核心包埋与菌丝表面负载相结合：基于聚多巴胺改性复合菌丝球构建固定化生物反应器以同步去除硝酸盐和铜

《Bioresource Technology》：Combination of core embedding and mycelial surface loading: Construction of an immobilized bioreactor based on polydopamine-modified composite mycelial pellets for simultaneous nitrate and copper removal

　　• 开发了一种PDA修饰真菌菌丝体的核-壳结构生物载体。• 水凝胶包埋细菌，作为生物载体的内核。• 真菌菌丝体为细菌固定化提供三维支架。• PDA有利于浮游细菌附着并增强界面氧化还原活性。• 通过表面络合和沉淀作用去除Cu(II)。引言水产养殖的扩张大幅增加了含硝酸盐（NO??-N）和铜（Cu(II)）废水的规模排放，已成为亟待关注的紧迫环境问题（Gill et al., 2025）。NO??-N作为一种常见的氮污染物，可导致水体富营养化并威胁饮用水安全（Sun et al., 2022a）；Cu(II)则会造成环境污染，对植物、动物和人体健康产生不利影响（Rehman et al., 2019）。由于NO??-N的去除主要依赖微生物反硝化作用，而Cu(II)主要通过吸附、络合等非降解过程去除，两者的去除机制存在显著差异。此外，重金属胁迫会抑制微生物反硝化作用，使得在常规系统中同步去除NO??-N和Cu(II)面临挑战（Sun et al., 2022a）。与传统物理和化学处理技术相比，生物技术因其低成本和环境友好性在废水处理领域受到广泛关注。真菌-细菌复合系统因其协同作用机制而展现出巨大潜力：真菌菌丝球可为细菌提供稳定的附着和生长支架，从而增强其活性和稳定性。此外，菌丝球发达的三维网络结构增加了孔隙率和比表面积，加上其丰富的表面官能团，可为污染物提供大量吸附和络合位点（Wang et al., 2025a）；细菌主要负责NO??-N的生物转化，并可通过代谢活动改变化学环境，参与Cu(II)的固定和去除（Liu et al., 2026）。然而，真菌菌丝球作为生物载体，其结构稳定性有限，在长期运行过程中易破碎，导致微生物流失，这是该系统在实际应用中面临的主要瓶颈之一（Wang et al., 2025a）。针对上述局限性，本研究引入水凝胶作为核心材料。水凝胶因其优异的传质性能和包埋能力，被广泛应用于微生物固定化领域（Wang et al., 2025b）。通过将细菌包埋在水凝胶中形成内核，再用真菌菌丝体包裹，可构建具有“核-壳”结构的复合生物载体。在此基础上，本研究进一步将海带生物炭（KB）掺入水凝胶中。本研究选用废弃海带作为生物炭的原料。据报道，大型海藻来源的生物炭具有多孔结构，掺入水凝胶核心后可为细菌固定化提供额外的附着位点（Mondal et al., 2024）。然而，该策略仍存在局限性。包埋在水凝胶中的细菌难以与外部污染物充分接触，而从水凝胶中释放的浮游细菌可能缺乏有效的二次固定机制（Mehrotra et al., 2021）。这可能会增加细菌流失的风险，并降低反应器内功能性微生物的滞留量。作为一种仿生聚合物基质，聚多巴胺（PDA）因其优异的粘附性、生物相容性和氧化还原活性，在生物材料表面修饰领域引起了广泛关注（Shlapakova et al., 2026）。一方面，其丰富的活性基团（如邻苯二酚基和氨基）可改善载体表面的粗糙度和粘附性能，从而对从水凝胶中释放的浮游细菌进行二次固定（Colson et al., 2026）。同时，这些活性基团可与多种金属离子形成共价和非共价相互作用，从而增强污染物去除能力（Shlapakova et al., 2026）。另一方面，PDA可提供大量氧化还原活性位点，可能参与界面氧化还原过程（Jia et al., 2023）。本研究尝试在真菌菌丝体表面原位合成PDA，形成PDA涂层。PDA中的官能团可与菌丝体表面的官能团相互作用，增强涂层的结合稳定性（Ding et al., 2019）。本研究开发了一种固定化细菌的复合生物载体，以水凝胶、KB和真菌菌丝体为结构支架并进行PDA改性，用于同步去除废水中的NO??-N和Cu(II)。该系统旨在解决真菌-细菌复合系统同步去除污染物的关键挑战，为建立高效稳定的真菌-细菌复合废水处理系统提供参考。菌株与培养条件本研究选用真菌菌株链格孢属（Alternaria）sp. YNX和细菌菌株施氏假单胞菌属（Stutzerimonas）sp. YX13构建生物反应器（Wang et al., 2026, Wang et al., 2025c）。培养基的具体组成见补充材料。海带生物炭的制备废弃海带采自中国山东省威海市。将其切成小块，用去离子水充分冲洗，然后在60 °C下烘干48小时。完全干燥后，将海带粉碎。水力停留时间的影响在阶段1.1–1.3期间，在保持C/N比和pH恒定的条件下延长水力停留时间（HRT）。随着HRT从2小时延长至6小时，四个反应器的NO??-N出水浓度均下降（图1a）。R1、R2、R3和R4的平均NO??-N去除率（NRE）分别从72.17%、44.71%、40.09%和27.68%提高至98.17%、71.45%、54.66%和46.76%（图1b）。这表明延长HRT增加了底物与微生物之间的反应时间。结论本研究构建了基于PH-BF的固定化生物反应器。结果表明，该复合生物载体通过水凝胶核心包埋、外源菌丝体表面负载和PDA改性的协同作用，实现了细菌的双重固定并增强了界面氧化还原活性，从而促进了电子传递和污染物去除。在最优条件下（HRT = 6小时，C/N = 5，pH = 7），NO??-N和Cu(II)的最大去除率分别达到99.64%。CRediT作者贡献声明Yao Yao：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、调查研究。Xue Li：监督、方法学、概念化。Junfeng Su：监督、方法学、概念化。Yu Wang：可视化、验证、调查研究。Yihan Bai：软件、数据管理。Xuan Li：验证、软件。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的、可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究工作部分受到国家自然科学基金（NSFC: No. 52270167和No. 52400013）、陕西省重点科技创新团队（2023-CX-TD-32）和陕西省杰出青年科学基金项目（No. 2025JC-JCQN-019）的资助。作者感谢测试实验室（www.shiyanjia.com）进行XRD测试。作者感谢西安仪器分析中心的Xinwei Zhang和Fang Song。Yao Yao|Xue Li|Junfeng Su|Yu Wang|Yihan Bai|Xuan Li