综述：水生环境中微塑料修复的生物絮凝剂：最新进展与生物技术展望

《Journal of Water Process Engineering》：Bioflocculants for microplastics remediation in aquatic environments: Recent advances and biotechnological perspectives

本综述系统探讨了生物絮凝剂（Bioflocculants）作为新兴环境修复技术在水体微塑料（MPs）污染治理中的应用潜力。文章重点分析了生物絮凝剂相较于传统方法（如物理过滤、Fenton反应）在生物安全性、可降解性及避免二次污染方面的优势，并强调通过生物膜工程、合成生物学等使能技术优化其絮凝效率与降解性能的协同策略，为MPs污染控制提供创新思路。

　　

Abstract

人类活动导致宏塑料和微塑料（MPs）在陆地和水生环境中普遍释放。MPs污染已成为全球环境问题，由于其持久性和广泛分布，对生态系统构成重大威胁，影响生物和非生物成分。传统的微塑料去除技术通常成本高、效率有限、存在安全问题，并可能在环境中造成二次污染。近年来，生物絮凝剂因其有效性、环境友好性和固有的生物安全性，作为水生系统中MPs修复的一种有前景的方法而受到相当多的关注。此外，生物絮凝和生物降解过程的整合可能为减少MPs污染提供一种协同的有前景的替代方案。生物膜在解决MPs污染方面至关重要，这是一个需要应对的重大挑战。使能技术，如生物膜工程、合成生物学、遗传和代谢工程在MPs修复中发挥着关键作用。本综述重点介绍了生物絮凝剂研究在减少水生系统MPs污染方面的最新进展。关键主题包括MPs和生物絮凝剂概述、当前修复技术、生物絮凝剂及其在去除MPs方面的生物技术重要性、MPs絮凝机理、产生物絮凝剂微生物、MPs对微生物和生物絮凝剂生产的影响、物理化学因素对絮凝活性的影响、培养条件、使能技术在生物絮凝剂去除MPs中的作用以及生物絮凝剂的新兴应用领域。

Introduction

塑料的广泛使用加剧了固体废物处理问题，对陆地和地下环境构成了全球性威胁。通过石化工业生产的塑料已从1950年的150万吨增加到2023年的超过4亿吨，其中超过3.5亿吨/年最终成为塑料废物[1]。预计到2050年，环境中将积累120亿吨塑料废物[2]。海洋至少接收10%的塑料废物，导致60-80%的海洋垃圾由塑料构成[3,4]。随着时间的推移，被丢弃的塑料最终会降解成更小的颗粒，形式包括微小碎片、微珠和微纤维（MFs），通常称为微塑料（MPs），粒径范围从100纳米到5毫米，或纳米塑料（NPs）（<100纳米）[5,6]。MPs污染已引起重大的环境和健康关切，涉及其对生物体和人类健康的影响。它们可以进入食物网，然后被人类吸收，对人类健康构成潜在威胁并引发严重的生态问题[[7], [8], [9]]（图1）。传统方法无法大规模有效去除MPs，并导致其在水生环境中广泛分布。这些方法成本高昂，并经常在生态系统中产生二次污染。因此，迫切需要创新且环境友好的方法来减少水生环境中的MPs。

絮凝剂已广泛应用于各种工业领域，如自来水生产、废水处理、纺织和染料去除、采矿、化妆品、下游加工、食品和发酵工业。其中，合成絮凝剂和无机絮凝剂存在一定的毒性和局限性，而生物絮凝剂在这些方面具有独特优势，因此具有巨大的应用潜力[10,11]。尽管合成絮凝剂，如聚丙烯酰胺絮凝剂，被广泛使用，但有证据表明丙烯酰胺单体对人类是一种强致癌物和神经毒素[12]。此外，阿尔茨海默病可能由铝诱发，铝是聚合氯化铝（PAC）的主要成分[13]。无机絮凝剂显示出其他局限性，例如对非常细小颗粒的混凝效率差、pH敏感性高和需要高投加量。这些关切导致微生物絮凝剂在各个领域的使用日益增加。近年来，生物絮凝剂因相对有效、无毒、可生物降解且不会在环境中造成二次污染，而在水生系统MPs去除方面受到越来越多的关注。它们能以高速率生产，并且易于从培养液中回收。生物絮凝剂的絮凝能力可以将微米和纳米塑料颗粒聚集在一起形成更大的异质聚集体或絮体，从而增强这些颗粒在水生系统中的沉降。微生物絮凝剂可以在冷水和温水中絮凝非常细小的颗粒，并且产生的污泥较少，因此有些可以作为MPs问题的有效处理解决方案。然而，与无机絮凝剂和有机聚合物絮凝剂相比，生物絮凝剂的高生产成本是其大规模生产和应用的主要瓶颈[10,11]。降低生产成本对于生物絮凝剂的实际应用至关重要。迄今为止，已通过开发更好的菌株、更便宜的原材料/底物来源以及更高效的发酵和回收工艺，致力于降低生产成本[10,[14], [15], [16], [17]]。

据我们所知，文献中尚无关于使用胞外生物聚合物絮凝剂（EBFs）去除水生环境中MPs污染的详细综述。本文对微塑料（MPs）的可持续修复技术进行了全面综述，特别强调生物絮凝剂作为一种创新方法的应用，该方法旨在应对与MPs相关的独特挑战。本手稿综述了生物絮凝剂作为解决水生环境中MPs污染潜在方案的最新发展趋势。总结了当前修复技术，重点是生物技术方面。本综述还强调了利用多种产生物絮凝剂微生物，结合应用生物絮凝和生物降解过程来去除环境中的MPs。它概括了使能技术的最新发展，如生物膜工程、合成生物学、遗传和代谢工程，用于利用生物絮凝剂去除MPs。这些是在已发表的关于MPs主题的综述论文中较少涉及的领域。本文提供了关于生物絮凝剂及其去除MPs的生物技术重要性、MPs对微生物群落和生物絮凝剂生产的影响、培养条件、絮凝机理、影响絮凝过程的主要因素以及生物絮凝剂新兴应用领域的见解。此外，还提出了关于生物絮凝剂的知识差距、机遇和未来研究展望。

Section snippets

Microplastics remediation technologies

已采用不同的策略和方法来减轻微塑料污染。这些包括源头减少、塑料消费行为改变、使用可生物降解塑料以及开发修复技术以清洁环境[[18], [19], [20]]。去除MPs的传统修复方法分为物理、化学和生物方法。采用的方法示例包括浮选、过滤、Fenton处理、磁性...

Bioflocculants and their biotechnological importance in removing microplastics

生物絮凝剂是无毒且环境友好的生物聚合物——如多糖、蛋白质、脂质和糖蛋白——由各种微生物分泌到培养液中。它们可以与微塑料颗粒产生三维、凝胶状和水合的复杂高分子量生物聚合物混合物[50,51]。生物絮凝剂通常是胞外聚合物（EPS），它们在微生物聚集、生物膜结构形成中起关键作用...

Practical applications of bioflocculants

絮凝剂广泛用于矿物和工业过程，包括废水处理、下游加工、酿造、食品和发酵过程、采矿和石油精炼。微生物絮凝剂在各种工业操作中的应用揭示了这些絮凝剂在提高产品质量和生产力方面的巨大潜力。高生产成本和复杂的制造过程仍然是微生物絮凝剂大规模应用的重大挑战...

Role of enabling technologies in MPs removal by bioflocculants

使能技术具有巨大潜力来设计微生物以有效减轻环境中的MPs。生物膜是水生系统中MPs修复的核心。生物膜发育受复杂的基因调控网络控制。生物膜工程可通过控制水生环境中的生物膜形成和发育来应对MPs挑战[56]。例如，铜绿假单胞菌被设计成产生一种能够...的细菌生物膜。

Conclusions

生物絮凝剂由于其环境相容性和在去除浊度、悬浮固体、染料和微塑料方面已证明的有效性，代表了传统无机和合成有机聚合物絮凝剂的一种有前景的替代品。它们可生物降解、无毒且对环境无害。此外，生物絮凝剂在各种工业操作中显示出提高产品质量和生产力的卓越潜力。与现有和新兴的针对MPs的...相比

Future perspectives

为应对上述MPs挑战，对未来研究提出以下建议：

迄今为止，关于使用EBFs修复水生系统中MPs的研究工作非常有限。仍需要进行广泛的研究来研究MPs对纯培养和混合培养中生物絮凝剂生产和细胞生长的影响。应进行更多研究以了解使用生物絮凝剂去除MPs的机理，以便控制絮体密度...

CRediT authorship contribution statement

Hossein Salehizadeh: 写作-审阅和编辑，写作-初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Majid Sartaj: 调查，审阅和编辑。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响报告的工作。

Acknowledgments

作者感谢Biopolymix Inc., Canada提供的财政研究支持。