3D生物打印工程化活体微反应器实现有机磷化合物的连续降解：一种新型生物修复技术

这篇研究报道了通过3D生物打印技术构建工程化活体材料（ELM）微反应器，实现了有机磷化合物（OPC）的连续催化降解。研究采用基因工程大肠杆菌（E. coli）表达农杆菌（Agrobacterium radiobacter）磷酸三酯酶（arPTE），结合表面活性剂模板化多孔藻酸盐生物墨水，开发出具有高传质效率的自支撑结构。通过主成分分析（PCA）揭示了反应扩散过程的时空特征，为高效催化微生物ELM生物反应器的设计提供了重要参数。

　　

3D生物打印工程化活体微反应器实现有机磷化合物连续降解

摘要

本研究开发了一种3D生物打印的工程化活体材料（ELM）流动生物反应器，用于连续降解有机磷化合物（OPC）。该系统由基因工程大肠杆菌（Escherichia coli）构成，通过诱导表达农杆菌（Agrobacterium radiobacter）磷酸三酯酶（arPTE）实现OPC的循环解毒。研究采用主成分分析（PCA）对传质动力学数据进行降维，揭示了数据动态演化过程中的时空特征，为高效催化微生物ELM生物反应器的设计提供了关键参数。

1 引言

工程化活体材料（ELM）是一类具有显著应用潜力的新型功能材料，能够将新兴生物经济的可持续产出与实际应用相结合。本研究聚焦于OPC污染治理这一全球性环境挑战，开发了完全3D打印的流动生物反应器。OPC作为乙酰胆碱酯酶抑制剂，其毒性范围从杀虫剂（如对硫磷）到化学战剂（如沙林和VX）。当前去污方法效率低下或对处理表面造成严重损伤，因此亟需开发绿色、可现场制造的去污技术。

2 结果

2.1 自支撑多孔ELM的挤出打印

研究开发了一种表面活性剂模板化微孔藻酸盐生物墨水，利用较低临界溶解温度（LCST）相变结合Ca²⁺预交联步骤，实现了高分辨率结构的3D打印。低温扫描电镜（cryoSEM）显示打印结构形成了微孔网络（平均壁间距0.86±0.28μm），并由致密藻酸盐材料相增强。4-硝基苯酚扩散实验表明，表面活性剂模板化使有效扩散率提高了近一倍。

2.2 可诱导代谢活性大肠杆菌的封装

研究证实了生物墨水对大肠杆菌的优异生物相容性，打印交联后活细胞占比达94.1%-96.2%。通过添加L-阿拉伯糖或IPTG可分别诱导sfGFP或mCherry表达，表明小分子能有效通过生物墨水扩散，且封装细菌保持代谢活性。有趣的是，在培养条件下，含大肠杆菌结构的平均孔径和直径变异度（2.3±2.1μm）显著大于细胞游离凝胶（0.9±0.3μm）。

2.3 静态OPC水解动力学分析

研究构建了可诱导表达arPTE的ELM，用于催化OPC类似物对氧磷水解为黄色4-硝基苯酚（pH 8缓冲时）和二乙基磷酸酯。结果显示初始对氧磷降解速率随细胞负载密度增加而提高，最高达0.277±0.05 μM s^-1（OD 12负载）。体积比表面积与降解速率的线性关系证实了ELM内的传质限制。米氏分析显示ELM的K_m（0.18 mM）显著高于水相arPTE（0.05 mM）。

2.4 3D打印连续流反应器应用

研究将ELM与立体光刻（SLA）3D打印结合，构建了连续流反应器系统。在0.25 mL min^-1流速下实现了62.5%的连续转化效率。反应器性能与流速呈倒数关系（k=30.87% mL min^-1，C_max=100%），表明系统以恒定的绝对转化速率运行。

2.5 ELM内的反应和扩散过程

通过构建sfGFP-arPTE融合蛋白，研究监测了溶液-ELM界面的酶分布。时空PCA分析显示，超过90%的方差可由第一主成分解释。PC₁的空间模式显示最大相对方差发生在ELM表面下方，其时间系数（α₁）在底物添加后≈150s出现行为反转。这些结果为反应器优化提供了关键设计参数（如凝胶壁深度或底物停留时间）。

3 结论

本研究通过3D生物打印技术，将高生物相容性多孔生物材料与基因工程微生物催化剂结合，创建了能够稳健连续降解OPC的可制备活体微反应器。PCA分析揭示了反应扩散过程的时空特征，为未来催化ELM的评估提供了方法论框架。该技术的模块化设计和现场制造特性，为解决当代生物修复中最紧迫的挑战提供了新的可持续解决方案。