富營(yíng)養(yǎng)化水體治理新方法 光固化3D打印微生物活性體研究獲進(jìn)展
2022-11-16 16:49:43化工儀器網(wǎng)閱讀量：336 我要評(píng)論
導(dǎo)讀：目前修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的方法主要包括物理、化學(xué)以及生物法，其中，以降解污染物為目標(biāo)的微生物技術(shù)由于無二次污染、運(yùn)行成本低、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
【化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng) 技術(shù)前沿】近年來，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，大量含氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水排入江河、湖泊等水體，導(dǎo)致我國(guó)水生態(tài)平衡遭受了嚴(yán)重的破壞，并且終將影響到人們的健康。據(jù)2019年調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)69.5%的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，高于世界平均水平。
目前修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的方法主要包括物理、化學(xué)以及生物法，其中，以降解污染物為目標(biāo)的微生物技術(shù)由于無二次污染、運(yùn)行成本低、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
固定化微生物技術(shù)誕生于20世紀(jì)70年代，由固定化酶技術(shù)發(fā)展而來，這是一種通過物理、化學(xué)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(shí)保持較高活性的技術(shù)。因其具有反應(yīng)速度快、耐毒性能力強(qiáng)、微生物損失少、產(chǎn)物分離較易、處理設(shè)施規(guī)模小等特點(diǎn)，在環(huán)境工程中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也有效促進(jìn)了環(huán)境工程領(lǐng)域的發(fā)展。
然而，雖然固定化微生物技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)成本高昂，為了保證較好的處理效果，其載體需要及時(shí)而頻繁地進(jìn)行更換，加重了成本負(fù)擔(dān)，并對(duì)運(yùn)行管理也造成了一定負(fù)面影響。在穩(wěn)定性上，固定化載體的穩(wěn)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(shù)至今未能得到廣泛應(yīng)用。
3D生物打印技術(shù)處于生命科學(xué)、材料科學(xué)和組織工程學(xué)的交叉領(lǐng)域，是一種能夠直接服務(wù)于生物醫(yī)療行業(yè)的3D 打印技術(shù)，也可以理解為利用含細(xì)胞的“生物墨水”打印活性結(jié)構(gòu)的過程，即利用活細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、人工生物材料等“生物墨水”精準(zhǔn)可控地打印具有生物功能的組織和器官。
近年來，一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在人們的視野，通過3D生物打印技術(shù)能夠在空間定義良好的系統(tǒng)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(shù)、精密機(jī)械以及材料科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展起來的尖端技術(shù)，能夠?qū)⑸锊牧稀⒒罴?xì)胞、活細(xì)菌等生物體、進(jìn)行逐層定位來組裝成一個(gè)復(fù)雜的三維活性體，并能實(shí)現(xiàn)不同的功能組件進(jìn)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(huán)境污染物修復(fù)功能的3D打印微生物活性結(jié)構(gòu)功能體仍未得到充分研究。
近段時(shí)間，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳立新團(tuán)隊(duì)與中科院城市環(huán)境研究所于昌平團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出了一種含有異養(yǎng)硝化細(xì)菌的新型雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)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(shù)，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(shí)內(nèi)有效去除96.2±1.3%的氨，并且由于生物支架內(nèi)部細(xì)菌的生長(zhǎng)，重復(fù)使用后去除率會(huì)增加。同時(shí)，能夠在沒有培養(yǎng)基的情況下在室溫下將生物支架保存168小時(shí)仍保持微生物活性以去除氨。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于可見光的3D打印程序可以為大多數(shù)細(xì)菌保持高細(xì)胞活力，并且3D生物支架的多孔結(jié)構(gòu)可以讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滲透到細(xì)菌的生長(zhǎng)中，展示了雙交聯(lián)PAPN 3D生物支架在廢水處理中固定化功能細(xì)菌的生產(chǎn)和應(yīng)用的潛力。
3D生物支架的多孔結(jié)構(gòu)可以讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滲透到細(xì)菌的生長(zhǎng)中，展示出了雙交聯(lián)PAPN 3D生物支架在廢水處理中固定化功能細(xì)菌的生產(chǎn)和應(yīng)用的潛力。并且該3D生物支架的多孔結(jié)構(gòu)可以讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滲透到細(xì)菌的生長(zhǎng)中，廢水處理中固定化功能細(xì)菌的生產(chǎn)和應(yīng)用中大有作用。
盡管目前仍然存在著一定的問題和挑戰(zhàn)，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(yīng)用前景。
(資料參考來源：福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所)
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