【中国大陆】天津大学团队用3D打印“活体材料”打通厌氧氨氧化与反硝化：空间限域让启动时间缩短71.43%，不外加有机碳源实现100%总氮去除

天津大学赵迎新教授团队以海藻酸钠与纤维素构建双网络水凝胶生物墨水，用3D生物打印把厌氧氨氧化微生物群落制成工程活体材料（ELMs）。空间限域既拉近了功能菌群距离，又滞留了氨基酸、多糖、辅因子等公共代谢物，使两者形成稳定交叉喂养。结果为系统启动时间缩短71.43%，在不额外补充有机碳源的条件下实现100%总氮去除，并在真实废水中得到验证。成果发表于《Nature Sustainability》。

接触厌氧氨氧化这项技术的人，大多听过同一个抱怨：道理都懂，就是启动太慢。

厌氧氨氧化（anammox）菌能够直接以亚硝酸盐为电子受体，把铵转化为氮气，全程不需要有机碳源——相比传统硝化反硝化，它被视为污水处理领域最具颠覆性的低碳脱氮路径之一。但它有一个绕不开的"尾巴"：反应过程中会副产硝酸盐，理论上约相当于进水总氮的 11%。

想把这部分硝酸盐去掉，就得让厌氧氨氧化菌与反硝化菌有效"合作"。麻烦在于，微生物之间距离太远、代谢物容易扩散流失，这种合作往往很难稳定建立。

天津大学赵迎新教授团队给出的解法很特别：不再任由微生物随机聚集，而是把它们"打印"出来。

从随机聚集到空间打印

据 2026 年 9 月 8 日披露的论文信息，团队的思路是把厌氧氨氧化微生物群落打印成工程活体材料（Engineered Living Materials, ELMs），用空间限域的方式同时解决两个问题：

• 物理距离问题——把关键菌群拉得更近，让功能菌之间的物质交换不必依赖长距离扩散；
• 代谢物流失问题——把菌群产生的氨基酸、多糖、辅因子等"公共代谢物"留在局部，在厌氧氨氧化菌与反硝化菌之间真正形成高效的交叉喂养（cross-feeding）。

这个思路的巧妙之处在于，它把厌氧氨氧化工程化的老大难——"菌群关系不稳定"——从一个生物学问题，转化成了一个材料几何设计问题。距离不再由微生物自己决定，而是由打印头的路径决定。

生物墨水：双网络水凝胶怎么来的

要把细菌"打印"出来并且让它们活着工作，第一步是找到合适的载体。团队选择的是海藻酸钠 + 纤维素体系。

• 配比——当两者比例为 1:1 时，在打印性能、细胞活性和传质之间取得了较好平衡；
• 成网机制——海藻酸钠与纤维素之间通过氢键形成网络，再利用 Ca²⁺ 与羧酸基配位进一步交联，得到稳定的双网络水凝胶；
• 结构验证——XRD、FTIR、XPS 结果共同证明了这一网络结构和 Ca²⁺ 配位作用的形成；
• 低碳属性——这套体系主要由天然、可再生高分子组成，相比传统石油基载体，更符合低碳污水处理的材料逻辑。

显微结构进一步显示，微生物并不是简单地被"埋"在凝胶里，而是在限域空间中形成了可控的分布格局——这正是"活体材料"与普通固定化载体的区别所在。

关键结果：两个数字

这项研究最值得记的两个量化结果是：

• 系统启动时间缩短 71.43%；
• 在不额外补充有机碳源的条件下，实现 100% 总氮去除，且相关效果在真实废水中得到验证。

论文以 "3D-printed living materials for anammox–denitrification coupling in wastewater treatment" 为题发表在《Nature Sustainability》，第一作者为 Yinuo Liu。

"零外加碳源 + 100% 总氮去除"这个组合，是低碳脱氮领域的一个标志性门槛。传统工艺为了把硝酸盐彻底反硝化掉，往往不得不投加甲醇、乙酸钠等外加碳源——这既增加运行成本，又把原本省下来的碳排又送回去。而交叉喂养的机制设计，本质上是让一类菌的代谢副产物成为另一类菌的口粮，实现群落内部的碳自洽。

放在行业大背景里看为什么重要

厌氧氨氧化从来不缺优势，缺的是工程经济性。近期发布的《中国水处理行业可持续发展战略行业研究报告（2026—2030）》即指出，相比传统硝化反硝化工艺，厌氧氨氧化可节省约 60% 的曝气能耗和 100% 的有机碳源需求，是污水处理领域最具颠覆性的低碳技术之一。

但现实中，厌氧氨氧化推广的三道坎始终存在：

• 启动周期长——功能菌倍增时间长、富集难，一个工程从接种到达标往往需要数月，期间业主承担着出水不达标与产能损失风险；
• 稳定性差——受温度、负荷冲击、抑制剂影响明显，菌群一旦流失很难恢复；
• 硝酸盐残留——即前文述及的约 11% 副产硝酸盐，需要与反硝化耦合才能彻底解决。

如果把这三个问题排个序，启动周期往往是第一个让业主放弃的原因：在提标改造的工期约束下，等待富集本身就意味着现实不可行。

这项研究的价值正在于此——它用空间打印把"启动时间"这一最大成本项压缩了七成以上。若能在工程尺度上放大，厌氧氨氧化从"少数示范厂的经验品"走向"标准工艺包"的距离，将被显著缩短。

当然，从实验室到工程化仍有若干待回答的问题：3D 打印 ELMs 的量产成本与批次一致性、在真实污水长期运行中的机械强度与溶胀行为、复杂水质下微生物群落结构的演变，以及最关键的一点——能否适配连续流反应器而非小型试验装置。这些才是决定一项漂亮成果能否走到一线污水厂的关键变量。

对我们的意义：天乙科技的判断

天乙科技长期服务市政及工业园区污水处理与中水回用客户。我们一直关注低碳脱氮路线的工程化进展。基于这项成果，我们的判断是：厌氧氨氧化的商业化瓶颈正在从"能不能富集"转向"多久能启动、启动后多久会散"。沿着这个方向，建议关注两类实践切入——一是对已经采用厌氧氨氧化或正在做提标论证的项目，把"启动周期保障"作为工艺包选择的显性指标，而不是默认可接受的风险；二是对温度、碳氮比受限的高氨氮废水（养殖沼液、垃圾渗滤液、部分工业废水），优先评估群落空间结构化的菌种投加方案，而非单纯依赖延长污泥龄。

需要提醒的是，新材料的实验室指标必须在现场水质与真实工况下复算。从"打印出来"到"跑起来"，中间隔着的不只是时间，还有工程验证。

关于天乙科技有限公司（TIANYI LIMITED）：天乙科技有限公司深耕污水处理与中水回用领域，致力于为市政及工业客户提供高效、低碳、可持续的水处理解决方案。