天津大学赵迎新教授团队：利用3D生物打印技术构建反硝化菌稳定生态位以实现高效脱氮

来源：Environmental Advances

主要作者：刘一诺 博士研究生，赵天扬 博士研究生（天津大学）

通讯作者：赵迎新 教授（天津大学）

论文DOI: 10.1016/j.watres.2025.123916


图文摘要

成果简介

天津大学环境科学与工程学院赵迎新教授团队在Water Research上发表了题为“Construction of Stable Niches for Denitrifiers Using 3D Bioprinting for Efficient Nitrogen Removal”的研究论文。该研究利用微生物3D打印技术对好氧反硝化细菌进行人工生态位的微尺度构建，形成了具备稳定生态位、高代谢活性与高机械强度的3D好氧反硝化活体材料，突破了传统生物脱氮技术功能微生物生态位维持难的瓶颈问题，为提升污水生物处理效能、推动污水处理技术升级提供了创新性解决方案。

全文速览

本研究利用微生物3D打印技术对好氧反硝化细菌在三维空间内进行人工生态位的微尺度构建，形成了具备可控微孔结构、动态代谢反应的3D好氧反硝化活体材料。研究结果证明，3D好氧反硝化活体材料对总氮和COD的去除率大于95%，污染物去除效能与10倍菌量的游离菌相当，末端污泥减量潜力巨大。相较于游离菌群，反硝化功能细菌相对丰度提升近60%，有效维持了反硝化菌群生态位。另外，3D好氧反硝化活体材料在低温、寡营养环境下仍能维持代谢活性，其展现的优异结构稳定性与功能可循环性特征，表明该材料在极端工况下具有可靠的环境适应能力。这项研究证明了3D生物打印技术构建具有理想细菌生态位的活性材料的可能性，及其实现高效废水生物处理的潜力，从而为解决水环境污染提供有效途径。

引言

工农业的快速发展导致水体硝酸盐污染问题日益严峻，过量硝酸盐会引发水体富营养化等环境问题，持续威胁人类健康及生态系统安全。生物反硝化可将硝酸盐还原为氮气，基于该原理发展的活性污泥法、生物膜法等生物脱氮技术，已成为当前主流的脱氮工艺。然而，由于功能微生物的高流失率、环境抗逆性差以及生态位构建周期长等关键瓶颈，现有生物脱氮技术在实际应用中仍面临显著挑战，如何维持生物系统内功能微生物的生态位稳定性已成为亟需攻克的科学问题。

图文导读

3D好氧反硝化活体材料构建流程示意图

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

以海藻酸钠（SA）、明胶（Gel）和好氧反硝化菌作为主要成分，构建新型双网络生物墨水（SAG Bioink），通过针头挤出实现垂直堆叠，设定固定尺寸（20×20×5 mm）并调整打印参数（4 mm间隔/0.4 mm层高/10层）逐层构建3D活体材料，该参数组合无需二次交联即可维持结构稳定性。完成打印后，经2% CaCl₂溶液浸泡，SA发生钙离子交联形成第二层交联网络。双交联体系赋予3D活体材料优异机械强度，保障反硝化菌的稳定代谢与增殖，这为构建可控微生物生态位提供良好基础。

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).

优化SAG生物墨水中SA/Gel配比，所得最优生物墨水实现了良好的3D打印成型效果，以确保反硝化细菌生态位的稳定保持。同时，所设计的生物墨水具备良好流变特性，打印细丝可流畅挤出保持不坍塌，在保护菌体抗机械剪切的同时又可维持结构完整性，为构建兼具高细菌活性和机械强度的3D好氧反硝化活体材料提供保障。

3D好氧反硝化活体材料抵御复杂水力环境的机械性能分析

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).

CaCl₂二次强化交联显著提升了3D好氧反硝化活体材料的机械性能，其杨氏模量为0.1075 MPa，断裂能为611.69 J/m，表明构建的活体材料具备良好的极限强度、压缩模量以及断裂韧性。机械性能结果表明3D好氧反硝化活体材料在维持高细菌活性的同时，仍能够在长期应用中抵御复杂水力环境。

3D好氧反硝化活体材料物理特性与生物相容性

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好氧反硝化活体材料具备良好的孔隙率、吸水率与溶胀率，凝胶基质内部形成了高效基质输运通道。另外，毛细效应驱动的水/污染物扩散渗透体系不仅持续供给反硝化菌代谢底物，更能有效排出代谢产物避免抑制效应，最终形成了适宜反硝化菌生态位的稳定微环境。

3D好氧反硝化活体材料脱氮效能验证

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好氧反硝化活体材料对总氮和COD的去除率大于95%，其污染物去除效能与10倍菌量的游离菌相当。微生物量的大幅度降低，减轻了后续污泥处置的负担，因此该技术污泥减量潜力巨大。与传统包埋法相比，活体材料内部的多通道结构通过增强流体扰动和降低传质梯度，提升了污染物与好氧反硝化菌群的接触效率。与块状凝胶材料相比，在60小时内，3D反硝化活体材料的硝酸盐氮去除率最高提升14.6%，COD去除率最高提升90.0%。

3D好氧反硝化活体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).

得益于良好的传质效应与生物墨水的亲和性，3D好氧反硝化活体材料内部碳氮代谢优势菌群实现了定向富集，主要反硝化功能菌相对丰度提升60%。相较游离菌群的单一群落，活体材料内实现了稳定生态位分化，通过多菌协同作用降低代谢负担并强化环境胁迫抗性。该特性确保了复杂水环境中反硝化菌群的高活性维持，这能够为生物脱氮技术的可持续发展提供关键保障。

小结

本研究利用微生物3D打印技术构建了稳定的反硝化细菌人工生态位，通过增强菌群与污染物的接触效率，有效突破了传统固定化生物修复技术的传质限制。在接种量仅为游离菌10%的条件下，仍实现了90%以上的氮素与COD去除率。这种增益效应对降低污泥产量、提升技术经济性具有重要意义。该材料在4℃条件保存10天后仍具有70%以上活细胞存活率，彰显其通过冷藏实现按需复用的潜力，为功能菌种储存运输提供了传统液态培养无法企及的解决方案。该制造方法可推广至难降解有机物分解菌、重金属回收菌及电活性菌等多种功能菌的生物打印，为推动污水处理技术升级提供了创新性解决方案。

作者介绍

刘一诺：天津大学2023级博士研究生；
赵天扬：天津大学2024级博士研究生。

通讯作者：赵迎新，天津大学环境科学与工程学院英才教授，研究领域为污水低碳处理与资源化，主要开展生物碳氮协同控制、有毒物质生物转化、高级氧化技术研究。在生态环境领域主要期刊如Environmental Science & Technology，Water Research等发表论文80余篇，主持国家重点研发计划项目、水专项子课题、国家自然科学基金等项目。研究成果成功应用于60余项污水治理工程，取得了良好的环境效益。获2024年天津市科学技术进步二等奖，2023年天津市自然科学二等奖，2021年天津市科学技术进步二等奖，2019年天津市优秀城乡规划设计奖一等奖等。入选国家级青年人才支持计划（2022），天津市青年科技人才第一层次（2024），天津市青年人才托举工程（2020）及天津市青科协优秀青年科技工作者（2021）等。

通讯邮箱：yingxinzhao@tju.edu.cn


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