研究簡介:細菌纖維素因其優異的機械性能、生物相容性和可持續性而備受關注，但其傳統靜態生產方式嚴重依賴于氣液界面處的氧氣擴散，導致只能形成二維的薄層薄膜（pellicle），無法實現大體積、復雜幾何形狀的均勻生產。針對這一限制，本研究受自然共生關系啟發，設計了一種人工共生體系：將產纖維素細菌（Komagataeibacter hansenii）與光合微藻（Chlamydomonas reinhardtii）進行共培養。在此體系中，可運動的微藻作為培養基中分布式的、移動的“制氧機”，為細菌在全液體體積內合成纖維素提供必需的氧氣，這一點已通過Unisense微電極的溶解氧剖面測量證實，從而突破了氣液界面的空間限制。然而簡單的共培養在靜態條件下會因微藻快速沉降而失效。本研究的關鍵技術突破在于，向培養基中引入了低濃度（0.03 w/v%）的細菌纖維素納米晶體（B-CNCs）。這些帶負電的納米顆粒能有效阻止微藻細胞沉降，使其長期均勻懸浮于培養液中，確保了氧氣源的均勻分布。同時初步形成的纖維素網絡也為高密度的藻-菌群落提供了多孔且堅固的支架，最終形成厚度可達數厘米的生物復合材料。研究證明，通過構建一種基于細菌纖維素納米晶體穩定的細菌-微藻人工共生系統，能夠以極其簡易的靜態培養方式，低成本、大規模地生產出兼具高細胞活性、復雜三維結構及卓越力學性能的細菌纖維素基生物復合材料。該方法為可持續工程活性材料、生物反應器、組織工程等領域的應用提供了一種全新的、有廣闊前景的材料制備平臺。

丹麥Unisense微電極分析系統的應用

Unisense微電極在本研究中主要用于直接測量靜態培養體系中的溶解氧濃度剖面，是驗證人工共生系統核心機制的關鍵實驗工具。為了證實共培養體系中微藻（C. reinhardtii）能作為培養基內部的分布式氧氣源，使用了Unisense微電極對培養液不同深度的溶解氧濃度進行了直接測量。測量數據直接證實，與單獨培養產纖維素細菌（K. hansenii）相比，引入微藻的共培養體系能在更深的培養液深度維持顯著更高的溶解氧濃度。

實驗結論

本研究成功證明通過構建一種基于細菌-微藻的人工共生系統，并結合細菌纖維素納米晶體（B-CNCs）的穩定化作用，能夠實現大體積、具有復雜三維幾何形狀的細菌纖維素（BC）基生物復合材料的簡易制備。通過將產纖維素細菌與光合微藻進行靜態共培養，并利用B-CNCs（或植物源CNCs）穩定懸浮微藻細胞，成功克服了傳統BC生產中氧氣擴散的限制。微藻作為培養基內部的分布式氧氣源，使BC的合成能夠突破氣液界面，在整個培養體積內進行。通過對配方（B-CNCs添加量0.03 w/v%、TAP培養基體積比40 v/v%、NaOH含量0.03 w/v%）的優化，獲得的生物復合材料同時實現了高細胞活性（約83%） 和在氣液界面之外的大體積纖維素網絡生產。該方法為可持續、低成本地制造工程活體材料、光生物反應器組件、組織工程支架等提供了新途徑。此外，該共培養平臺可作為通用策略，通過向培養液中直接添加氧化石墨烯、生物玻璃等功能性組分，來生物合成各種纖維增強復合生物材料。

圖1、通過細菌（K. hansenii）和微藻（C. reinhardtii）共培養，生成基于 BC 的生物復合材料。（a）示意圖，展示（i）細菌單一培養，（ii）微藻單一培養，以及在無纖維素納米晶體 （CNC）的情況下，細菌纖維素（BC）生產僅限于空氣-液體界面和微藻沉積物，且靜止條件下進行。（b） 基于 BC 的生物復合材料制造策略示意：在 CNC 存在下靜態培養共培養，實現了在培養容器內分布式的氧合和 BC 體積增長。（c） 基于不同形狀的 BC 生物復合材料通過在對應幾何形狀的容器中培養共培養物獲得：（i） 在垂直方向的 T75 培養瓶中生產的厚塊生物復合材料;（ii）在含有共培養懸浮液的透氣硅膠管內形成的絲狀生物復合材料;（iii） 在水平放置的 T175 培養瓶中形成二維片;（iv）在 50 毫升錐形管內形成的錐形生物復合材料。（比例桿=1 厘米）。（d）代表性光學顯微圖像，用于 BC 基生物復合材料的橫截面，代表微藻細胞成功融入 BC 分層結構。（比例桿 = （i） 25 微米;（ii） 10 微米）。