本文献类型为类型a，即单一原创研究论文。以下为该研究的学术报告。
本研究由深圳大学高等研究院海洋微生物工程深圳重点实验室的李晓杰、刘斌、劳永民、万鹏、毛雪梅及陈峰等人完成，通讯作者为陈峰。论文发表于*Chemical Engineering Journal*第408卷，文章编号127252，于2020年10月8日在线发表，DOI为10.1016/j.cej.2020.127252。该研究得到了广东省重点领域研发计划、广东省珠江人才计划和深圳市科技创新计划等项目的资助。
微藻因其生长周期短、不占用耕地和淡水资源等特点，被认为是可持续生物质和生物燃料的重要来源。然而，微藻的收获与脱水环节一直是其工业化生产的瓶颈之一。微藻培养液浓度通常仅为0.5–2.0 g/L，细胞直径也只有2–30 μm，传统方法如重力沉降、过滤、离心、浮选和化学絮凝等，普遍存在能耗高、耗时长、易造成环境污染或生物量污染等问题。近年来，磁泳收获技术因其操作简便、分离快速而受到关注。现有磁分离方法通常需要预先合成四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒，并对其进行表面修饰以增强与微藻细胞的亲和力，步骤繁琐，且收获效率受pH值和盐浓度等环境因素影响较大。本研究旨在开发一种无需预先合成和修饰磁性纳米颗粒、能够在宽pH范围内快速高效收获微藻的新方法。
该研究的核心策略是利用微藻细胞表面的多糖和蛋白质等生物大分子对Fe³⁺的螯合作用，在细胞表面原位形成零价铁纳米颗粒（iron nanoparticles, FeNPs），从而赋予微藻磁性，使其能够在外加磁场作用下实现快速分离。研究以*Chlorella zofingiensis*为主要模式藻种，同时也考察了*Chlorella pyrenoidosa*、Scenedesmus sp.、*Euglena gracilis*、*Haematococcus pluvialis*和*Isochrysis zhanjiangensis*等多种微藻。实验流程主要包括：在微藻培养液中加入六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O），使Fe³⁺富集于细胞表面；随后加入强还原剂硼氢化钠（NaBH₄），将表面结合的Fe³⁺还原为FeNPs；再用钕磁铁（表面磁场强度2500 G）靠近混合液进行1分钟磁分离；最后通过测定上清液在680 nm处的光密度（OD）计算收获效率。研究系统考察了FeCl₃和NaBH₄浓度、pH值等因素对收获效率的影响。FeCl₃浓度梯度为0、0.5、1.0、1.5、2.0、4.0和8.0 mM，NaBH₄浓度梯度为0、0.5、2.0、4.0、8.0、16.0和24.0 mM。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、Zeta电位分析和热重分析（TGA）等手段对微藻–Fe复合物进行了表征。色素提取实验中，采用99.9%甲醇在37 ℃避光条件下反复提取叶绿素和类胡萝卜素，并根据吸光度计算含量。脂肪酸分析采用气相色谱方法进行。微藻生长恢复实验则将收获后的细胞重新接种到新鲜BG11培养基中，每天监测生物量变化。生物量浓度通过OD₆₈₀与细胞干重的线性关系换算得到。
研究结果显示，在恒定NaBH₄浓度为16 mM的条件下，当FeCl₃浓度达到4 mM时，*C. zofingiensis*的收获效率在1分钟磁分离后可达98.3 ± 1.8%。SEM图像显示FeNPs均匀分布在细胞表面，粒径随FeCl₃浓度升高而增大，从1 mM时的167.8 ± 33.8 nm增至4 mM时的439.1 ± 143.5 nm。EDS元素分布图证实铁信号主要分布在微藻细胞壁位置。Zeta电位分析表明，加入FeCl₃后细胞表面电位由−30.09 ± 3.54 mV反转为+8.61 ± 1.09 mV，说明Fe³⁺通过螯合作用积聚在细胞表面；加入足量NaBH₄后，表面电位又恢复为负值，这与FeNPs的形成一致。当NaBH₄浓度较低时，表面电位反而变得更正，这可能是因为形成了[(H₂O)₅FeOHBH₃]²⁺中间体，导致FeNPs生成不足。NaBH₄浓度为16 mM时，收获效率超过95%。TGA分析显示，*C. zofingiensis*–Fe复合物中铁含量约为19.4%。为进一步验证FeNPs方法的优越性，研究还对比了200 nm和500 nm的PEI包覆Fe₃O₄纳米颗粒，在相同铁元素剂量和磁场条件下，其收获效率分别为11.0 ± 3.9%和30.8 ± 5.2%，远低于FeNPs方法的98.3 ± 1.8%。在pH 4–11范围内，该方法的收获效率均保持在95%以上，Zeta电位和细胞形态也未发生明显变化，表明该方法对pH不敏感。色素提取实验显示，磁收获的*C. zofingiensis*中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素产量分别为12.82 ± 1.66、8.27 ± 1.88和2.69 ± 0.69 mg/L，与传统离心收获组（分别为13.59 ± 1.38、7.31 ± 0.77和3.42 ± 0.64 mg/L）无显著差异。脂肪酸产量和组成在两种收获方式之间也未见明显差别。细胞恢复实验表明，磁收获后的*C. zofingiensis*–Fe复合体在重新接种后前3天生长受到轻微抑制，但随后恢复并保持与离心收获组相似的增长趋势。此外，回收培养基的再利用实验显示细胞生长情况与新鲜培养基基本一致。对于其他五种微藻，收获效率在90.10%–95.62%之间，均可在1分钟内完成分离。这些培养基的盐浓度从约0.2 g/L到10 g/L不等，收获效率均超过90%，表明该方法对盐浓度和培养基成分也不敏感。
本研究的结论是：通过微藻表面原位还原FeCl₃生成FeNPs，可以实现无需预合成和表面修饰的快速磁收获。该方法在宽pH范围（4–11）和不同培养基条件下均表现出超过90%的收获效率，并具有良好的生物相容性，对下游色素和脂肪酸提取无明显影响。该方法的应用价值在于能够降低微藻收获的操作成本和能耗，为微藻生物质生产提供了一种简便高效的新途径。其科学意义在于首次证明了表面引发FeNPs形成用于磁收获的可行性，并拓展了磁分离技术在其他微生物和细胞分离中的潜在应用。
本研究的亮点包括：第一，首次采用表面引发FeNPs形成的方法进行微藻磁收获，革新了传统磁分离中必须预先合成并修饰磁性纳米颗粒的流程；第二，该方法在1分钟内即可实现对多种微藻超过90%的收获效率，操作简单快速；第三，该方法在宽pH和宽盐浓度范围内均保持高效，显示出优越的环境适应性；第四，收获后的微藻细胞活性保持良好，对下游高价值产物提取无显著影响，具有良好的工业应用前景。