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富營養化水體治理新方法 光固化3D打印微生物活性體研究獲進展
2022年11月15日 14:16:49
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：5532
近段時間，中國科學院福建物質結構研究所吳立新團隊與中科院城市環境研究所于昌平團隊合作，開發出了一種含有異養硝化細菌的新型雙網絡交聯PEGDA-藻酸鹽-PVA-納米粘土（PAPN）高分子微生物3D打印墨水。
【化工儀器網 行業百態】近年來，隨著我國工業化和城市化進程的不斷加快，大量含氮、磷等營養物質的工業廢水和生活污水排入江河、湖泊等水體，導致我國水生態平衡遭受了嚴重的破壞，并且終將影響到人們的健康。據2019年調查結果顯示，我國69.5%的湖泊處于富營養化狀態，高于世界平均水平。
目前修復富營養化水體的方法主要包括物理、化學以及生物法，其中，以降解污染物為目標的微生物技術由于無二次污染、運行成本低、對周圍環境影響小等優勢得到廣泛關注和應用。
固定化微生物技術誕生于20世紀70年代，由固定化酶技術發展而來，這是一種通過物理、化學手段將水體中游離分散的微生物和酶等生物催化劑固定在載體中，使其高度富集同時保持較高活性的技術。因其具有反應速度快、耐毒性能力強、微生物損失少、產物分離較易、處理設施規模小等特點，在環境工程中得到廣泛應用，同時也有效促進了環境工程領域的發展。
然而，雖然固定化微生物技術在環境工程領域的應用前景十分廣闊，但目前仍存在一些亟待解決的問題。在成本上，固定化微生物技術成本高昂，為了保證較好的處理效果，其載體需要及時而頻繁地進行更換，加重了成本負擔，并對運行管理也造成了一定負面影響。在穩定性上，固定化載體的穩定性較弱，容易受力破碎，并且還存在菌體易脫落等問題。因此，固定化微生物技術至今未能得到廣泛應用。
3D生物打印技術處于生命科學、材料科學和組織工程學的交叉領域，是一種能夠直接服務于生物醫療行業的3D 打印技術，也可以理解為利用含細胞的“生物墨水”打印活性結構的過程，即利用活細胞、生長因子、人工生物材料等“生物墨水”精準可控地打印具有生物功能的組織和器官。
近年來，一個令人興奮的發現出現在人們的視野，通過3D生物打印技術能夠在空間定義良好的系統中組合成各種具有不同功能的微生物。這種依托于信息技術、精密機械以及材料科學等多學科發展起來的尖端技術，能夠將生物材料、活細胞、活細菌等生物體、進行逐層定位來組裝成一個復雜的三維活性體，并能實現不同的功能組件進行空間的組裝，為固定化微生物提供了新思路。然而，制備出具有環境污染物修復功能的3D打印微生物活性結構功能體仍未得到充分研究。
近段時間，中國科學院福建物質結構研究所吳立新團隊與中科院城市環境研究所于昌平團隊合作，開發出了一種含有異養硝化細菌的新型雙網絡交聯PEGDA-藻酸鹽-PVA-納米粘土(PAPN)高分子微生物3D打印墨水。研究人員們利用擠出式3D打印技術，打印了具有去除污水中氨氮的PAPN微生物活性功能體。
這種3D打印生物活性功能體可在12小時內有效去除96.2±1.3%的氨，并且由于生物支架內部細菌的生長，重復使用后去除率會增加。同時，能夠在沒有培養基的情況下在室溫下將生物支架保存168小時仍保持微生物活性以去除氨。該項實驗結果表明，基于可見光的3D打印程序可以為大多數細菌保持高細胞活力，并且3D生物支架的多孔結構可以讓營養物質滲透到細菌的生長中，展示了雙交聯PAPN 3D生物支架在廢水處理中固定化功能細菌的生產和應用的潛力。
3D生物支架的多孔結構可以讓營養物質滲透到細菌的生長中，展示出了雙交聯PAPN 3D生物支架在廢水處理中固定化功能細菌的生產和應用的潛力。并且該3D生物支架的多孔結構可以讓營養物質滲透到細菌的生長中，廢水處理中固定化功能細菌的生產和應用中大有作用。
盡管目前仍然存在著一定的問題和挑戰，但相信隨著研究的不斷深入，3D打印微生物活性體在不久的將來將具有更好的性能和更廣闊的應用前景。
(資料參考來源：福建物質結構研究所)
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