综述：纳米颗粒在微藻定量分析中的影响：增强生物质价值化与毒性效应评估的新进展

《Bioresource Technology Reports》：Impact of nanoparticles in microalgal quantification: Advancements in enhancing biomass valorization and evaluating toxicity effects

本综述系统探讨了纳米颗粒(NPs)在微藻生物技术中的双重作用：通过调控代谢通路增强生物质产量与高值化合物（脂质、碳水化合物、色素）生产，并作为磁性催化剂将采收效率提升至>99%；同时揭示了高浓度NPs通过诱导活性氧(ROS)产生、破坏细胞膜等途径引发的毒性机制。文章为纳米技术驱动下微藻生物精炼的可持续发展提供了关键见解。

　　

纳米颗粒在微藻定量分析中的影响：增强生物质价值化与毒性效应评估的新进展

摘要

微藻作为一种光合单细胞微生物，在众多应用领域中扮演着重要角色。近年来，纳米技术与微藻生物质的结合日益受到关注，旨在提升微藻生产力和生物质价值化。纳米颗粒能够调控微藻的多种细胞机制和代谢通路，从而增加生物质、脂质、碳水化合物及其他高附加值化合物的产量。此外，研究发现，使用纳米颗粒（尤其是磁性纳米颗粒）作为催化剂，微藻采收效率可达99%以上。然而，尽管有这些优势，特定浓度和长时间暴露下的纳米颗粒会对微藻产生毒性效应，如氧化应激、膜损伤等。这些毒性作用可能因纳米颗粒的类型、浓度、尺寸和暴露时间而异。因此，理解纳米颗粒的双重角色至关重要。本综述全面概述了纳米颗粒-微藻相互作用的最新发现，重点关注微藻定量分析、生物质价值化和毒性机制。

引言

微藻作为一类多样化的单细胞光合生物，因其高生长速率、优异的光合效率及最低的土地需求，已成为可持续且强大的第三代生物燃料原料。与用于第一、第二代生物燃料的陆地作物不同，藻类可以利用废水和咸水，从而不与粮食生产竞争。它们具有显著的二氧化碳（CO₂）封存能力，并能生产众多高附加值产品（VAPs），包括脂质、碳水化合物、蛋白质、色素（如虾青素、叶绿素、叶黄素）等。此外，微藻生物质及其提取物由于含有多功能化合物，在制药、营养保健品、化妆品、农业、水产养殖和可再生能源等领域也发挥着重要作用。微藻的生物经济潜力推动了人们对开发基于微藻的生物精炼厂的浓厚兴趣，旨在最大化生物质生产力，同时实现环境效益，如废水修复和碳捕获。

近年来，纳米技术已成为克服微藻培养和价值化挑战的一种变革性方法。纳米颗粒（NPs），特别是金属和金属氧化物基纳米材料，已显示出显著影响微藻代谢通路的潜力。其尺寸、高比表面积和独特的物理化学性质使其能够在分子水平上与微藻细胞相互作用，从而影响营养吸收、光合作用、脂质生物合成和碳固定等过程。当以优化浓度用于微藻时，纳米材料可以诱导轻度应激环境，触发生物活性化合物的产生。在各种研究的纳米材料中，氧化铁（Fe₃O₄）NPs因其磁性和生物相容性而受到特别关注。这些磁性NPs通过磁分离促进节能的微藻采收，为高能耗的离心或过滤过程提供了替代方案。此外，磁性NPs可以回收并在多个采收周期中重复使用，进一步增强了藻类生物精炼厂的可持续性和经济可行性。类似地，氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）、二氧化硅（SiO₂）、氧化铜（CuO）等NPs也被报道用于提高微藻生物质采收效率。所有这些NPs都已被用于增强脂质生产、改变生化组成或提高各种微藻株系（如小球藻、雨生红球藻、微拟球藻等）的色素浓度。

然而，NPs对微藻具有双重性质，既是增强剂也是潜在的毒物。在浓度过高时，NPs会破坏细胞形态、损伤膜结构、干扰光合效率，并通过过量产生活性氧（ROS）诱导氧化应激。这些毒理学效应会损害细胞活力，降低生产力，并导致遗传毒性或细胞学损伤。因此，理解NPs的剂量依赖性影响对于区分其在应用中的刺激和抑制活性是必要的。此外，NPs在水环境中的行为是复杂的，并受到颗粒尺寸、表面电荷、聚集趋势以及与藻类胞外聚合物（EPS）相互作用等因素的影响。这些参数不仅控制着NPs对微藻细胞的生物可利用性，还控制其摄取方式（是通过内吞作用、被动扩散还是表面吸附）。研究表明，特定的表面修饰或绿色合成路线可以降低NPs的毒性并提高相容性。除了促进生长和代谢物生产外，NPs最近也被研究其在微藻生物质定量分析中的作用。

近期一些综述讨论了微藻培养技术以及VAPs的价值化。然而，这些综述虽然有效地量化了微藻培养系统、废物价值化或特定的下游应用，但并未重点关注NPs如何同时增强生物质生产、刺激VAPs并在特定条件下诱导毒性的视角。

为弥补这些空白，本综述旨在展示NPs在微藻生物质价值化中的整合作用。它全面考察了NPs的类型和合成方法，重点强调生物源和环保路线。综述涵盖了微藻生长和VAPs生产的增强，重点关注脂质、碳水化合物和色素的生产。此外，它还涵盖了NPs的毒理学影响，包括氧化应激、形态和生化改变。通过将纳米技术与藻类生物技术相结合，本综述为NPs在基于微藻的策略中的生产和毒性提供了平衡的视角。同时，它还阐述了NPs的环境毒性和生物累积作用，并强调了NPs整合的微藻系统在推动下一代生物精炼厂和贡献可持续发展目标（SDGs）（如SDG 7（经济适用的清洁能源）和SDG 12（负责任的消费和生产））方面的潜力。

纳米颗粒对微藻定量分析的影响

NPs可以通过物理、化学和生物三种不同方法合成。然而，根据合成纳米材料的性质和特性，其对微藻生长的影响因其特性而异。由于某些材料在特定NPs浓度下促进生物质；而较高剂量则可能抑制微藻生长。图1描绘了NPs的各种合成方法。铁基NPs的原位合成已被证明可以影响微藻的生长和代谢物产量。

纳米颗粒作为微藻生物质价值化中的多功能催化剂

金属NPs如Fe、Cu和Se能够通过与微藻细胞的生物分子相互作用来改变其细胞代谢。这些相互作用导致各种初级和次级代谢通路的调控，从而可以增强生长速率、生物质生产以及某些生物分子的产量。有趣的是，磁性NPs如纳米零价铁（n-ZVI）、赤铁矿（α-Fe₂O₃）、磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）和磁铁矿（Fe₃O₄）被研究用于刺激微藻生长和代谢物生产。

毒性机制

虽然NPs在提高微藻生物质生产力和采收效率方面显示出显著潜力，但其对微藻的潜在毒性也存在重大关切。NPs暴露对微藻的主要毒性效应包括产生活性氧（ROS）、叶绿素含量降低、DNA损伤、生长抑制、生化组成改变等。图5描绘了NPs暴露下的一些毒性效应。理解这些机制对于安全应用NPs至关重要。

纳米颗粒-微藻相互作用的影响因素

尽管NPs可以刺激或抑制微藻生长，但研究间的差异源于颗粒尺寸、形态、表面化学和暴露剂量的不同。NPs的尺寸是影响其对微藻毒性的因素之一。例如，对莱茵衣藻和三角褐指藻的毒性研究表明，AgNPs中Ag的释放在海水介质中高出近25倍，形成AgCl₂^?（53.7%）和AgCl₃^2?（45.2%），而在淡水中则主要形成AgCl胶体。这些环境因素显著影响NPs的生物利用度和毒性。

纳米颗粒的环境影响

释放到生态系统中的NPs可以在植物、藻类和水生生物中积累，引发对长期生态风险的关切。尽管NPs能增强植物生产力，但NPs在植物体内的最终归宿和生物累积可能产生不利影响。例如，在大麦中，两种尺寸范围（10和100 nm）的Fe₃O₄ NPs被根部吸收并通过木质部转运至叶片，较小的NPs表现出更高的转运效率。这突显了NPs在食物链中积累和迁移的潜在风险。

未来展望

虽然当前研究证明了NPs在增强微藻生物质和代谢物产量方面的积极作用，但实际规模化应用仍需进一步进展。大多数研究仍局限于实验室条件，其培养系统是受控的，不同于中试和工业规模的动态环境。因此，未来的研究应强调NPs-微藻相互作用的大规模验证，考虑光照强度、营养可用性、温度和混合等变量。此外，需要开发用于实时监测NPs与微藻细胞相互作用的先进分析工具。经济可行性和生命周期评估（LCA）对于将NPs整合的微藻技术转化为工业应用也至关重要。未来的工作还应探索新型、低成本、生物相容性更好的NPs，以及针对特定微藻物种和所需产物的精确递送系统。最后，需要全面的监管框架来管理NPs在环境中的释放，确保其安全可持续地应用。

结论

总之，纳米颗粒已成为增强微藻生物质价值化的有前景的材料，可通过改善生长、代谢物积累和采收效率来实现。它们的应用，特别是金属和金属氧化物NPs如Fe₃O₄、ZnO、TiO₂、CuO等，已在调节微藻生理和生化通路方面显示出显著益处。在优化浓度下，这些纳米颗粒增强营养吸收、刺激代谢转变并促进高价值代谢物的积累。同时，它们通过磁分离等机制显著改善了采收过程，为传统方法提供了节能替代方案。然而，NPs的毒性作用，包括氧化应激、膜损伤和生长抑制，强调了仔细优化其剂量和暴露条件的必要性。NPs-微藻相互作用的最终结果受NPs特性（尺寸、浓度、表面化学）和环境影响的高度调控。未来的研究应侧重于大规模验证、经济可行性以及开发环保型NPs合成路线。通过平衡生产效益与潜在风险，NPs整合的微藻系统有望为可持续生物精炼和实现关键可持续发展目标做出重大贡献。持续的研究和负责任的实施对于充分发挥这一有前景的技术组合的潜力至关重要。