌های زمین‌شناسی استفاده گردد. ذرات مغناطیسی کمتر از ۱۲ نانومتر با شکل‌‌های اکتاهدرال، به طور گسترد‌ه‌ای در سطح خارجی سلول‌‌های باکتری در قالب فرایند تخمیر ترموفیلیک 39-TOR تشکیل می‌شوند. با استفاده از روش الکتروشیمیایی می‌توان فلزات واسطه نظیر CO، Cr و Ni را به جای کریستال‌‌های مغناطیسی تولید شده از طریق باکتری‌‌های کاهنده آهن ترموفیلیک با نام TOR-39 Thermoanaerobacter ethanolicus جای داد [12]. در فرآیند‌های معدنی، به طور وسیعی از باکتری‌های مگنتو تاکتیک برای کنترل فرآیند استفاده می‌شود؛ که این امر موجب تولید یکنواخت نانوذرات مورد نظر می‌گردد. گاهی اوقات ذرات با تشکیل شاخه‌‌های تکی یا چندگانه در داخل سلول باعث می‌شوند که باکتری‌ها در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین جهت‌گیری نمایند. نکته جالب آن که باکتری مگنتو تاکتیک با نام Magnetospirillium magnetotacticum، قادر به تولید کریستال‌‌های مغناطیسی (Fe₃O₄) تک - دامنه است که به طور متوالی و به صورت زنجیره‌‌های دوتایی و اشکال دایره‌ای تشکیل می‌شوند. وجود کریستال‌‌های مغناطیسی با مومنتوم‌‌های بزرگ مغناطیسی که در یک سطح دوبعدی قرار می‌گیرند سبب اتصال سر و ته زنجیر به یکدیگر می‌شوند.
بر اساس اندازه گیری‌‌های مغناطیسی و اندازه میدان مغناطیسی ثابت گردیده است که نانوذرات مغناطیسی زیستی سوپرمغناطیس نیستند. با اعمال یک میدان مغناطیسی به باکتری‌های مغناطیسی (MS-1) M.magnetotacticum و در نتیجه حرکت آن‌ها، نانوذرات مغناطیسی با یک ساختار جهت دار تشکیل می‌شوند. بعد از اتصال باکتری ها بامیکروالکترومگنت‌ها، غشای سلولی باکتری به منظور خروج نانوذرات مغناطیسی زیستی از بین می‌رود. شکل (۱) الگو‌های مختلفی را ازساختار‌های مغناطیسی تشکیل شده پس از حذف غشای سلولی باکتری MS-1، نمایش داده است. از این ساختار‌های مغناطیسی جهت دار می‌توان برای مطالعه واکنش‌‌های بین نانوذرات مغناطیسی با ساختار فشرده استفاده نمود. بنابراین از سویی دیگر، با تلفیق بیومینرال‌ها ودستکاری در ابعاد میکرو می‌توان به روش‌‌های جدیدی برای رشد و اتصال نانوذرات در قالب ساختار‌های دلخواه دست یافت [۱۲-۱۴ و 3].


توزیع خوب اندازه دانه نانوذرات نقره طلا تولید شده با روش‌‌های داخل سلولی یا خارج سلولی که در بخش‌‌های قبلی به آن اشاره شد، آن قدر مناسب است که نمی‌توان آن‌ها را از روش‌های متداول شیمیایی به دست آورد. به صورت کاملا اتفاقی مشاهده شده است که اکتینومایست‌های (actinomycete) ترموفیلیک قلیایی (Thermomonospora sp) طلا، یون‌های فلزی را به صورت خارج سلولی احیا نموده و سبب تولید نانوذرات طلا با پراکندگی گسترده می‌شوند [9]. در صورت احیای داخل سلولی نانوذرات طلا با استفاده از اکتینومایست‌‌های نیمه قلیایی، به جای تجمع بر روی دیواره سلولی ذرات بیشتر بر روی غشای سیتوپلاسم تجمع می‌یابند [۹].
تاکنون گزارش‌‌های بسیار اندکی از تولید نانوذرات با استفاده از جلبک ارائه شده است [3]. معلق‌نمودن سلول‌‌های خشک جلبک Chlorella vulgaris در محلولHAuCI_4، سبب تجمع عناصر طلا در داخل سلول‌ها می‌گردد. نانو کریستالیت‌‌های CdS پوشش‌یافته با Phytochelation (PC) نیز در یک جلبک دریایی فیتوپلانکتونی به نام Phaeodactylum tricornutum تولید می‌شوند. (جدول ۱) [3].



3. استفاده از مخمرها در تولید نانومواد
سال‌هاست که دانشمندان به این مسئله پی برده‌اند که از میان یوکاریوت‌ها، مخمرها نقش عمد‌ه‌ای در تولید نانوذرات نیمه هادی ایفا می‌کنند. قراردادن Candida glabrata در مقابل یون‌های Cd منجر به تولید داخل سلولی نقاط کوانتومی CdS می‌گردد Torulopsissp، نیز در تقابل با یون‌‌های دوظرفیتی سرب، قادر به تولید داخل سلولی نانوذرات PbS است. حداکثر میزان جذب کریستالیت‌‌های با ابعاد ۲ تا ۵ نانومتر که از زیست توده ها تولید می‌شوند، حدود ۳۳۰ نانومتر است [15].
در حال حاضر تحقیقات فراوانی در زمینه استفاده از مواد آلی در ساخت وسایل الکترونیکی در دست انجام است؛ زیرا انعطاف‌پذیری، سادگی فرایند و بازده کوانتومی نشر نور در این مواد بالاست. به منظور درک بهتر از پایداری، بازده و سازگاری با رنگ در کاربرد‌های مختلف، کامپوزیت‌‌های مواد آلی با نانوذرات، سیلیکون متخلخل و غیره مورد بررسی قرار گرفتند. تا کنون نانوذرات تولید شده به روش شیمیایی ساخت دستگاه‌ها به کار گرفته شده‌اند و استفاده از نانوذرات بیوژنیک در کاربرد‌های مشابه هنوز در مرحله تحقیقات قرار دارد، به طوری که تحقیقات کوشانیک (Kowshik) و همکارانش [۱۵] نشان داده است نقاط کوانتومی CdS تولید شده به صورت داخل سلولی در سلول‌‌های مخمر Schizosaccharomyces pombe ویژگی‌‌های دیودى ایده آلی از خود بروز می‌دهند. نانوذرات بیوژنیک CdS با ابعاد یک تا 1.5 نانومتر برای ساخت اتصالات ناهمگن p-phenylenevinylene کاربرد دارند. چنین دیودی جریانی حدود mA/cm² ۷۵ در بایاس ده ولت از خود نشان داده، در حالی که قطع جریان در شرایط ۱۵ ولت و در جهت معکوس اتفاق می‌افتد.
اگرچه چندین سال است که از مخمرها در تولید نانوذرات به صورت داخل سلولی استفاده می‌شود؛ ولی در پژوهشی بسیار جدید، نانوذرات نقره به صورت خارج سلولی و با استفاده از مخمر MKY3 تولید شده‌است. ذرات با ابعاد دو تا پنج نانومتر در مرحله رشد لگاریتمی، هنگام تقابل با یون‌های، Ag⁺ تولید می‌شوند [15].

4. استفاده از قارچ‌ها در تولید نانومواد
در سال‌های اخیر قارچ‌ها نیز به فهرست میکروارگانیسم‌‌های مورد استفاده در تولید نان پودرها اضافه شده است. جذابیت استفاده از قارچ‌ها در تولید نانوذرات به دلیل وجود مقادیر قابل ملاحظه‌ای آنزیم‌‌های ویژه در این میکروارگانیسم و سهولت کار با آن در آزمایشگاه است؛ اما دستکاری ژنتیکی ارگانیسم‌‌های یوکاریوتی برای شناخت کامل آنزیم‌‌های ویژه در تولید نانوذرات بسیار دشوارتر از پروکاریوت‌ها به کاربرده شده‌اند.
در فرآیند غربال دو نوع ماده (genera) از یکدیگر تشخیص داده می‌شود که در اثر واکنش با یون‌‌های فلزی محلول نظیر HAuCI₄ و یا Ag⁺، مقادیر قابل ملاحظه‌ای نانوپودرهاى فلزى به صورت داخل سلولی و خارج سلولی تولید می‌نماید. ظاهرشدن رنگ ارغوانی در زیست توده Verticillium پس از مواجهه با محلول آبی ۱۰-۴ مولار ازHAuCI₄، نشان دهنده تشکیل نانوذرات طلا به صورت داخل سلولی بوده و به روشنی در طیف جذبی ماورای بنفش به صورت پیکی با مقدار λ معادل ۵۵۰ نانومتر قابل مشاهده است (شکل ۲-الف، منحنی ۲)؛ این در حالی است که پیک مورد نظر قبل از عبور توده زیستی از روی یون‌های طلا (شکل ۲-الف منحنی ۱) و حتی بعد از فیلترشدن (شکل ۲-الف منحنی خط چین) به هیچ عنوان مشاهده نشد. همچنین با استفاده از امیکروسکوپ TEM مقاطع نازک سلول‌ها بعداز تشکیل نانوذرات طلا بررسی گردیده و نحوه تولید داخل سلولی مورد ارزیابی قرار گرفته است (شکل2-ج و 2-د). در بزرگ‌نمایی پایین تصویر (TEM)، تعدادی از سلول‌های Verticillium مشاهده می‌شود. ذرات کوچک بر روی دیواره‌‌های سلول و ذرات بزرگ‌تر در داخل سلول مشاهده می‌شوند. در بزرگ نمایی بالاتر، تجمع نانوذرات با ابعاد پنج تا ۲۰۰ نانومتر و اندازه متوسط ۸ ±۲۰ نانومتر در دیواره سلول و غشای سیتوپلاسم یک سلول قارچ به وضوح مشاهده می‌شود. همچنین، الگوی پراش حاصل از پودر توده زیستی (شکل ۲-ب) طبیعت کریستالی نانوذرات طلا را نشان می‌دهد. محاسبات براگ نیز ساختار fcc طلا را تأیید می‌کند [۱۶-۱۷].



مشابه نانوذرات طلا، واکنش Verticillium sp. با یون‌های نقره، باعت ایجاد و رشد داخل سلولی نانوذرات نقره می‌شود. هم اکنون سازوکار تشکیل داخل سلولی نانوذرات طلا و نقره به وسیلهی Verticillium به طور دقیق مشخص نشده است. از آنجایی که نانوذرات در سطح مایسلیا تشکیل می‌شوند و نه درون محلول، می‌توان نتیجه گرفت که اولین مرحله، شامل به دام افتادن یون‌های فلزی در روی سطح سلول‌های قارچ است و شاید این پدیده در اثر نیرو‌های الکترواستاتیک موجود بین یون‌ها و گروه‌‌های کربوکسیلات آنزیم‌‌های دیواره سلول مایسلیا رخ می‌دهد که دارای بار منفی هستند. پس از آن یون‌ها به وسیله آنزیم‌های موجود در دیواره سلول احیا شده و هسته‌ها را به وجود می‌آورند که به تدریج در اثر احیای بیشتر یون‌‌های فلزی و تجمع آن‌ها عمل رشد اتفاق می‌افتد [17].
امروزه جمع‌آوری نانوذرات تولید شده در داخل قارچ ها از لحاظ کاربردی حائز اهمیت است. استحصال نانوذرات طلا و نقره تولید شده در داخل سلول از طریق التراسونیک مخلوط ماده زیستی و نانوذره، یا از طریق واکنش با یک پاک کننده مناسب امکان پذیر است. با این وجود، اگر بتوان یون‌‌های فلزی قارچ را خارج از آن احیا نمود. امکان تولید نانوذرات فلزی در محلول افزایش خواهد یافت. در مورد نوعی قارج به نام Fusarium oxysporum ذکر این نکته جالب است که آن‌ها رفتار کاملاً متفاوتی از خود بروز می‌دهد. در این نوع قارچ احیای یون‌‌های فلزی در خارج سلول صورت گرفته و با سرعت بالایی نانوذرات بسیار پایدار طلا و نقره با ابعاد دو تا ۵۰ نانومتر تولید می‌شوند. همچنین با استفاده از روش استخراج حلالی توده زیستی قارچ، امکان احیای یون‌های طلا و نقره به صورت نانوذرات وجود دارد [۱۸]. علاوه بر نانوذرات فلزی، تولید آلیاژ‌های دوفلزی Au-Ag با استفاده از F.OxySporum امکان‌پذیر است. در پژوهشی نو، ثابت شده که در اثر مواجهه توده زیستی F.OxySporum با محلول‌‌های هم مولار HAuCI₄ و AgNO₃، نانوذرات آلیاژی بسیار پایدار Au-Ag کسر‌های مولی متفاوت تولید می‌شود. با تغییر مقدار زیست توده، مشخص شده است که عامل‌‌های NADH نقش بسیار مهمی در تعیین ترکیب شیمیایی نانوذرات آلیاژی Au-Ag دارد. مواجهه F.OxySporum با محلول آبی CdSO₄، نقاط کوائتومی CdS به صورت خارج سلولی تولید می‌شوند. ذرات تولید شده در این روش از پراکندگی یکنواخت برخوردار بوده و ابعاد آن‌ها در محدوده پنج تا۲۰ نانومتر قرار دارد. پراش اشعه x حاصل از پوشش تشکیل شده بر روی صفحه نازک (۱۱۱Si)، وجود نانو کریستال‌ها را آشکار نموده و با استفاده از بازتابش براگ، ساختار هگزاگونال CdS شناسایی شده است. واکنش قارچ‌ها با محلول آبی CdNO₃ به مدت طولانی، سبب تولید نانوذرات CdS نمی‌گردد، می‌توان گفت این پدیده به دلیل آزاد شدن آنزیم‌هایی است که تنها یون سولفات را احیا می‌کنند [۱۶].
از دیگر کاربرد‌های مهم قارچ‌ها می‌توان به تولید نانوذرات زیرکونیا با کاربرد‌های فناورانه فراوان اشاره نمود. در اثر واکنش محلول آبی k₂ZrF₆ با قارچ Foxysporum، هیدرولیز آنیون‌‌های هگزافلوراید زیرکونیوم در حضور پروتئین، به صورت خارج سلولی اتفاق افتاده و نانوذرات کریستالی زیرکونیا در دمای اتاق تولید می‌شوند. نوعی قارچ به نام Colletotrichum sp که زندگی انگل‌وار دارد و بر روی گل شمعدانی رشد می‌کند، هنگام مواجهه با یون‌های آبی کلرات، نانوذرات طلا با مورفولوژی میله‌ای و منشوری تولید می‌کند [۲۰-۱۹].

خلاصه
این مقاله مروری مجمل بر استفاده از میکروارگانیسم‌ها مانند باکتری‌ها، جلبک‌ها، قارچ‌ها و اکتینومایست‌ها در تولید بیولوژیکی نانوذرات بود. روش‌‌های مهندسی ژنتیک دارای توان بسیاری در این کاربرد برای دسترسی به پودرهایی با خواص مورد نظر هستند و جایگزینی قارچ‌ها به جای باکتری‌ها در این کاربرد هم به دلیل راحتی کار، دسترسی آسان‌تر، ارزانی و فرایند حذف آسان‌تر در حال رواج است. به هر صورت هم اکنون استفاده از روش‌های میکروبی در تولید نانو مواد با ترکیبات مختلف دارای محدودیت‌های زیادی است و تنها به چند سولفید فلز و تعدادی اکسید محدود شده است. توسعه روش‌های مبتنی بر استفاده از دیگر ترکیبات مانند اکسیدها، نیتریدها یا کاربید‌های فلزات در تولید نانوذرات به روش میکروبی و تولید سایر ترکیبات نانو مواد مانند اکسیدهایی چون TiO₂، ZrO₂، می‌تواند جایگاه این روش را در تولید نانو مواد بهبود بخشیده، آینده مناسب‌تری را ترسیم نماید.