凤眼莲废弃物衍生氧化锌纳米颗粒：绿色合成、表征及多功能活性

《Next Materials》：Waste-derived zinc oxide nanoparticles from water hyacinth: Green synthesis, characterization, and multifunctional activities

　　

研究人员针对淡水生态系统中入侵物种凤眼莲（Pontederia crassipes）快速蔓延造成的生物多样性丧失、富营养化及水资源利用受阻等生态与经济问题，提出了一种废弃物高值化利用策略，即以该植物的叶、花、根水提物为生物还原剂与稳定剂，绿色合成氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）。合成产物经紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、Zeta电位及能量色散X射线光谱（EDX）系统表征，并评估其抗氧化、抗菌及光催化性能。结果表明，花源ZnONPs产率最高，形貌为准球形且分散均匀，胶体稳定性强，并在多种生物活性测试中表现最优；其在可见光下对亚甲基蓝（MB）的降解率达70.54%，显示出在废水处理领域的应用潜力。该方法兼具减轻入侵植物生态负担与生成高附加值纳米材料的双重效益，符合循环生物经济理念，推动环境友好型纳米技术的发展。

凤眼莲（Pontederia crassipes）是全球最具侵略性的水生植物之一，其快速繁殖导致淡水生态系统生物多样性下降、水体富营养化、渔业与灌溉受阻等严重问题。传统机械、化学和生物防治方法虽有一定成效，但缺乏可持续的资源化途径。与此同时，氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）因具有高比表面积、可调形貌和优异的化学稳定性，已在催化、光电、环境治理及生物医学等领域得到广泛关注。然而，常规合成方法能耗高、使用有害溶剂、副产物对环境造成压力。绿色合成利用植物提取物中的多酚、黄酮等活性成分作为还原剂和包覆剂，可显著降低环境负荷，并提高产物的生物相容性。已有研究表明，多种植物提取物可成功合成ZnONPs，但凤眼莲不同部位的差异尚未被系统比较。因此，研究人员开展了基于凤眼莲不同部位提取物的ZnONPs绿色合成及其多功能性能评价，以期实现入侵植物的资源化利用。该论文发表于《Next Materials》。

关键技术方法包括：采集凤眼莲的叶、花、根三部分，制备水提物；以六水合硝酸锌为前驱体，在室温下合成ZnONPs；采用UV–Vis、FTIR、XRD、SEM、TEM、Zeta电位和EDX对产物进行理化表征；利用DPPH自由基清除实验评价抗氧化活性；采用微量稀释法测定最小抑菌浓度（MIC）与最小杀菌浓度（MBC），并结合核酸释放和结晶紫摄取实验分析细胞膜损伤机制；在可见光照射下以亚甲基蓝为模型污染物评价光催化降解效率，并通过伪一级动力学模型分析反应过程。

结果与讨论

视觉观察与产率：花源ZnONPs沉淀最为致密，产率最高（81.5%），叶源次之（72.0%），根源最低（56.8%），这与不同部位植物化学成分含量差异密切相关。

紫外-可见光谱与带隙分析：所有样品在360–380 nm出现特征吸收峰，花源ZnONPs带隙最低（2.91 eV），表明粒径更小、电子离域更强，有利于光催化应用。

功能基团与晶体结构：FTIR显示Zn–O伸缩振动峰（<600 cm^?1）证实ZnO形成；XRD图谱与六方纤锌矿结构（JCPDS 36–1451）一致，花源ZnONPs晶粒尺寸最小（79.6 nm），结晶度高。

形貌与元素组成：SEM与TEM显示花源ZnONPs为准球形、分散均匀，根源则团聚严重；EDX证实Zn与O为主要元素，花源信号最强且杂质最少。

Zeta电位与热重分析：花源Zeta电位为?26.1 mV，胶体稳定性最佳；热重分析显示所有样品在约33°C出现单一质量损失峰，表明热稳定性高且有机残留少。

抗氧化活性：花源ZnONPs的DPPH自由基清除活性最高，IC₅₀为35.60 μg/mL，接近抗坏血酸（33.61 μg/mL）。

抗菌活性：花源ZnONPs对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）均表现出剂量依赖性抑制，并通过核酸泄漏和结晶紫摄取实验证实其破坏细胞膜的机制。

光催化活性：在可见光照射210分钟后，叶源ZnONPs对亚甲基蓝的降解率最高（70.54%），花源为64.45%，根源为54.08%；伪一级动力学分析显示叶源反应速率常数最大（k = 0.01331 min^?1）。

结论

本研究成功将入侵水生植物凤眼莲转化为高值ZnONPs资源，其中花源样品在产率、形貌均一性、胶体稳定性和多功能活性方面表现最优，叶源则在光催化降解中效率最高。研究实现了生态治理与材料开发的双重目标，契合废弃物高值化与循环生物经济理念，为可持续纳米技术发展提供了可行路径。未来工作应聚焦于放大合成规模、评估长期环境影响以及在实际废水处理中的应用。