钙藻酸盐水凝胶胶囊通过调节细菌与多糖之间的相互作用，在酸性水环境中促进了硫酸盐的还原过程

《Carbohydrate Polymers》：Bacteria–polysaccharide interfacial regulation by calcium alginate hydrogel capsules supports sulfate reduction in acidic water

　　

摘要

海藻酸钙水凝胶被广泛用于微生物封装，但其在酸性硫酸盐条件下调节细菌-多糖界面的作用仍不清楚。本研究中，使用海藻酸钙水凝胶胶囊（SAC）封装了一种功能性的硫酸盐还原菌群，并评估了其在含硫酸盐酸性水中的性能。在pH 4时，SAC保持的活细胞密度是自由细胞的147-185倍，并且在第7天和第14天的硫酸盐去除率分别为19.9%和21.3%，而自由细胞的硫酸盐去除率仅为3.7%和10.0%。失活的SAC的硫酸盐去除率较低（5.5%-5.9%），表明活性细胞在其中起到了重要作用。海藻酸钙网络保持了多孔结构，并表现出增强的流变抗性，在7天的酸性胁迫后剪切应力从152.98 Pa增加到了548.1 Pa。细胞外聚合物物质（EPS）分析显示其发生了成分重构而非积累增加，而电化学OCP松弛实验表明其表观衰减时间常数从自由细胞的1.167 s减少到了SAC的0.508 s，表明界面化学状态的恢复速度更快。这些发现表明，海藻酸钙胶囊通过保持细胞存活、增强基质稳定性、改变EPS界面以及调节质子转移过程来提高对酸的耐受性，为在含硫酸盐的酸性废水中维持微生物功能提供了一种基于多糖的策略。

引言

富含硫酸盐的酸性废水，包括酸性矿井排水和来自冶金或化工操作的酸性废水，由于其高离子强度、强腐蚀性和长期生态风险而引起了相当大的关注，这仍然是可持续污染控制的一个持久性挑战（Xia等人，2023年；Zhao等人，2024年）。生物硫酸盐还原过程被认为是一种潜在的可持续且成本效益高的策略，因为与传统的物理化学处理方法相比，它们可以减少化学物质的消耗和二次污染（Ren等人，2025年；Wu等人，2021年）。微生物硫酸盐还原过程将SO?2?转化为还原形式的硫，同时产生碱性，为同时缓解硫酸盐积累和酸性提供了生化基础（Muyzer & Stams，2008年；Shu等人，2025年）。因此，硫酸盐还原生物工艺受到了越来越多的关注，研究重点集中在反应器配置、功能材料和放大应用上（Ren等人，2020年；Jiao等人，2023年；Zhang等人，2023年）。

然而，在酸性条件下维持硫酸盐还原活性仍然具有挑战性。大多数硫酸盐还原生物工艺在中性（pH 6-8）或弱酸性（pH 5-6）条件下表现良好，而在pH ≤ 5的条件下，硫酸盐还原菌的活性会显著下降（Bijmans等人，2009年；Zhao等人，2017年；Zhou等人，2022年）。尽管已经从酸性沉积物和受采矿影响的环境中分离出了耐酸或耐酸的硫酸盐还原菌，如Desulfosporosinus，但在强酸性条件下它们的数量和活性通常受到限制（Frederico等人，2022年；Licona等人，2025年；Sánchez-Andrea等人，2015年）。从机制上看，低pH值会对细胞产生强烈的质子负荷。例如，在pH 4时，质子浓度是pH 7时的103倍，这增加了维持细胞内pH稳态的能量成本，削弱了质子驱动力的调节，并破坏了细胞代谢和结构（Koschorreck，2008年；Shaji等人，2025年）。因此，开发能够在低pH值下保持细胞存活和硫酸盐去除功能的策略对于推进富含硫酸盐的酸性废水的生物处理至关重要。

细胞固定化已被广泛用于提高微生物对恶劣环境的耐受性。在益生菌系统中，固定化可以保护细胞免受低胃酸、胆盐和氧化应激的影响（Dong等人，2013年；Zubair等人，2023年）。在环境生物技术中，固定的微生物也被用于从废水中去除难降解有机物、营养物质和重金属离子（Bouabidi等人，2019年；Castro & Ballesteros，2020年；Hou等人，2024年）。在各种固定化基质中，海藻酸钙水凝胶特别有吸引力，因为它们具有高水含量、生物相容性、离子交联性和多孔性，能够在物理上限制细胞的同时保持底物和产物的扩散（Feng等人，2025年；Sun等人，2012年）。最近的研究进一步表明，基于海藻酸的水凝胶结构可以通过整合细胞保留、物质传输、多孔性、机械稳定性和空间限制来提供类似生物膜或EPS的微生物栖息地（Jeong & Irudayaraj，2023年；Wang等人，2024年）。海藻酸的羧基团和Ca2?交联结构使网络能够通过质子化、离子相互作用的重分布和链重组来响应pH变化（Tang等人，2020年；Yue & Zhang，2022年）。这些特性表明，海藻酸钙可能不仅仅是一个被动载体：它可能作为一个能够调节细胞附近微环境的酸响应性细菌-多糖界面。

现有的海藻酸钙封装研究主要集中在微生物保护、益生菌递送或污染物去除性能上。然而，在含硫酸盐的酸性条件下微生物保护的碳水化合物-聚合物基础仍然不够明确。特别是，海藻酸钙多糖网络如何促进细胞保留、基质稳定、细胞外聚合物物质（EPS）相关的界面重构以及酸胁迫期间的质子转移相关界面松弛仍然不清楚。Tang等人（2021年）报告称，基于水凝胶的封装使大肠杆菌能够在pH 4的水中保持细胞间通讯和金属感应能力，而自由细胞则无法实现，这表明基于水凝胶的微观环境控制可以扩展到对酸敏感的环境功能微生物。尽管如此，这种策略是否能在酸性条件下保持硫酸盐还原功能以及细菌-多糖界面是如何参与其中的仍不清楚。

在这里，我们假设海藻酸钙水凝胶胶囊通过保持生物量、维持耐酸的多糖网络、重塑与EPS相关的细胞外界面以及改变与质子转移相关的界面松弛来保护硫酸盐还原功能菌。为了验证这一假设，我们将从酸性矿井排水沉积物中富集的硫酸盐还原菌群封装在海藻酸钙胶囊中，并评估其在pH 4条件下的性能。通过整合封装效率、活细胞保留、细胞释放、硫酸盐去除率、胶囊结构和机械稳定性、FTIR、EPS以及界面电化学分析等多方面的证据，将海藻酸钙网络与微生物的持续性和功能维持联系起来。本研究阐明了海藻酸钙作为酸性条件下细菌-多糖界面的作用，并为在含硫酸盐的酸性环境中的水凝胶辅助微生物过程提供了设计指导。

章节片段

材料

从Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.购买了化学纯度的海藻酸钠（SA，CAS：9005-38-3，在10 g/L和20°C下的粘度为20 mPa·s，M/G比约为1）。SA的表观分子量分布通过凝胶渗透色谱/尺寸排阻色谱（GPC/SEC；1260 Infinity II，Agilent Technologies，美国）确定，详细方法见补充材料（文本S1和图S1）。表观数均分子量（Mn）为

海藻酸钙细菌胶囊的封装效率

细菌胶囊是在厌氧腔工作站（Yuejin YQX-II，中国）制备的（图1a）。所得到的基于水凝胶的胶囊均匀呈球形且透明，表面光滑（图1b）。它们的平均直径和平均质量分别为2.01毫米和每胶囊6.5毫克。高达92.1%的水分含量表明海藻酸钙基质能够维持有利于细菌存活的富水微环境（图1b）。

封装效率

讨论

本研究探讨了如何在酸性条件下维持硫酸盐还原菌群的活性，因为在酸性条件下，自由细胞会因质子胁迫而迅速失去活性。海藻酸钙封装创造了一个富含水分的多糖微环境，有助于维持生物量并在pH 4时保持早期的功能稳定性。封装效率（77.9%）位于基于水凝胶系统的典型范围内（Vaziri等人，2018年），并且细胞释放量很低（<7%）。

结论

使用海藻酸钙胶囊（SAC）封装了一种硫酸盐还原菌群，并评估了其在酸性条件下的性能。SAC的封装效率为77.9%，14天内的细胞释放量小于7%，表明有效保留了生物量。在pH 4时，SAC保持的活细胞密度高于8.55 × 10?个细胞·mL?1，远高于自由细胞。第7天和第14天的硫酸盐去除率分别为19.9%和21.3%，而s-SAC的活性最低。

CRediT作者贡献声明

王宇杰：撰写——原始草稿，可视化，方法学研究，数据分析。 罗芳洲：可视化，方法学研究，数据分析。 杨昭月：方法学研究，数据分析。 刘正华：方法学研究，概念化。 林华超：方法学研究，数据分析。 刘喜宇：可视化，数据分析。 张敏：方法学研究，数据分析。 蒋国平：资源协调，研究支持。 周磊：资源协调，方法学研究。

未引用参考文献

Sun等人，2020年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了以下项目的支持：国家自然科学基金（编号：32571879），国家重点研发计划（编号：2023YFE0114500），国家自然科学基金（编号：42477134），湖南省研究生科学研究创新项目（编号：2025ZZTS0068），湖南省教育厅科学研究项目（编号：25B0015），湖南省科技创新计划（编号：2025RC1010）。

王宇杰 | 罗芳洲 | 杨昭月 | 刘正华 | 林华超 | 刘喜宇 | 张敏 | 蒋国平 | 周磊 | 徐乐昌 | 孟德隆 | 严青云 | 尹华群

中南大学矿物加工与生物工程学院，长沙，410083，中国