从好氧颗粒污泥中回收的胞外聚合物作为生物基水凝胶在植物栽培系统中的应用

《Journal of Environmental Management》：Application of extracellular polymeric substances recovered from aerobic granular sludge as bio-based hydrogels for plant cultivation systems

　　

废水处理厂产生大量剩余污泥，其管理代表环境和经济挑战，激励资源回收策略，符合欧盟指令2024/3019。其中，胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的提取使得将污泥衍生的生物聚合物转化为可持续水凝胶材料成为可能。然而，结构胞外聚合物（structural extracellular polymeric substances, sEPS）对营养可利用性和植物表现的影响仍知之甚少。本研究研究人员研究了从好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）衍生的sEPS作为水凝胶基质用于体外幼苗栽培。水芹（Lepidium sativum L.）在含有0、1、2和4 g TS_sEPS L^-1 sEPS的基质中生长，作为独立水凝胶（sEPS-CM）或与Murashige和Skoog培养基结合，有或无蔗糖（MS+sEPS-CM；MS+sEPS+S-CM）。评估了营养可利用性、Ca/N化学计量比和植物响应。在MS基系统中，增加sEPS浓度降低了生物可利用的Ca²⁺和无机氮，诱导了Ca/N化学计量比的转变。发芽未受影响。在独立水凝胶中，最佳响应在1 g TS_sEPS L^-1观察到，最大芽和根生长及活力，而4 g TS_sEPS L^-1显示抑制效应。富营养系统，随着sEPS浓度增加，减少了干生物量、色素、可溶性糖和光合性能，最强负面效应在4 g TS_sEPS L^-1。MS+sEPS+S系统显示最高性能，突出了碳可利用性的作用。总之，sEPS作为结构基质和营养可利用性的调节器。中等浓度（~1 g TS_sEPS L^-1）与植物发育兼容，而高水平诱导营养限制，突出了作为可持续栽培系统生物基基质的潜力。

废水处理厂（WWTPs）在生物处理过程中产生大量剩余污泥，其管理是水行业面临的主要环境和经济挑战，占运营成本的显著份额。在循环生物经济战略背景下，欧盟城镇废水处理新指令（Directive 2024/3019, 2024）推动资源回收方法，将废水衍生残渣转化为有价值的二次原材料。其中，从废污泥中提取胞外聚合物（EPS）是最有前景的增值途径之一。EPS是主要由多糖、蛋白质、脂质和腐殖质类物质组成的复杂生物聚合物，具有高密度官能团，能与水和溶解离子相互作用（Felz et al., 2019; Seviour et al., 2019）。因其理化性质，EPS作为可持续生物基材料在环境工程、生物技术和农业中受到日益关注。特别相关的是来源于好氧颗粒污泥（AGS）的EPS。AGS技术已成为传统活性污泥系统的高效替代方案（Pronk et al., 2015）。颗粒污泥由高沉降速度和多层结构的致密微生物聚集体组成，可同时去除有机碳、氮和磷（Campo et al., 2020）。AGS废料通过简单排水可达约11%重量固体浓度，使其成为回收和增值策略的宝贵原料（Campo et al., 2022; Pagliaccia et al., 2024）。在AGS系统中，微生物产生大量高度水合的EPS，形成水凝胶样基质嵌入微生物细胞（Felz et al., 2016）。其中，结构胞外聚合物（sEPS）是能形成三维水凝胶网络的特异性组分，有助于颗粒污泥的机械稳定性（Felz et al., 2016）。这些聚合物可通过物理化学方法提取，随后在纺织、纸张涂层（Feng et al., 2024; Lin et al., 2015）、水泥添加剂（Karakas et al., 2020）、生物絮凝剂（Amin Vieira da Costa et al., 2022）和金属吸附材料（Li et al., 2017）等应用中增值。此外，AGS衍生的sEPS因其高水结合能力、溶胀特性及羧基、羟基等官能团，可与水环境中的溶解离子和营养物相互作用（Felz et al., 2016; Seviour et al., 2019），有望作为生物基水凝胶材料用于环境与农业系统。已有专利sEPS衍生生物产品Kaumera?作为土壤改良剂进行测试（Kaumera, 2026; Miranda et al., 2025）。植物栽培系统是EPS衍生水凝胶的潜在应用领域，尤其在保护地栽培和植物繁殖中，水凝胶基质能调控水分和营养可利用性。传统植物组织培养常使用Murashige和Skoog（MS）培养基结合琼脂或结冷胶等胶凝剂，但主要提供物理支撑（George et al., 2008; Phillips and Garda, 2019）。而基于藻酸盐、纤维素衍生物或合成聚合物的水凝胶被研究用于控释营养（Guilherme et al., 2015），但未从废物流中回收资源。相比之下，AGS衍生的sEPS兼具水凝胶形成特性、高密度离子结合官能团和从废水处理残渣中回收的优势，可同时作为结构基质、营养可利用性调节器和可再生生物基材料。然而，sEPS与营养动态及植物响应的相互作用尚不明确。本研究旨在回答sEPS水凝胶如何影响植物栽培系统中的营养可利用性和Ca/N化学计量比，以及这些变化如何影响种子发芽、幼苗生长和生理性能。研究人员假设，sEPS可通过浓度依赖方式调节营养可利用性，中等浓度支持植物发育，高浓度则因过度离子络合导致营养限制。为验证这一假设，研究人员以水芹（Lepidium sativum L.）为模式物种，评估sEPS作为水凝胶基组分的潜力。具体目标包括：评估sEPS作为独立水凝胶基质的植物毒性或刺激效应；研究sEPS浓度与MS培养基结合时对营养可利用性和Ca/N化学计量比的影响；通过多变量分析探索水凝胶化学性质与植物生理性状的关系。该研究在《Journal of Environmental Management》发表，为sEPS作为可持续生物材料用于受控植物生产系统提供了新见解。

研究人员开展的研究中，sEPS从荷兰乌得勒支市一座全规模好氧颗粒污泥反应器（处理实际市政污水）中提取，采用碱提取（K₂CO₃溶液，pH 11.3，80°C，1 h，400 rpm）后透析（3500 Da分子截留膜）和酸沉淀（pH 2.20±0.05）回收，再悬浮至pH 8.5-9。制备三种培养基：sEPS独立水凝胶（sEPS-CM）、MS+sEPS（MS+sEPS-CM）和MS+sEPS+蔗糖（MS+sEPS+S-CM），sEPS浓度分别为0、1、2、4 g TS_sEPS L^-1。所有培养基均添加2 g L^-1 Phytagel作为辅助胶凝剂，sEPS-CM中额外添加CaCl₂·2H₂O（400 mg L^-1）以提供钙离子。通过覆盖-渗滤液收集系统，在凝胶表面添加10 mL无菌1× MS液体培养基，静置1 h后收集渗滤液，经超滤（3 kDa截留）后测定低分子量组分中的生物可利用Ca²⁺（ICP-OES）、NH₄⁺和NO₃^-（分光光度法）。植物培养：水芹种子经表面消毒后播种于培养皿，20°C黑暗培养，于72 h和168 h评估发芽率、根和芽长度、干重、总可溶性糖（蒽酮比色法，以蔗糖当量计）、叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和类胡萝卜素（Car）（分别用N,N-二甲基甲酰胺和丙酮提取，分光光度法），并计算光化学色素指数（PPI = (Chl a+Chl b)/Car）。统计分析包括双因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后检验（p<0.05），以及主成分分析（PCA）和Spearman秩相关。

研究结果分为以下部分：
**3.1 sEPS对离子可利用性和Ca/N化学计量比的影响**：双因素方差分析显示，培养基类型和sEPS浓度均显著影响渗滤液中Ca²⁺、NH₄⁺、NO₃^-、总可利用氮、相对Ca可利用性和电导率（EC）。在sEPS-CM系统中，增加sEPS浓度导致生物可利用Ca²⁺逐渐下降，无机氮物种同步增加，总可利用氮和EC上升。在MS基培养基中，增加sEPS浓度则同时降低Ca²⁺和无机氮，总可利用氮和EC下降。蔗糖的添加对Ca²⁺和无机氮模式无显著影响。在MS基系统中，sEPS浓度增加使Ca/N比从对照的约4.2-4.3%降至4 g TS_sEPS L^-1时的低于1.5%，表明Ca-N平衡发生显著改变。
**3.2 sEPS浓度和培养时间对MS基水凝胶系统中Ca²⁺、无机氮和Ca/N化学计量比的影响**：在MS+sEPS-CM和MS+sEPS+S-CM中，Ca²⁺浓度随sEPS浓度增加而持续下降，且随时间延长进一步降低，高浓度sEPS下Ca²⁺始终处于低水平。NH₄⁺和NO₃^-也表现出类似趋势：随sEPS浓度增加而降低，且随时间下降。Ca/N比在sEPS浓度增加时显著降低，但随时间延长而增加（因氮下降更快），高浓度sEPS下Ca/N比始终受限。培养基类型（含蔗糖与否）对时间动态无显著影响。
**3.3 植物对sEPS基水凝胶的响应**：包括发芽率、幼苗生长、活力指数、生理参数及多变量关系。
**3.3.1 sEPS对发芽率的影响**：在所有处理中，sEPS无论是独立基质还是与MS结合，发芽率均接近100%，72 h后无额外发芽事件，表明sEPS对种子发芽无抑制效应。
**3.3.2 幼苗生长响应**：在sEPS-CM系统中，72 h时1 g TS_sEPS L^-1处理的根长（1.09±0.13 cm）和芽长最长，4 g TS_sEPS L^-1显著抑制。168 h后差异更明显，1 g TS_sEPS L^-1植株芽长（4.86±0.61 cm）和根长（3.32±0.39 cm）最大，高浓度下生长减弱。
**3.3.3 幼苗活力对sEPS浓度的响应**：Munoo-Liisa活力指数（MLV）显示，1和2 g TS_sEPS L^-1在72 h时MLV分别较对照增加约104%和31%，168 h时1 g TS_sEPS L^-1的MLV约为对照的3倍，符合非植物毒性和潜在刺激分类。而4 g TS_sEPS L^-1的MLV在72 h和168 h分别较对照降低约42%和56%，表明抑制效应。
**3.3.4 sEPS对幼苗生长和生理性状的影响**：双因素方差分析显示培养基类型与sEPS浓度对干重有显著交互作用。在sEPS-CM中，干重低且不受sEPS浓度明显影响；在MS基系统中，干重随sEPS浓度增加而逐步下降，顺序为MS+sEPS+S-CM > MS+sEPS-CM > sEPS-CM。总可溶性糖（TSS）浓度受培养基和sEPS浓度显著影响，蔗糖添加的MS+sEPS+S-CM中TSS最高，且随sEPS浓度增加而下降。光合色素（Chl a、Chl b、类胡萝卜素）浓度主要受sEPS浓度影响，在0-1 g TS_sEPS L^-1时稳定，随后显著降低，于4 g TS_sEPS L^-1时最低。PPI在0-1 g TS_sEPS L^-1时最高，高浓度下降，且蔗糖添加的MS系统PPI最高。
**3.3.5 水凝胶化学与幼苗性能的多变量关系**：主成分分析（PCA）前两个主成分解释78.3%方差，PC1（66.6%）呈现sEPS浓度梯度，低浓度（0-1 g TS_sEPS L^-1）位于负侧，对应高营养可利用性、高生物量、高色素和糖含量；高浓度（4 g TS_sEPS L^-1）位于正侧，对应参数降低。Spearman相关分析显示Ca、NH₄⁺、NO₃^-、Ca/N比间强正相关，干重与营养变量正相关，光合色素间强正相关，且与干重、糖和PPI正相关，表明营养可利用性是驱动植物生理性能的主要因素。

在讨论部分，研究人员指出sEPS的作用取决于浓度和栽培系统。独立水凝胶中，1 g TS_sEPS L^-1促进生长，可能通过改善水保持和营养缓释；高浓度（4 g TS_sEPS L^-1）抑制生长，主要由于营养限制而非直接植物毒性。在富营养系统中，sEPS通过其离子结合能力（Felz et al., 2016; Pagliaccia et al., 2024）降低Ca²⁺和无机氮的可利用性，导致Ca/N化学计量比失衡，进而影响光合性能和碳代谢。与常规琼脂等惰性胶凝剂不同，sEPS主动改变培养环境的化学条件。其强离子结合能力提示其可作为营养载体，减少营养损失并促进缓释。时间分析显示Ca和氮随时间下降，但高浓度sEPS下Ca始终受限，表明营养限制。发芽未受影响证实sEPS无直接植物毒性。生理参数（色素、糖、PPI）随sEPS浓度增加而下降，但PPI在中等浓度（1 g TS_sEPS L^-1）时最高，表明适度sEPS可维持生理效率。蔗糖的添加进一步增强了PPI，强调了外源碳源的重要性。多变量分析证实营养可利用性是主要驱动因素。从应用角度，中等sEPS浓度可支持早期幼苗发育，而高浓度需避免。sEPS可能符合欧盟肥料产品法规（EU 2019/1009）中聚合物原料类别（CMC 9），但需关注新兴污染物（如抗生素、微塑料）的潜在风险。未来研究应评估长期农艺表现、不同土壤类型中的营养动态、经济环境可持续性，并进行全生命周期评估（LCA）。研究结论部分翻译如下：本研究调查了从好氧颗粒污泥中回收的结构胞外聚合物（sEPS）作为水凝胶基质用于体外幼苗栽培的潜在应用。结果表明，sEPS作为独立基质或与MS培养基结合时，均未对水芹种子发芽产生直接植物毒性效应。增加sEPS浓度逐渐改变了营养可利用性，特别是生物可利用的Ca²⁺和无机氮，导致Ca/N化学计量比和幼苗生理性能的转变。最佳响应在1 g TS_sEPS L^-1时观察到，促进了独立水凝胶中的幼苗发育，提示可能通过改善水保持和营养缓释产生植物刺激效应。相反，最高测试浓度（4 g TS_sEPS L^-1）降低了芽和根生长、生物量积累、光合色素、可溶性糖和光合性能，表明与过度离子络合相关的营养限制效应。总体而言，研究结果证明AGS衍生的sEPS可作为生物基水凝胶基质，能够调节营养可利用性并影响植物发育。在1 g TS_sEPS L^-1时，sEPS基水凝胶代表了有前景的基质，可用于水凝胶栽培系统或水培繁殖平台。从循环生物经济角度，从废水污泥中回收sEPS可能提供可持续策略，减少污泥处置同时生成用于植物栽培的增值生物材料。进一步研究应评估长期农艺表现和在实际栽培条件下的大规模适用性。作者包括Antonio Pescatore、Benedetta Pagliaccia、Tommaso Lotti、Claudio Lubello、Riccardo Campo、Simone Orlandini、Marco Napoli，单位均为佛罗伦萨大学农业、食品、环境与林业系（DAGRI）。