导读：

近期，山东科技大学安全与环境工程学院聂文教授团队通过微生物包埋技术，制备出一种海藻酸钠封装抑尘水凝胶微粒。该微粒解决了传统液态微生物抑尘剂存储和应用不便的难题，通过一系列作用机制显著提升煤尘固结效果，有效抑制粉尘扩散。相关研究以“A hydrogel microparticle based on alginate encapsulation for microbial dust suppression: Enhancing control of dust-suppressing bacteria and coal dust consolidation”为题目，发表在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》上。

本文要点：

1、针对露天煤矿液态微生物抑尘剂储存与应用不便的问题，本研究采用微生物包埋技术，制备了直径约2.57 mm的海藻酸钠封装抑尘水凝胶微粒。

2、该微球具有良好的抗断裂力（0.724 N）和弹性（0.516 mm），显著改善了抑尘剂的储存、运输和应用性能。

3、实验表明，微球内包封的巴氏芽孢杆菌保持活性，能有效诱导方解石型碳酸钙（CaCO₃）成核与生长，其矿化产物比液态培养物具有更高的热稳定性和残炭量。抑尘实验证实微球显著提升了煤尘固结效果。

4、机制研究发现，水凝胶通过范德华力附着煤尘，其羟基与尿素分子形成氢键促进尿素聚集；同时，海藻酸钠的羧酸盐基团吸附钙离子作为碳酸钙成核位点。

5、持续生长的碳酸钙将水凝胶微球与煤尘固结形成矿化层，有效抑制粉尘扩散。该研究为露天煤矿粉尘控制提供了一种简单、低成本且高效的固态微生物抑尘剂新方法。

海藻酸钠封装抑尘水凝胶微粒的制备过程可分为细菌培养与收集、海藻酸钠凝胶混合液制备、微粒成型与固化及后续处理四个关键步骤，具体如下：

1、细菌培养与收集

• 菌种活化与培养：将4℃保存的巴氏芽孢杆菌（BNCC337394）以1%接种量接入液态培养基（含20g/L酵母提取物、10g/L尿素，pH调至8），在30℃、120rpm摇床中培养24小时，至菌液OD600值达67、脲酶活性为22.22 U。

• 菌体分离纯化：使用高速冷冻离心机，在4℃、5500rpm条件下离心10分钟，收集菌体沉淀；用9%生理盐水洗涤沉淀3次，去除残留培养基，获得湿菌体，于4℃保存备用。

2、含菌海藻酸钠凝胶溶液制备

• 基础凝胶溶液配置：制备3%海藻酸钠与7%海藻糖（细胞保护剂）的混合溶液，进行灭菌处理（如高压蒸汽灭菌），确保无菌环境。

• 菌体与凝胶混合：按湿菌体与凝胶溶液18:2的质量比，将湿菌体加入灭菌后的凝胶溶液中，搅拌30分钟，使菌体均匀分散，形成含菌海藻酸钠凝胶。

3、水凝胶微粒成型与固化

• 滴注成球：将含菌海藻酸钠凝胶注入注射器，控制滴速使其均匀滴入2%氯化钙（CaCl₂）溶液中，通过Ca²⁺与海藻酸钠的离子交联反应，形成球形微粒。

• 固化定型：将形成的微粒在4℃冰箱中静置3小时，完成固化，使微粒结构稳定。

4、微粒洗涤与存储

• 洗涤处理：用9%氯化钠溶液洗涤微粒3次，去除表面残留的CaCl₂；室温下用无菌滤纸吸干微粒表面水分。

• 存储：将洗净的微粒密封于离心管中，4℃保存；若需长期保存或用于特定分析，可先在-80℃超低温冰箱预冻，再用冷冻干燥机在-60℃下冻干24小时，获得冻干微粒。

通过以上步骤，最终制得直径约2.57mm的海藻酸钠封装抑尘水凝胶微粒，其力学性能与菌体活性可满足后续抑尘应用需求。

图1.海藻酸钠水凝胶细菌微粒的制备与表征：（a）制备流程，（b）质地与表面形态

图2.海藻酸钠水凝胶细菌微粒的傅里叶变换红外光谱：矿化前后化学键的变化

图3.冻干水凝胶微粒及水凝胶微粒与细菌培养液矿化产物的X射线衍射图谱

图4.矿化过程的扫描电镜图像：（a-b）细菌矿化前后的水凝胶微粒；（c-d）矿化水凝胶微粒的细节图；（e-f）细菌培养液的矿化情况及细节图

图5.矿化产物的热重-微分热重曲线：海藻酸钠水凝胶细菌微粒与细菌培养液

图6.煤尘固结的多尺度分析：宏观效果、微观结构形态及表面元素分布

图7.煤样的X射线光电子能谱分析：原煤粉尘及经水凝胶微粒与细菌培养液矿化固结的煤尘

图8.分子模型分析：（a）磷脂分子与海藻酸钙分子的静电势分布；（b）海藻酸钙分子与煤或尿素分子的弱相互作用

图9.海藻酸钠水凝胶细菌微粒矿化抑尘机理

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142444