微藻驱动工业废水中重金属去除的综合综述：基于活体与非活体微藻

作者： Mohammed Omar Faruque、Shihab Uddin、Mohammad Mozahar Hossain、S.M. Zakir Hossain、Md. Shafiquzzaman、Shaikh Abdur Razzak

发表期刊： Journal of Hazardous Materials Advances

发表时间： 2024年10月18日在线发表，第16卷，文章编号100492

论文类型： 综述（Review）

重金属（Heavy Metals, HMs）污染已成为全球工业快速发展背景下最突出的水环境问题之一。由于重金属具有高毒性、不可生物降解性和沿食物链生物累积的特性，其对生态系统和公众健康构成了严重威胁。传统的重金属去除方法，如离子交换、膜分离、化学沉淀、吸附和光催化等，虽然在一定程度上有效，但普遍存在成本高昂、能耗大、产生大量污泥、需严格监控以及难以大规模应用等局限。因此，寻找一种经济、环保且可持续的重金属去除技术成为环境工程领域的迫切需求。微藻驱动的生物修复（bioremediation）因其低成本、高效率、环境友好以及可同时回收营养物质和生物质能源等多重优势，近年来受到广泛关注。《Journal of Hazardous Materials Advances》于2024年发表的这篇题为“A comprehensive review on microalgae-driven heavy metals removal from industrial wastewater using living and nonliving microalgae”的综述，系统地梳理了活体与非活体微藻在工业废水中重金属去除领域的研究进展，全面探讨了微藻种类选择、去除机制、影响因素以及生物吸附模型等关键内容。

本综述由沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学（King Fahd University of Petroleum and Minerals）化学工程系的Shaikh Abdur Razzak团队主导完成，合作单位包括该校生物工程系、跨学科研究中心，以及巴林大学化学工程系和沙特卡西姆大学土木工程系。该文作为一篇综合性综述，面向环境科学、生物工程和废水处理领域的研究者与实践者，旨在为基于微藻的重金属生物修复技术开发提供系统性的理论支撑。

在论文的主体部分，作者首先对重金属的来源与危害进行了梳理。工业废水中的重金属主要来自采矿、冶炼、电子制造、纺织、石油精炼等行业，常见的有铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）和锌（Zn）等。这些金属即使浓度很低，也可能对人体造成神经系统损伤、肾功能衰竭、心血管疾病及致癌风险。作者通过对比美国、中国和世界卫生组织（WHO）的饮用水标准限值，强调了重金属污染的严重性和治理的紧迫性。随后，文章系统比较了传统物理化学处理方法的优缺点，指出这些方法在1–100 mg/L浓度范围内通常难以彻底去除重金属，且运营成本高、易产生二次污染，限制了其大规模应用。相比之下，微藻具有生长速度快、比表面积大、对重金属的亲和力强、无需额外合成化学品、可在连续和间歇系统中灵活使用等突出优势，因而被视为一种极具潜力的替代方案。

在微藻种类选择方面，文章指出绿藻门（Chlorophyta）中的小球藻属（*Chlorella*）和栅藻属（*Scenedesmus*）是最常被研究和应用的菌株，因其具有优异的生物吸附能力和较强的环境适应性。例如，Chlorella vulgaris 对镉的去除效率可达95%以上；Arthrospira maxima 在钢铁工业废水中对铁的去除率可达97.9%；Desmodesmus sp. 在短时间内可去除约80%的铜离子；多种绿藻在纺织废水中对铝、铜、铅、硒和钒等重金属也有显著去除效果。文章还列举了多项实证研究，展示了不同微藻菌株在不同类型工业废水中的重金属去除效率及其对应的温度、pH和处理周期等参数。

关于去除机制，综述将其明确区分为生物吸附（biosorption）和生物累积（bioaccumulation）两大过程。生物吸附是一种非代谢、快速且可逆的物理化学过程，主要发生在细胞壁表面，通过离子交换、络合、螯合、微沉淀和静电作用等机制将重金属离子结合到细胞表面的功能基团上。微藻细胞壁富含羧基、氨基、羟基、磷酸基、巯基和硫酸基等官能团，这些带负电的基团能够高效地吸引和结合带正电的金属离子。生物吸附既可以发生在活体细胞上，也可以发生在死体细胞上，因而具有更广泛的应用灵活性。相比之下，生物累积则仅发生在活体细胞中，是一个依赖代谢活动的缓慢且通常不可逆的过程。重金属离子穿过细胞膜进入细胞质后，被转运至液泡、叶绿体或线粒体等细胞器中进行区隔化储存，或与植物螯合肽（phytochelatins）和金属硫蛋白（metallothioneins）等金属结合蛋白形成稳定复合物，从而降低其毒性。文章还进一步阐述了微藻的多种解毒策略，包括金属螯合、氧化应激管理、细胞器区隔化以及金属价态转化（如将Cr(VI)还原为毒性较低的Cr(III)）等，展示了微藻在重金属胁迫下的自我保护机制。

活体与非活体微藻在生物修复中的选择是综述重点讨论的另一核心议题。活体微藻能够同时进行生物吸附和生物累积，具有自持续性和适应环境变化的能力，但在极端pH、高浓度重金属或缺乏营养的条件下容易失活，且维护成本较高。非活体（干燥、灭活或固定化）微藻则无需营养供应，可在更宽的pH和温度范围内操作，便于储存和运输，且避免了毒性环境对细胞代谢的干扰，因而在实际应用中更具工程可行性。文章详细介绍了非活体微藻的三种主要形式：原始藻粉（raw algae）、预处理藻粉（pretreated algae）和固定化藻粉（immobilized algae）。原始藻粉制备简单，但吸附容量相对有限；通过CaCl₂、HCl或HNO₃等化学预处理可显著提高金属结合能力，例如HCl预处理后的*Chlorella vulgaris*对铅的吸附容量可提高至714.89 mg/g；而藻粉固定化技术（如包埋于海藻酸钙、壳聚糖或聚乙烯醇基质中）则可改善生物质的机械强度、分离性能和再生利用能力。

在影响因素方面，综述分别讨论了活体微藻和干藻生物质去除重金属的关键参数。对于活体微藻而言，藻种的金属耐受能力、生物量浓度、废水pH和温度等均显著影响去除效率。例如，Scenedesmus obliquus 对铅表现出较高的耐受性，其半数有效浓度（EC₅₀）可达141 ppm。适当提高生物量浓度有助于增加金属结合位点，但生物量过高会导致细胞团聚和“屏蔽效应”，反而降低单位质量生物质的金属吸附量。对于非活体干藻生物质，溶液pH是最关键的调控因素：低pH下氢离子与金属离子竞争结合位点，导致吸附效率下降；随着pH升高，功能基团去质子化，金属结合能力增强。例如，Spirogyra sp. 对Pb(II)的吸附量在pH 5时达到140 mg/g的最高值，而当pH降至3时吸附量极低。此外，溶液离子强度、生物质投加量、接触时间和共存离子等也会对吸附过程产生重要影响。离子强度过高会压缩双电层并竞争吸附位点，从而降低金属去除率；生物质剂量增加虽能提高总去除率，但单位吸附量可能下降。

文章最后还简要介绍了用于描述和预测微藻对重金属去除效率的各类生物吸附模型（biosorption models），包括Langmuir、Freundlich等常用等温吸附模型，以及准一级和准二级动力学模型。这些模型有助于定量描述吸附平衡和动力学行为，为工程设计和工艺优化提供理论工具。

总体而言，该综述全面而系统地从微藻种类筛选、作用机制辨析、活体与非活体适用性比较、关键影响因素解析以及模型化描述等多个维度，阐释了微藻驱动重金属生物修复的研究现状与发展方向。其科学价值在于厘清了生物吸附与生物累积的概念差异，并从应用角度强调了非活体微藻生物质在工业化废水处理中的潜力和可行性。与此同时，文章也指出了当前研究的不足，例如离子强度影响的研究较少、微藻对复杂多金属体系的选择性差以及生物质后处理难题等，为未来研究提供了明确方向。该论文对于从事环境生物技术、废水处理以及微藻资源化利用的研究人员和工程师具有较高的参考价值。