天津大學趙迎新教授團隊：利用3D生物打印技術構建反硝化菌穩定生態位以實現高效脫氮
主要作者：劉一諾 博士研究生，趙天揚 博士研究生（天津大學）
通訊作者：趙迎新 教授（天津大學）
論文DOI: 10.1016/j.watres.2025.123916
圖文摘要
成果簡介
天津大學環境科學與工程學院趙迎新教授團隊在Water Research上發表了題為“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打印技術對好氧反硝化細菌進行人工生態位的微尺度構建，形成了具備穩定生態位、高代謝活性與高機械強度的3D好氧反硝化活體材料，突破了傳統生物脫氮技術功能微生物生態位維持難的瓶頸問題，為提升污水生物處理效能、推動污水處理技術升級提供了創新性解決方案。
全文速覽
本研究利用微生物3D打印技術對好氧反硝化細菌在三維空間內進行人工生態位的微尺度構建，形成了具備可控微孔結構、動態代謝反應的3D好氧反硝化活體材料。研究結果證明，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，末端污泥減量潛力巨大。相較于游離菌群，反硝化功能細菌相對豐度提升近60%，有效維持了反硝化菌群生態位。另外，3D好氧反硝化活體材料在低溫、寡營養環境下仍能維持代謝活性，其展現的優異結構穩定性與功能可循環性特征，表明該材料在極端工況下具有可靠的環境適應能力。這項研究證明了3D生物打印技術構建具有理想細菌生態位的活性材料的可能性，及其實現高效廢水生物處理的潛力，從而為解決水環境污染提供有效途徑。
引言
工農業的快速發展導致水體硝酸鹽污染問題日益嚴峻，過量硝酸鹽會引發水體富營養化等環境問題，持續威脅人類健康及生態系統安全。生物反硝化可將硝酸鹽還原為氮氣，基于該原理發展的活性污泥法、生物膜法等生物脫氮技術，已成為當前主流的脫氮工藝。然而，由于功能微生物的高流失率、環境抗逆性差以及生態位構建周期長等關鍵瓶頸，現有生物脫氮技術在實際應用中仍面臨顯著挑戰，如何維持生物系統內功能微生物的生態位穩定性已成為亟需攻克的科學問題。
圖文導讀
以海藻酸鈉（SA）、明膠（Gel）和好氧反硝化菌作為主要成分，構建新型雙網絡生物墨水（SAG Bioink），通過針頭擠出實現垂直堆疊，設定固定尺寸（20×20×5 mm）并調整打印參數（4 mm間隔/0.4 mm層高/10層）逐層構建3D活體材料，該參數組合無需二次交聯即可維持結構穩定性。完成打印后，經2% CaCl₂溶液浸泡，SA發生鈣離子交聯形成第二層交聯網絡。雙交聯體系賦予3D活體材料優異機械強度，保障反硝化菌的穩定代謝與增殖，這為構建可控微生物生態位提供良好基礎。
優化SAG生物墨水中SA/Gel配比，所得最優生物墨水實現了良好的3D打印成型效果，以確保反硝化細菌生態位的穩定保持。同時，所設計的生物墨水具備良好流變特性，打印細絲可流暢擠出保持不坍塌，在保護菌體抗機械剪切的同時又可維持結構完整性，為構建兼具高細菌活性和機械強度的3D好氧反硝化活體材料提供保障。
CaCl₂二次強化交聯顯著提升了3D好氧反硝化活體材料的機械性能，其楊氏模量為0.1075 MPa，斷裂能為611.69 J/m，表明構建的活體材料具備良好的極限強度、壓縮模量以及斷裂韌性。機械性能結果表明3D好氧反硝化活體材料在維持高細菌活性的同時，仍能夠在長期應用中抵御復雜水力環境。
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，凝膠基質內部形成了高效基質輸運通道。另外，毛細效應驅動的水/污染物擴散滲透體系不僅持續供給反硝化菌代謝底物，更能有效排出代謝產物避免抑制效應，最終形成了適宜反硝化菌生態位的穩定微環境。
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。微生物量的大幅度降低，減輕了后續污泥處置的負擔，因此該技術污泥減量潛力巨大。與傳統包埋法相比，活體材料內部的多通道結構通過增強流體擾動和降低傳質梯度，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，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%。
得益于良好的傳質效應與生物墨水的親和性，3D好氧反硝化活體材料內部碳氮代謝優勢菌群實現了定向富集，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，活體材料內實現了穩定生態位分化，通過多菌協同作用降低代謝負擔并強化環境脅迫抗性。該特性確保了復雜水環境中反硝化菌群的高活性維持，這能夠為生物脫氮技術的可持續發展提供關鍵保障。
小結
本研究利用微生物3D打印技術構建了穩定的反硝化細菌人工生態位，通過增強菌群與污染物的接觸效率，有效突破了傳統固定化生物修復技術的傳質限制。在接種量僅為游離菌10%的條件下，仍實現了90%以上的氮素與COD去除率。這種增益效應對降低污泥產量、提升技術經濟性具有重要意義。該材料在4℃條件保存10天后仍具有70%以上活細胞存活率，彰顯其通過冷藏實現按需復用的潛力，為功能菌種儲存運輸提供了傳統液態培養無法企及的解決方案。該制造方法可推廣至難降解有機物分解菌、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升級提供了創新性解決方案。
作者介紹
劉一諾：天津大學2023級博士研究生；
趙天揚：天津大學2024級博士研究生。
通訊作者：趙迎新，天津大學環境科學與工程學院英才教授，研究領域為污水低碳處理與資源化，主要開展生物碳氮協同控制、有毒物質生物轉化、高級氧化技術研究。在生態環境領域主要期刊如Environmental Science & Technology，Water Research等發表論文80余篇，主持國家重點研發計劃項目、水專項子課題、國家自然科學基金等項目。研究成果成功應用于60余項污水治理工程，取得了良好的環境效益。獲2024年天津市科學技術進步二等獎，2023年天津市自然科學二等獎，2021年天津市科學技術進步二等獎，2019年天津市優秀城鄉規劃設計獎一等獎等。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）及天津市青科協優秀青年科技工作者（2021）等。
通訊郵箱：yingxinzhao@tju.edu.cn
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
(責任編輯：admin)
基于衛星的三維腫瘤模型在
ORNL開發3D打印金屬模具，
新加坡國立大學采用3D打印
Harris Tweed借力3D打印邁
呂勒奧理工大學利用基于塊
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強
