天津大學(xué)趙迎新教授團(tuán)隊：利用3D生物打印技術(shù)構(gòu)建反硝化菌穩(wěn)定生態(tài)位以實現(xiàn)高效脫氮

來源：Environmental Advances

主要作者：劉一諾 博士研究生，趙天揚(yáng) 博士研究生（天津大學(xué)）

通訊作者：趙迎新 教授（天津大學(xué)）

論文DOI: 10.1016/j.watres.2025.123916


圖文摘要

成果簡介

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙迎新教授團(tuán)隊在Water Research上發(fā)表了題為“Construction of Stable Niches for Denitrifiers Using 3D Bioprinting for Efficient Nitrogen Removal”的研究論文。該研究利用微生物3D打印技術(shù)對好氧反硝化細(xì)菌進(jìn)行人工生態(tài)位的微尺度構(gòu)建，形成了具備穩(wěn)定生態(tài)位、高代謝活性與高機(jī)械強(qiáng)度的3D好氧反硝化活體材料，突破了傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)功能微生物生態(tài)位維持難的瓶頸問題，為提升污水生物處理效能、推動污水處理技術(shù)升級提供了創(chuàng)新性解決方案。

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本研究利用微生物3D打印技術(shù)對好氧反硝化細(xì)菌在三維空間內(nèi)進(jìn)行人工生態(tài)位的微尺度構(gòu)建，形成了具備可控微孔結(jié)構(gòu)、動態(tài)代謝反應(yīng)的3D好氧反硝化活體材料。研究結(jié)果證明，3D好氧反硝化活體材料對總氮和COD的去除率大于95%，污染物去除效能與10倍菌量的游離菌相當(dāng)，末端污泥減量潛力巨大。相較于游離菌群，反硝化功能細(xì)菌相對豐度提升近60%，有效維持了反硝化菌群生態(tài)位。另外，3D好氧反硝化活體材料在低溫、寡營養(yǎng)環(huán)境下仍能維持代謝活性，其展現(xiàn)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與功能可循環(huán)性特征，表明該材料在極端工況下具有可靠的環(huán)境適應(yīng)能力。這項研究證明了3D生物打印技術(shù)構(gòu)建具有理想細(xì)菌生態(tài)位的活性材料的可能性，及其實現(xiàn)高效廢水生物處理的潛力，從而為解決水環(huán)境污染提供有效途徑。

引言

工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致水體硝酸鹽污染問題日益嚴(yán)峻，過量硝酸鹽會引發(fā)水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，持續(xù)威脅人類健康及生態(tài)系統(tǒng)安全。生物反硝化可將硝酸鹽還原為氮氣，基于該原理發(fā)展的活性污泥法、生物膜法等生物脫氮技術(shù)，已成為當(dāng)前主流的脫氮工藝。然而，由于功能微生物的高流失率、環(huán)境抗逆性差以及生態(tài)位構(gòu)建周期長等關(guān)鍵瓶頸，現(xiàn)有生物脫氮技術(shù)在實際應(yīng)用中仍面臨顯著挑戰(zhàn)，如何維持生物系統(tǒng)內(nèi)功能微生物的生態(tài)位穩(wěn)定性已成為亟需攻克的科學(xué)問題。

圖文導(dǎo)讀

3D好氧反硝化活體材料構(gòu)建流程示意圖

Fig. 1. Construction process of 3D denitrification living materials.

以海藻酸鈉（SA）、明膠（Gel）和好氧反硝化菌作為主要成分，構(gòu)建新型雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水（SAG Bioink），通過針頭擠出實現(xiàn)垂直堆疊，設(shè)定固定尺寸（20×20×5 mm）并調(diào)整打印參數(shù)（4 mm間隔/0.4 mm層高/10層）逐層構(gòu)建3D活體材料，該參數(shù)組合無需二次交聯(lián)即可維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。完成打印后，經(jīng)2% CaCl₂溶液浸泡，SA發(fā)生鈣離子交聯(lián)形成第二層交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。雙交聯(lián)體系賦予3D活體材料優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度，保障反硝化菌的穩(wěn)定代謝與增殖，這為構(gòu)建可控微生物生態(tài)位提供良好基礎(chǔ)。

3D打印生物墨水性能研究

Fig. 2. The different gelatin ratio of SAG bioink: 3D printing effects for suitable denitrifiers survival (a), Rheological properties (b), Steady-state viscosity (c) and Viscoelasticity properties (d).

優(yōu)化SAG生物墨水中SA/Gel配比，所得最優(yōu)生物墨水實現(xiàn)了良好的3D打印成型效果，以確保反硝化細(xì)菌生態(tài)位的穩(wěn)定保持。同時，所設(shè)計的生物墨水具備良好流變特性，打印細(xì)絲可流暢擠出保持不坍塌，在保護(hù)菌體抗機(jī)械剪切的同時又可維持結(jié)構(gòu)完整性，為構(gòu)建兼具高細(xì)菌活性和機(jī)械強(qiáng)度的3D好氧反硝化活體材料提供保障。

3D好氧反硝化活體材料抵御復(fù)雜水力環(huán)境的機(jī)械性能分析

Fig. 3. The stress-strain curves of 3D SAG scaffolds (4%, 6% and 8% gel) under different Ca 2+ cross-linking time (a, b and c), The Young's modulus and fracture energy of 3D SAG scaffolds (4%, 6% and 8% gel) under different Ca 2+ cross-linking time (d, e and f).

CaCl₂二次強(qiáng)化交聯(lián)顯著提升了3D好氧反硝化活體材料的機(jī)械性能，其楊氏模量為0.1075 MPa，斷裂能為611.69 J/m，表明構(gòu)建的活體材料具備良好的極限強(qiáng)度、壓縮模量以及斷裂韌性。機(jī)械性能結(jié)果表明3D好氧反硝化活體材料在維持高細(xì)菌活性的同時，仍能夠在長期應(yīng)用中抵御復(fù)雜水力環(huán)境。

3D好氧反硝化活體材料物理特性與生物相容性

Fig. 4. The porosity (a), Water absorption (b) and Swelling rate (c). The microscopic surface and cross section structure of 3D bio-scaffolds with different bacterial concentration (a), CLSM analysis of 3D bio-scaffolds (b).

3D好氧反硝化活體材料具備良好的孔隙率、吸水率與溶脹率，凝膠基質(zhì)內(nèi)部形成了高效基質(zhì)輸運通道。另外，毛細(xì)效應(yīng)驅(qū)動的水/污染物擴(kuò)散滲透體系不僅持續(xù)供給反硝化菌代謝底物，更能有效排出代謝產(chǎn)物避免抑制效應(yīng)，最終形成了適宜反硝化菌生態(tài)位的穩(wěn)定微環(huán)境。

3D好氧反硝化活體材料脫氮效能驗證

Fig. 5. Denitrification performance of the 10%/20% 3D living materials and free bacteria group: COD removal (a), Nitrogen removal (b), Biomass change (c), Denitrification performance of the 3D living materials under different printing structures (d, e and f).

3D好氧反硝化活體材料對總氮和COD的去除率大于95%，其污染物去除效能與10倍菌量的游離菌相當(dāng)。微生物量的大幅度降低，減輕了后續(xù)污泥處置的負(fù)擔(dān)，因此該技術(shù)污泥減量潛力巨大。與傳統(tǒng)包埋法相比，活體材料內(nèi)部的多通道結(jié)構(gòu)通過增強(qiáng)流體擾動和降低傳質(zhì)梯度，提升了污染物與好氧反硝化菌群的接觸效率。與塊狀凝膠材料相比，在60小時內(nèi)，3D反硝化活體材料的硝酸鹽氮去除率最高提升14.6%，COD去除率最高提升90.0%。

3D好氧反硝化活體材料的微生物群落分析

Fig. 6. The relative abundance of microflora at class level (a) The relative abundance of microflora at genus level (b) The analysis of FAPROTAX functional prediction (c).

得益于良好的傳質(zhì)效應(yīng)與生物墨水的親和性，3D好氧反硝化活體材料內(nèi)部碳氮代謝優(yōu)勢菌群實現(xiàn)了定向富集，主要反硝化功能菌相對豐度提升60%。相較游離菌群的單一群落，活體材料內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定生態(tài)位分化，通過多菌協(xié)同作用降低代謝負(fù)擔(dān)并強(qiáng)化環(huán)境脅迫抗性。該特性確保了復(fù)雜水環(huán)境中反硝化菌群的高活性維持，這能夠為生物脫氮技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵保障。

小結(jié)

本研究利用微生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了穩(wěn)定的反硝化細(xì)菌人工生態(tài)位，通過增強(qiáng)菌群與污染物的接觸效率，有效突破了傳統(tǒng)固定化生物修復(fù)技術(shù)的傳質(zhì)限制。在接種量僅為游離菌10%的條件下，仍實現(xiàn)了90%以上的氮素與COD去除率。這種增益效應(yīng)對降低污泥產(chǎn)量、提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。該材料在4℃條件保存10天后仍具有70%以上活細(xì)胞存活率，彰顯其通過冷藏實現(xiàn)按需復(fù)用的潛力，為功能菌種儲存運輸提供了傳統(tǒng)液態(tài)培養(yǎng)無法企及的解決方案。該制造方法可推廣至難降解有機(jī)物分解菌、重金屬回收菌及電活性菌等多種功能菌的生物打印，為推動污水處理技術(shù)升級提供了創(chuàng)新性解決方案。

作者介紹

劉一諾：天津大學(xué)2023級博士研究生；
趙天揚(yáng)：天津大學(xué)2024級博士研究生。

通訊作者：趙迎新，天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院英才教授，研究領(lǐng)域為污水低碳處理與資源化，主要開展生物碳氮協(xié)同控制、有毒物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化、高級氧化技術(shù)研究。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域主要期刊如Environmental Science & Technology，Water Research等發(fā)表論文80余篇，主持國家重點研發(fā)計劃項目、水專項子課題、國家自然科學(xué)基金等項目。研究成果成功應(yīng)用于60余項污水治理工程，取得了良好的環(huán)境效益。獲2024年天津市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，2023年天津市自然科學(xué)二等獎，2021年天津市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，2019年天津市優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計獎一等獎等。入選國家級青年人才支持計劃（2022），天津市青年科技人才第一層次（2024），天津市青年人才托舉工程（2020）及天津市青科協(xié)優(yōu)秀青年科技工作者（2021）等。

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備注：
Construction of stable niches for denitrifiers using 3D bioprinting for efficient nitrogen removal Copyright 2025, Elsevier Inc
文章鏈接:
https://www.sciencedirect.com/sc ... 35425008243#sec0016