基于丝瓜络生物载体的pH响应微环境构建与电子传递调控促进苯酚高效降解

针对微生物修复过程中污染物降解效率低、酸性代谢产物抑制菌体活性的问题，吉林农业大学生物质资源开发与利用实验室通过将阴沟肠杆菌YN-4（Enterobacter cloacae YN-4）组装于丝瓜络载体，构建pH缓冲微环境并介导电子传递，使苯酚降解浓度从1900 mg/L提升至3000 mg/L。该研究揭示了生物质材料通过调控ABC转运体代谢通路和味觉转导通路增强微生物环境适应性的新机制，为生物强化污水处理提供新策略。

　　

随着工业废水排放量激增，苯酚等难降解有机污染物的环境治理面临严峻挑战。虽然微生物修复技术具有成本低、环境友好等优势，但现有体系存在两大瓶颈：一是微生物在代谢过程中产生的有机酸会导致发酵液pH骤降，影响细胞膜电位和营养吸收；二是传统游离菌株的电子传递效率有限，制约污染物降解效率的提升。这些卡脖子问题使得微生物处理高浓度苯酚废水时往往捉襟见肘。

吉林农业大学的Yan Hai团队独辟蹊径，将目光投向天然生物质材料——丝瓜络。这种富含羟基、羧基等活性基团的多孔载体，能否成为微生物的"智能盔甲"？研究人员创新性地构建了丝瓜络-阴沟肠杆菌YN-4复合体系，通过多组学分析揭示了材料-微生物互作机制。相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》，为生物强化污水处理提供了教科书级的范本。

研究采用三大关键技术：1) 丝瓜络预处理技术（超声清洗-碱处理-冻干）；2) 代谢组学分析（UHPLC-QTOF-MS检测自噬相关代谢物）；3) 电化学表征（循环伏安法测定电子 shuttle含量）。实验选用实验室保藏的YN-4菌株（Jilin Agricultural University菌种保藏号未公开），通过20次循环实验验证体系稳定性。

【YN-4代谢苯酚】
游离YN-4在28小时内可完全降解1000 mg/L苯酚，但当浓度升至1900 mg/L时降解停滞。而丝瓜络组装体系突破性地将耐受浓度提升至3000 mg/L，OD₆₀₀
值显示菌体存活率提高2.3倍。

【pH缓冲微环境构建】
丝瓜络通过双重机制稳定pH：其溶出的多糖类物质（如木聚糖）中和有机酸；表面羧基（-COOH）直接吸附乙酸等代谢副产物，使发酵液pH波动范围从游离体系的2.5-4.8收窄至4.2-5.6。

【电子传递调控】
代谢组学发现丝瓜络诱导YN-4上调5-氨基戊酸（5-aminovaleric acid）和3-甲基黄嘌呤（3-methylxanthine）表达，前者减轻苯酚毒性，后者作为电子 shuttle前体使细胞色素c含量提升1.8倍，电子转移速率常数（k_et
）增加67%。

【代谢通路激活】
转录组分析揭示ABC转运体（ATP-binding cassette transporters）通路显著激活，促进苯酚衍生物的外排；味觉转导通路（taste transduction）上调使菌体对环境变化敏感度提高3倍。

这项研究开创性地证实了生物质材料可通过"物理防护-化学缓冲-生物调控"三级作用机制增强微生物性能。丝瓜络构建的pH响应微环境如同给菌体配备了"智能空调"，而电子传递介导作用则相当于安装了"代谢涡轮增压器"。特别值得注意的是，该体系在20次循环后仍保持92%的降解效率，这种"越战越勇"的特性使其具备工业化应用潜力。研究不仅为废水处理提供了新型生物复合材料，更建立了生物质-微生物互作研究的范式，对发展绿色环境修复技术具有里程碑意义。