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近年来，磁性纳米粒子因其具有模拟酶的催化特性和磁学特性而备受瞩目。但人造磁性纳米粒子具有分散性差、生物相容度低、合成过程的环境成本高等缺点，这在一定程度上限制了它的发展和应用。与之相比，纳米粒子的微生物合成方法能够有效降低或消除合成过程中的毒性副产物的潜在危害，是一种环境友好的新型合成策略。具体指的是利用真菌、放线菌、细菌等微生物通过胞内或胞外的矿化过程，在常温常压下合成磁性纳米粒子，其中最具典型性的是趋磁细菌在胞内能够自主合成具有生物膜包裹的磁小体。
本文针对人造磁性纳米粒子的诸多不足，开展纳米粒子的微生物合成及其模拟酶特性和应用研究。从泥水样中分离出一株趋磁细菌，研究了影响菌株生长以及磁小体合成的培养条件。从收集的菌体细胞中纯化制备磁小体，研究了其形态组成、磁学特性以及在水相中的分散性和可回收性。此外，对磁小体模拟酶的特性和酶促动力学过程进行了研究，并将其应用于胆固醇的分析检测、有机污染物的降解以及电化学传感器的构建。
从延寿县五七水库底部沉积物的泥水混合物中分离出一株趋磁细菌，经16S rDNA和生理生化实验鉴定，将其命名为Burkholderia sp.XM01。胞内的磁性颗粒沿着细胞的长轴排列。利于菌株XM01生长和磁细胞比例增加的培养条件:pH为6.5，10％的氧浓度，碳源为浓度在400mg/L左右的丁二酸、氮源为浓度约150mg/L的硝酸钠，铁源为浓度处于25～30μmol/L的奎尼酸铁，培养温度30℃，连续静置培养时间为6天。
通过超声破碎、高速离心、反复清洗与磁铁吸附的方法从菌株XM01细胞中成功地提取出形态完整的磁小体，产率为3.16mg/L培养液。经过透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)表征后，确定菌株XM01产磁小体粒径约为80nm，包含内部立方晶系的Fe3O4纳米晶体和外层包裹的生物膜。这是首次在Burkholderia sp.XM01中纯化出形态完整的磁小体。磁小体在纯水中的粒径分布相对均一，整体呈现右偏斜的特点。磁滞回线为宽腰型曲线，表明磁小体在室温下具有铁磁性，其饱和磁化强度为61.2emu/g，饱和剩磁强度为21.7emu/g，磁矫顽力为142.6Oe。磁小体在纯水、PBS与HEPES缓冲液中均能形成稳定的悬浮体系。当对悬浮体系施加外磁场时，经过120s的分离时间，可以基本实现从水相体系中完全分离磁小体。
菌株XM01胞内产磁小体在酸性条件具有内在的类过氧化物酶的催化活性。催化底物四甲基联苯胺（TMB）氧化反应的最适pH为4，温度为40℃。磁小体过氧化物酶模拟物耐受pH和温度的范围明显大于辣根过氧化物酶(HRP)。磁小体类过氧化物酶催化动力学过程符合Michaelis-Menten方程。其对底物H2O2的依赖性比HRP高出一个数量级，对底物TMB的亲和力大于HRP，催化效率略高于HRP。磁小体类过氧化物酶活性与Fe3O4纳米晶体表面的铁离子参与反应释放的羟基自由基有关。将磁小体应用于构建胆固醇的检测体系，检测的线性范围是2～150μmol/L，检测限为0.58μmol/L。该体系测定胆固醇的敏感性超过己报道的部分人造纳米酶构建的同类比色法检测体系。此方法用于测定人血清中的胆固醇具有良好的选择性。在反应结束后，可以通过磁分离而多次循环利用磁小体。连续回用7次，前后测定的结果之间的差异小于5％。该检测体系对15个随机血清样品的分析结果与全自动血清分析仪给出的结果之间的差异小于3.18％。
首次将磁小体作为异相芬顿体系中的催化剂用于催化降解甲基橙的研究。得出了优化后的条件:浓度为200μg/mL的催化剂，浓度为150mmol/L的H2O2，pH为3.5，温度60℃。磁小体/H2O2异相芬顿体系经150min的反应时间可以完全催化降解浓度为120mg/L的甲基橙。该体系催化甲基橙降解的有效浓度远高于同类芬顿体系所能降解的甲基橙浓度。磁小体/H2O2体系催化降解甲基橙的过程符合一级动力学方程的描述，表观活化能为12.15kJ/mol。催化体系中H2O2快速消耗的同时伴随着·OH的大量生成。甲基橙主要氧化来源是磁小体催化H2O2分解产生的·OH。虽然磁小体和天然酶HRP在理想溶液条件下都具有催化甲基橙降解的能力，但模拟染料废水中高浓度的盐，重金属离子等成分可以使含HRP的系统中甲基橙的降解率大幅降低，但是这对含磁小体的体系的影响很小，这表明磁小体处理甲基橙染料废水中的应用潜力超过天然酶HRP。连续回用磁小体进行7次反应循环后，体系中甲基橙的降解率仍处于81％左右。
首次发现磁小体具有碱性条件依赖的类过氧化氢酶的活性。其催化H2O2分解的活性与磁小体的浓度呈线性关系，反应体系的最适pH为9，温度为60℃。与天然过氧化氢酶相比，磁小体在极端pH和温度下的稳定性更高。当过氧化氢酶抑制剂NaN3(100μmol/L)和SDS（5mmol/L）分别加入后，天然酶的活性已基本丧失，而磁小体类过氧化氢酶活性仍保持在90％以上。磁小体催化H2O2分解反应的活化能与过氧化氢酶的催化反应活化能基本相近。磁小体类过氧化氢酶催化动力学符合Michaelis-Menten方程，对H2O2底物的亲和力和催化效率大干过氧化氢酶和人造Co3O4纳米酶。基于磁小体具有电化学还原H2O2的能力，首次将其应用于构建电化学传感器以检测H2O2，检测的线性范围是0.02～2mmol/L，检测限为0.14μmol/L，该方法测定H2O2具有良好的选择性和稳定性。与报道的某些酶型和非酶型的传感器相比，磁小体/GCE传感器具有更高的灵敏度和更短的响应时间，能够有效测定微量的H2O2。
本文针对人造磁性纳米粒子的诸多不足，开展纳米粒子的微生物合成及其模拟酶特性和应用研究。从泥水样中分离出一株趋磁细菌，研究了影响菌株生长以及磁小体合成的培养条件。从收集的菌体细胞中纯化制备磁小体，研究了其形态组成、磁学特性以及在水相中的分散性和可回收性。此外，对磁小体模拟酶的特性和酶促动力学过程进行了研究，并将其应用于胆固醇的分析检测、有机污染物的降解以及电化学传感器的构建。
从延寿县五七水库底部沉积物的泥水混合物中分离出一株趋磁细菌，经16S rDNA和生理生化实验鉴定，将其命名为Burkholderia sp.XM01。胞内的磁性颗粒沿着细胞的长轴排列。利于菌株XM01生长和磁细胞比例增加的培养条件:pH为6.5，10％的氧浓度，碳源为浓度在400mg/L左右的丁二酸、氮源为浓度约150mg/L的硝酸钠，铁源为浓度处于25～30μmol/L的奎尼酸铁，培养温度30℃，连续静置培养时间为6天。
通过超声破碎、高速离心、反复清洗与磁铁吸附的方法从菌株XM01细胞中成功地提取出形态完整的磁小体，产率为3.16mg/L培养液。经过透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)表征后，确定菌株XM01产磁小体粒径约为80nm，包含内部立方晶系的Fe3O4纳米晶体和外层包裹的生物膜。这是首次在Burkholderia sp.XM01中纯化出形态完整的磁小体。磁小体在纯水中的粒径分布相对均一，整体呈现右偏斜的特点。磁滞回线为宽腰型曲线，表明磁小体在室温下具有铁磁性，其饱和磁化强度为61.2emu/g，饱和剩磁强度为21.7emu/g，磁矫顽力为142.6Oe。磁小体在纯水、PBS与HEPES缓冲液中均能形成稳定的悬浮体系。当对悬浮体系施加外磁场时，经过120s的分离时间，可以基本实现从水相体系中完全分离磁小体。
菌株XM01胞内产磁小体在酸性条件具有内在的类过氧化物酶的催化活性。催化底物四甲基联苯胺（TMB）氧化反应的最适pH为4，温度为40℃。磁小体过氧化物酶模拟物耐受pH和温度的范围明显大于辣根过氧化物酶(HRP)。磁小体类过氧化物酶催化动力学过程符合Michaelis-Menten方程。其对底物H2O2的依赖性比HRP高出一个数量级，对底物TMB的亲和力大于HRP，催化效率略高于HRP。磁小体类过氧化物酶活性与Fe3O4纳米晶体表面的铁离子参与反应释放的羟基自由基有关。将磁小体应用于构建胆固醇的检测体系，检测的线性范围是2～150μmol/L，检测限为0.58μmol/L。该体系测定胆固醇的敏感性超过己报道的部分人造纳米酶构建的同类比色法检测体系。此方法用于测定人血清中的胆固醇具有良好的选择性。在反应结束后，可以通过磁分离而多次循环利用磁小体。连续回用7次，前后测定的结果之间的差异小于5％。该检测体系对15个随机血清样品的分析结果与全自动血清分析仪给出的结果之间的差异小于3.18％。
首次将磁小体作为异相芬顿体系中的催化剂用于催化降解甲基橙的研究。得出了优化后的条件:浓度为200μg/mL的催化剂，浓度为150mmol/L的H2O2，pH为3.5，温度60℃。磁小体/H2O2异相芬顿体系经150min的反应时间可以完全催化降解浓度为120mg/L的甲基橙。该体系催化甲基橙降解的有效浓度远高于同类芬顿体系所能降解的甲基橙浓度。磁小体/H2O2体系催化降解甲基橙的过程符合一级动力学方程的描述，表观活化能为12.15kJ/mol。催化体系中H2O2快速消耗的同时伴随着·OH的大量生成。甲基橙主要氧化来源是磁小体催化H2O2分解产生的·OH。虽然磁小体和天然酶HRP在理想溶液条件下都具有催化甲基橙降解的能力，但模拟染料废水中高浓度的盐，重金属离子等成分可以使含HRP的系统中甲基橙的降解率大幅降低，但是这对含磁小体的体系的影响很小，这表明磁小体处理甲基橙染料废水中的应用潜力超过天然酶HRP。连续回用磁小体进行7次反应循环后，体系中甲基橙的降解率仍处于81％左右。
首次发现磁小体具有碱性条件依赖的类过氧化氢酶的活性。其催化H2O2分解的活性与磁小体的浓度呈线性关系，反应体系的最适pH为9，温度为60℃。与天然过氧化氢酶相比，磁小体在极端pH和温度下的稳定性更高。当过氧化氢酶抑制剂NaN3(100μmol/L)和SDS（5mmol/L）分别加入后，天然酶的活性已基本丧失，而磁小体类过氧化氢酶活性仍保持在90％以上。磁小体催化H2O2分解反应的活化能与过氧化氢酶的催化反应活化能基本相近。磁小体类过氧化氢酶催化动力学符合Michaelis-Menten方程，对H2O2底物的亲和力和催化效率大干过氧化氢酶和人造Co3O4纳米酶。基于磁小体具有电化学还原H2O2的能力，首次将其应用于构建电化学传感器以检测H2O2，检测的线性范围是0.02～2mmol/L，检测限为0.14μmol/L，该方法测定H2O2具有良好的选择性和稳定性。与报道的某些酶型和非酶型的传感器相比，磁小体/GCE传感器具有更高的灵敏度和更短的响应时间，能够有效测定微量的H2O2。