Microalgae-based biorefineries for sustainable resource recovery from wastewater

原文信息

英文题目：

中文题目：

基于微藻生物炼制的可持续性污水资源回收技术

作者：

Rahul Kumar Goswami, Sanjeet Mehariya, Roberto Lavecchia, Antonio Zuorro

通讯作者：

Pradeep Verma

第一单位：

拉贾斯坦邦中央大学，印度

关键词：

Wastewater(污水); Microalgae(微藻); Resource recovery(资源回收); Bioenergy(生物能); Nanoparticles(纳米颗粒); Circular economy(循环经济)

发表时间：2021年

被引频次：据Web of science 分析检索结果显示，截至2023年6月20日该文章被引频次为117次。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214714420306243

文章简介

全世界工业、市政及农业等用水途径每年约产生380万亿升废水。不同来源的废水往往含有大量的营养物质如碳、氮及磷。通过适当的可持续性措施回收这类营养素是非常必要的。在诸多回收方式中，基于微藻的回收方式引起了广泛关注，其低成本的可持续性处理策略可去除污水中70%以上的营养物负荷。将添加生物分子后的微藻投加至处理出水，可用于生物能制备及纳米颗粒合成等工艺。目前，较高的运行成本是制约微藻生物炼制技术最主要的限制因素。因此本篇综述的主要目的是为污水处理和资源回收提供低成本微藻生物炼制技术的潜在应用前景。此外，还提供了循环经济理念下微藻生物质应用于生物能制备及纳米颗粒合成的可行性。最后提供了面向不同产业污水微藻处理的近况。

文章主要内容

微藻污水处理的生物化学机理

污水所含的营养物负荷较高，包括碳(有机\无机碳)，氮(硝氮、亚硝氮和氨氮)，磷(多磷酸盐、正磷酸盐)，微量营养素和重金属。微藻污水处理包括通过不同的生物化学机理直接消耗污染物及营养物，包括固化、吸收、沉降和生物吸附累积等技术。细菌-微藻共生也有助于聚合化合物的同化，简要机理说明见图1。微藻通过异养或混合营养模式吸收污水中的无机碳和有机碳，调节代谢进行诸如碳水化合物和脂质等生物分子的合成。此外，微藻通过光合作用和碳浓缩机理吸收无机碳(碳酸氢根离子)和CO₂。碳养分同化和生物分子形成等生化反应过程如式1a至1d。

1a式：在碳酸酐酶作用下的碳酸氢盐离子利用

1b式：通过光合作用固定CO₂，以及碳水化合物的形成

1c式：利用葡萄糖形成丙酮酸盐和乙酰辅酶A

1d式：形成脂肪酸

污水中有机磷或无机磷的赋存形式取决于排水源头。微藻细胞的细胞壁含有磷酸结合基团，能吸收各种形态的无机磷。此外，污水中的碳酸盐和镁离子促进了磷酸钙和磷酸镁沉淀(在pH为8.5的碱性条件下)。在微藻细胞中多磷酸盐被转化为正磷酸盐，被用于调节产生ATP，核酸和磷脂质等物质的代谢途径(生物化学反应如式2所示)。磷的吸收取决于细胞需求以及环境条件。同时，额外的磷被储存在类染色体颗粒中以备将来调节代谢途径使用。

(2)式：从废水中吸收多磷酸盐，单氢和二氢形成ATP，核酸和磷脂。

无机氮通过硝氮，亚硝氮和氨氮的连续还原过程转移到微藻细胞的质膜中。氨氮参与氨基酸的合成并转化为蛋白质。总体生化反应如下式3a和3b所示。

(3a)式：吸收污水中的氮素至微藻质膜

(3b)式：氨基酸合成

废水中含有不同浓度的多种重金属(铅、铜、镉、锌、镍)，取决于废水来源。微藻主要通过生物吸附机制对重金属进行吸收，并将其生物积累到不同的细胞室中，调节其代谢。此外，微藻细胞含有不同类型的结合基团(COO−、OH -、RO−、NO₃⁻、PO₄ ^3-)，这些结合基团有助于结合重金属或影响生物吸附过程。在最佳浓度下，重金属被微藻吸附并运输到与金属硫蛋白结合的细胞液泡中，从而避免了生长抑制活性。然而，高浓度重金属(特别是Cd、Pb)通过破坏细胞蛋白质，取代必需元素，破坏藻类细胞，对藻类生长具有抑制作用。另一机制是微藻菌群。微藻可以通过呼吸产生氧气，可供好氧细菌消耗，氧化并将废水中的聚合营养负荷转化为简单的污染物。同时，细菌产生二氧化碳，微藻利用二氧化碳生产生物量。废水养分吸收的不同生化机制如图1所示。

图1. 污水中不同养分负荷消耗以及微藻细胞中生物分子产生的生化机制简介

用于污水处理和资源回收的微藻生物炼制

利用废水培养微藻具有以下几个优势:(1)降低了营养物成本;(2)去除了废水中的污染物。几种微藻，如Chlorella sp., Scenedesmus sp., Tetraselmis sp., C. sorokiniana, Nannochloropsis sp., C. pyrenoidosa 被用于生物修复，它们的生物质被用于生产不同的生物能源产品。微藻菌株的选择取决于其生长阶段的生物修复效率。所选择的微藻可以减少污水中的养分，通过吸收可利用的养分进行生物量增长。对于收获的生物质，可回收其生物分子产物用于生物能源生产。微藻生物炼制的废水处理和资源回收工艺如式4a和4b所示。

*感谢西安建筑科技大学环境与市政工程学院张璐博士撰写本文的中文导读。