纤维蛋白在蛋白质-多糖水凝胶中的作用：用于固定功能性微生物以进行废水处理

《Bioresource Technology》：Role of fibrous proteins in Protein-Polysaccharide hydrogels for immobilization of functional microorganisms for wastewater treatment

基于丝绸纤维蛋白与多糖复合材料的生物凝胶长效性能研究。采用蛋白多糖复合材料固定异养菌、自养菌和光混合藻类，通过协同作用维持生物凝胶动态结构稳定性，促进微生物增殖及代谢调控，实现120天污水处理的稳定运行而不需补充微生物。

王丹阳|李安杰|李晓燕

教育部水与沉积物科学重点实验室/湿地保护与恢复国家重点实验室，北京师范大学环境学院，北京100875，中国

摘要

传统的生物固定化方法往往忽略了生物水凝胶中捕获材料与微生物之间的动态平衡。常用的材料更注重机械强度，但缺乏生物降解性，无法为微生物增殖提供空间，从而导致结构损伤、细胞死亡以及需要频繁补充生物水凝胶。在本研究中，将纤维蛋白材料（丝素，SF）与多糖（海藻酸钠，SA）结合，用于固定三种功能性微生物：化能异养菌和自养菌，以及光能混合营养微藻。这种蛋白-多糖复合材料协同作用，维持了生物水凝胶的动态结构稳定性。我们提出，丝素的降解可能会创造出额外的内部空间促进细胞生长，从而促进异养菌（铜绿假单胞菌 PAO1）的增殖，这可能进一步刺激细胞外聚合物的分泌，并有助于水凝胶网络的逐步重建。此外，丝素还增强了固定自养菌（欧洲硝化单胞菌）水凝胶中的氨氧化活性，并调节了固定光能混合营养微藻（小球藻）水凝胶中的代谢途径。SF-SA（丝素-海藻酸钠）生物水凝胶在无需补充的情况下能够高效分离生物量和废水，实现了120天的连续废水处理，为高效率废水处理提供了一种有效的生物固定化技术。

引言

生物固定化技术通过将微生物限制在三维支撑结构内，提高了废水处理系统的效率和稳定性（Bouabidi等人，2019年；Sekoai等人，2018年）。与自由状态的微生物相比，生物固定化具有显著优势，包括更好地适应环境变化、在反应器中保留生长缓慢的微生物、减少剩余污泥以及改善污泥与出水的分离效果（Li等人，2022年；Wang等人，2022年）。

已经采用了多种生物固定化技术，如吸附、共价键合、包封和捕获等方法将微生物附着在载体上。其中，捕获方法因其优异的生物相容性、制备简便性和温和的反应条件而受到青睐（Bouabidi等人，2019年；Sekoai等人，2018年）。水凝胶材料因其高度水合的多孔结构而广泛用于细胞捕获（Ahmad等人，2020年）。然而，传统的水凝胶材料（如海藻酸盐和聚乙烯醇）不易生物降解。这一限制阻碍了微生物在水凝胶内的增殖，或因微生物生长而导致结构损伤（Kumar等人，2022年）。当水凝胶结构降解或捕获的微生物死亡时，通常需要补充新的微生物（Cao等人，2020年）。然而，频繁的补充会增加处理成本，并削弱生物水凝胶技术在废水处理中的可持续性。

为了实现经济高效且可持续的废水处理，需要开发新型的生物水凝胶成分和结构，以提高水凝胶的稳定性和长期应用的适应性。生物水凝胶结构是动态的，受捕获微生物的生长和自组织的影响（Jian等人，2023年）。在自然界中，微生物群落通过分泌细胞外聚合物（EPS）自组装成复杂稳定的三维结构，EPS主要由多糖和蛋白质组成（Sheng等人，2010年）。蛋白质（氨基酸组成和二级结构）和多糖（长碳链和活性侧链）的结构特性影响了细胞的附着、聚集和流变性能，为合理设计生物水凝胶提供了可能性（Hou等人，2015年；Seviour等人，2012年）。基于EPS在微生物聚集中的作用，使用天然纤维蛋白（丝素，SF）和多糖（海藻酸钠，SA）的微生物水凝胶表现出增强的微生物活性和机械稳定性（Wang等人，2024年）。然而，生物水凝胶中捕获材料与微生物之间的相互作用仍不明确。这些相互作用在决定生物水凝胶系统在环境应用中的结构稳定性和性能方面起着关键作用。

在本研究中，我们探讨了蛋白-多糖复合材料用于生物捕获与三种功能性微生物类型（化能异养菌、化能自养菌和光能混合营养微藻）之间的相互作用及其机制。研究目标是：（1）分析捕获的微生物如何影响生物水凝胶的结构性能；（2）探索蛋白-多糖水凝胶对微生物生长和代谢活动的影响；（3）评估SF-SA生物水凝胶在废水处理中的长期可行性。这些发现阐明了“捕获复合材料-微生物”相互作用的机制，提高了生物水凝胶在废水处理中的稳定性、适用性和效率。

部分摘录

含功能性微生物的SF-SA生物水凝胶的制备与应用

制备了20%（w/v）再生丝素溶液（从Bombyx mori蚕茧中提取，见补充材料）和1.5%（w/v）海藻酸钠（多糖，来源于褐藻，M/G = 1:2，Macklin S875337）的混合物，并在40 kHz频率下以150 W的功率超声处理30秒（Wang等人，2024年）。溶液静置30分钟后，再次在相同条件下进行超声处理。加入的微生物浓度分别为10⁹细胞/mL（细菌）和10⁷细胞/mL（

含功能性微生物的SF-SA生物水凝胶的特性

海藻酸钠是一种天然的水溶性线性多糖，能够螯合金属离子，迅速形成水凝胶结构（Bajpai和Sharma，2004年）。丝素是一种天然纤维蛋白，具有高度重复的氨基酸序列，赋予其独特的机械和结构性能。丝素的纤维网络有效调节了水凝胶的硬度，同时提供了优异的生物相容性和生物降解性（Agostinacchio等人，2021年）。在本研究中，我们选择了三种常见的

结论

现有的生物固定化技术通常依赖于频繁更换或补充固定的微生物来维持生物废水处理系统的稳定性和性能。为了克服这些限制，本研究开发了一种蛋白-多糖复合捕获材料，为环保和可持续的生物固定化应用提供了创新解决方案。可生物降解的丝素不仅减少了

CRediT作者贡献声明

王丹阳：撰写——初稿、可视化、方法学、实验研究。李安杰：撰写——审稿与编辑、监督、实验研究、资金获取、概念构思。李晓燕：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52261135627）的支持。