经过MgFe-LDH改性的生物炭与Pyrenoidosa小球藻自组装，以增强二氧化碳捕获效果并促进微藻生长

《Chemical Engineering Journal》：MgFe-LDH engineered biochar self-assembled with Chlorella pyrenoidosa for enhanced CO 2 capture and microalgal cultivation

微藻生物技术为CO2固定提供新途径，MgFe-LDH增强生物炭（LBC）作为CO2浓缩器显著提升小球藻生物量1.98倍，叶绿素含量增50.36%，中试规模去除70.15%总氮和95.25%总磷，转录组分析揭示光合与氧化磷酸化协同增效机制。

　　这项研究聚焦于利用微藻生物技术来减少二氧化碳排放，尤其是在大气二氧化碳的高效输送与浓缩方面，为维持光合作用活性和生物量产出提供了新的思路。微藻因其高效的光合作用能力，被认为是捕获碳和处理废水的有前景平台。然而，由于二氧化碳在水溶液中的溶解度较低，大规模应用仍然面临挑战。因此，研究人员开发了一种新型材料——MgFe-LDH（层状双氢氧化物）工程化的生物炭（LBC），以提高微藻的二氧化碳固定效率和生物量积累。通过将LDH的高吸附性能与生物炭的多孔结构相结合，LBC不仅解决了LDH容易聚集的问题，还增强了其在水环境中的应用效果。

在实验中，LBC被用于与小球藻（*Chlorella pyrenoidosa*）共培养，以促进二氧化碳的吸收。研究结果显示，LBC在水环境中具有2.59 cm3/g的吸附能力，并通过静电相互作用与小球藻形成自组装结构。这种自组装结构为小球藻创造了局部的高碳浓度环境，从而提高了其光合作用效率和生物量产出。与对照组相比，LBC显著提升了小球藻的生物量产出，使其增加了1.98倍，同时增强了光合色素含量，提升了50.36%。这些数据表明，LBC对小球藻的生长具有显著的促进作用。值得注意的是，LBC在经过三次重复使用后仍然保持了较高的生物活性，说明其具有良好的稳定性和可重复使用性。

在试点规模的试验中，LBC与小球藻共培养于消化残渣浆液中，进一步验证了其应用效果。结果表明，LBC的加入使小球藻的生物量产出提高了64.63%，同时有效去除了70.15%的总氮和95.25%的总磷。这表明LBC不仅有助于提高微藻的碳固定能力，还能实现对废水中有害物质的高效去除。此外，转录组分析显示，LBC显著激活了光合作用碳固定途径，并同时促进了光合作用和氧化磷酸化的协同作用，从而提高了二氧化碳的同化效率和生物量积累。这些发现为微藻培养在碳利用和废水处理方面的应用提供了新的策略，展示了其在可持续生物技术中的潜力。

为了更好地理解LBC的制备过程和特性，研究团队首先从江苏连云港收集了玉米秸秆，经过600°C高温热解1.5小时，得到生物炭。随后，将镁和铁的氯化物按照3:1的摩尔比混合，制备成MgFe-LDH前驱体溶液。通过超声波处理，将不同量的生物炭（0、0.02、0.05或0.1 g）分散到该溶液中，形成LBC复合材料。在磁力搅拌下，使用1 mol/L的氢氧化钠将pH值调整至10，确保材料的稳定性。经过离心和洗涤后，最终得到了LBC样品。X射线衍射（XRD）分析确认了LBC的结构完整性，表明其成功保留了LDH的特征峰，同时生物炭的加入并未破坏其结晶性。这说明LBC在结构和功能上均达到了理想的效果。

此外，研究团队还对LBC的物理化学特性进行了系统分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，发现LBC具有良好的表面结构和孔隙分布，能够有效吸附和固定二氧化碳。同时，流式细胞术和显微镜分析进一步验证了LBC与小球藻之间的静电相互作用，说明了其在水环境中能够形成稳定的自组装结构。这种结构不仅提高了二氧化碳的利用率，还增强了小球藻的生长条件，使其在高碳浓度环境中能够更高效地进行光合作用和代谢活动。

在实际应用中，LBC的加入显著提升了微藻的生长效率和废水处理效果。试点规模的实验显示，LBC与小球藻共培养在消化残渣浆液中，能够有效去除氮和磷等营养物质，同时促进生物量的增加。这表明LBC不仅有助于提高碳的利用效率，还能实现对废水中有害物质的回收利用。此外，LBC的高吸附能力使其在水环境中能够有效捕捉和固定二氧化碳，为微藻的高效生长提供了支持。这种材料的开发为实现碳捕获和废水处理的双重目标提供了新的可能性，同时也为推动可持续生物技术的发展提供了重要的技术支持。

通过这一研究，科学家们不仅探索了新型材料在微藻培养中的应用，还为解决二氧化碳在水环境中溶解度低的问题提供了有效的解决方案。LBC的制备过程简单、成本低廉，且能够重复使用，这使其在大规模应用中具有显著优势。此外，LBC的多孔结构和高吸附能力使其能够有效提高二氧化碳的利用率，从而促进微藻的生长和代谢活动。这种材料的开发为微藻生物技术的应用提供了新的思路，同时也为实现碳中和目标提供了技术支持。

在实际应用中，LBC的加入不仅提高了微藻的生长效率，还显著增强了其对环境中有害物质的去除能力。这种双重效果使得LBC在废水处理和碳捕获方面具有广泛的应用前景。通过将LDH的高吸附性能与生物炭的多孔结构相结合，LBC能够有效解决微藻在水环境中面临的碳供应不足问题，从而提升其生物量产出和碳固定效率。此外，LBC的高稳定性使其能够在重复使用后仍保持良好的性能，这进一步增强了其在实际应用中的可行性。

研究团队还通过生理、生化和转录组分析，全面评估了LBC对小球藻的影响。生理分析显示，LBC能够显著提高小球藻的生长速率和细胞密度，说明其在促进微藻生长方面具有重要作用。生化分析则表明，LBC能够有效提升小球藻的光合色素含量，从而增强其光合作用能力。转录组分析进一步揭示了LBC对小球藻基因表达的影响，表明其能够显著激活与光合作用和碳固定相关的基因通路，从而提高其对二氧化碳的利用效率和生物量积累能力。这些分析结果为LBC的应用提供了充分的理论支持。

综上所述，这项研究开发了一种新型的材料——MgFe-LDH工程化的生物炭（LBC），并验证了其在提高微藻生长和废水处理方面的应用效果。LBC不仅具有良好的吸附性能和稳定性，还能通过静电相互作用与微藻形成自组装结构，从而创造一个有利于微藻生长的环境。这一发现为实现碳中和目标提供了新的策略，同时也为推动可持续生物技术的发展提供了重要的技术支持。未来，随着LBC的进一步优化和推广，其在碳捕获和废水处理方面的应用前景将更加广阔。