传统污水处理有点“费力不讨好”——曝气耗电、加碳源花钱，还排不少碳。厌氧氨氧化（anammox）技术本是低碳脱氮的好苗子，不需要有机碳就能把氨氮变成氮气。但这家伙有个“历史遗留问题”：反应中总会留下大概11%的硝酸盐“尾巴”。要彻底去掉，就得让anammox菌和反硝化菌互相配合。问题是，这些细菌在游离状态下各干各的，距离太远，代谢物也留不住，很难真正合作起来。
天津大学赵迎新团队换了个思路——用3D生物打印把anammox菌群“打印”成一块工程活体材料，相当于给细菌盖了个“微型合作社区”，让它们住得近、能共享资源。结果，启动时间缩短了71.43%，而且不外加碳源就能实现100%总氮去除，效果在真实废水里也站得住脚。成果发表在2026年9月7日的《自然-可持续性》上。
把细菌“打印”出来，还得活着干活
第一步要搞定一个很实际的问题：怎么把细菌打成“墨水”还能活得好好的？
团队选的是海藻酸钠+纤维素这对组合，二者比例1:1的时候，打印效果、细胞存活率和物质传输三者最平衡。海藻酸钠和纤维素靠氢键互相勾连，再用钙离子（Ca²⁺）一交联，就成了稳定的双网络水凝胶。这材料主要是天然高分子，比传统石油基材料环保得多。
显微镜下看，细菌被“关”在多孔网络的格子里，相邻菌团之间的距离能缩到4微米以内，但材料里还留着不少孔道，污染物和代谢物照样进得去出得来。交联时间不能太长——30-60分钟虽然强度更高，但会明显抑制anammox菌的活性。最终选了15分钟，材料拉伸强度约0.79 MPa，细菌活性也保住了。血红素c含量一直在涨，说明anammox菌在材料里不仅没蔫，还在不断壮大。
性能：10天启动，100%脱氮
游离微生物体系得折腾35天才能稳定运行，硝酸盐还老压不下去。而3D打印的ELMs第5天脱氮效率就猛涨，第10天氨氮和亚硝酸盐已经几乎检测不到了——启动时间直接缩短了71.43%。更厉害的是，游离菌体系最多只能维持理论上的脱氮水平，ELMs却长期维持在接近100%的总氮去除率，这个差距非常明显。
有人可能会问：把细菌压这么密，传质不会变差吗？COMSOL模拟给出了反直觉的答案——高密度打印反而形成了更复杂有序的微通道，流体扰动和底物扩散都增强了。实验数据也撑得住：ELMs里面的细菌吃到的NH₄⁺和NO₂⁻比游离菌多得多。所以说，空间限域不是简单把细菌塞到一起，而是既拉近了“邻里距离”，又把“物资补给线”一并优化了。
空间限域把“邻居”变成了“合伙人”
打印出来的材料内部发生了什么？团队做了一系列机理解析。
首先，空间限域激活了细菌的代谢。14天内活细胞数量增加了57.71%，电子传递系统活性和ATP产量都明显提升。有意思的是，黄素类电子穿梭体（FAD和FMN）也增多了，这些东西虽然不直接参与anammox，但能帮反硝化过程传递电子。同时，硝酸盐还原酶活性大幅提升，而亚硝酸盐还原能力只适度增加——结果就是反硝化菌更倾向于“吃掉”anammox产生的硝酸盐，而不是去抢亚硝酸盐，分工一下就理顺了。
其次，团队找到了“合作”的关键中间人——Opitutus属细菌。宏基因组分析发现，Opitutus在ELMs里富集了一大堆与辅因子合成、碳代谢相关的基因。关键细节是：anammox菌自己合成不了钼辅因子和叶酸，但Opitutus有完整的合成通路，能把这些“代谢零件”供货给anammox菌。反过来，anammox菌大量分泌氨基酸和胞外多糖，Opitutus则拥有丰富的肽酶和糖苷水解酶，能把这些东西转化成自己反硝化需要的碳源和能量。这一来一回，两家菌成了谁也离不开谁的“代谢共同体”。
3D限域还顺便增强了群体感应相关基因的表达——相当于不仅让细菌“住得近”，还让它们之间的化学“对讲机”信号更强了。
最后，水凝胶帮细菌“存住”了公共资源。代谢组分析显示，ELMs里跟电子传递、氨基酸、维生素相关的代谢物都明显富集。最直观的是多糖含量——从游离体系的21.70 mg/gVSS涨到了61.68 mg/gVSS。这些代谢物要是搁在游离体系里早就随水流跑了，现在被水凝胶“留”在细菌身边，变成了大家能反复用的“社区公共物资”。
真实废水验证
光在实验室里做得好不够。团队用真实废水做了验证，ELMs在不外加碳源的条件下依然维持了高效的总氮去除。这一点对实际应用来说相当关键——毕竟实验室配水和真实废水之间，差距往往不是一星半点。
小结
这套机制可以总结为：3D打印空间限域→anammox菌与Opitutus双向交换代谢物→anammox菌提供氨基酸/多糖，Opitutus分解后驱动反硝化并回馈辅因子→代谢物被水凝胶局部保留→原本各自为战的细菌变成“代谢共同体”。这篇工作的价值不只是做出了能脱氮的水凝胶。它给出的启示是：微生物处理的效果不只取决于“有什么菌”，还取决于“这些菌被放在哪里，它们产出的东西能不能留下来”。当然，作者也坦诚，这套体系目前还要过几道坎——低温耐受、毒性冲击、长期稳定性等问题都还得继续优化。但“空间限域+代谢共享”这套思路，未来不只能用在废水脱氮上，低碳氮比废水、高值发酵、污染物降解这些领域，或许都能用上。
论文信息：3D-printed living materials for anammox–denitrification coupling in wastewater treatment，Nature Sustainability，2026，
DOI:10.1038/s41893-026-01634-7
总结：
3D打印双网络水凝胶→空间限域让anammox菌与Opitutus交叉喂养→代谢物被局部保留→启动时间缩短71.43%，100%总氮去除，真实废水验证有效→“活体材料”新范式为低碳废水脱氮打开新思路。
来源：科研留声机
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YESFu-EAg16yqk6kkXOq4Q
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