冷等离子体生物动力学整合模型：有害藻华高效去除与生物燃料增值的绿色创新

《Algal Research》：Integrative cold plasma-biokinetic modelling for efficient removal of harmful algal blooms and biofuel valorization

本文推荐一项创新研究，针对有害藻华(HABs)治理难题，研究人员开发了冷等离子体(CP)生物动力学整合模型，利用管道等离子体空气反应器(PP-air R)在常压、600 K、10 kV条件下实现藻细胞100%去除(能耗仅0.69 USD·m-3·order-1)，并通过抑制藻细胞光合作用而非细胞裂解方式避免毒素释放，同时将处理后的藻生物质转化为生物燃料使运营成本降低73.75%，为水体修复与资源回收提供环境可持续解决方案。

　　

随着全球水体富营养化加剧，有害藻华(Harmful Algal Blooms, HABs)的爆发频率和规模持续攀升，对水生生态系统、饮用水安全和人类健康构成严重威胁。传统治理方法如化学杀藻剂（如硫酸铜）和机械打捞不仅成本高昂，还可能产生二次污染或导致藻细胞破裂释放毒素（如微囊藻毒素Microcystins）。尤其值得关注的是2007年太湖蓝藻爆发事件，导致两百万人连续八天饮水困难，凸显了HABs治理的紧迫性。与此同时，微藻生物燃料作为可持续能源替代方案备受关注，但其产业化仍面临提取效率低、经济性差等技术瓶颈。在这一背景下，冷等离子体(Cold Plasma, CP)技术因其能够同时实现藻类抑制和生物质转化而崭露头角。

近期发表于《Algal Research》的一项研究提出了一种创新的解决方案——整合冷等离子体技术与生物动力学建模，实现了HABs的高效去除和生物燃料的协同生产。该研究由Ahmed M.D. Al Ketife和Fares Al-Momani合作完成，通过构建管道等离子体空气反应器(Pipe Plasma Air Reactor, PP-air R)和动态生理状态模型，为藻华治理和资源回收提供了新思路。

研究人员采用多学科交叉方法，将等离子体物理模拟与藻类生理动力学相结合。关键技术包括：（1）利用COMSOL Multiphysics软件模拟等离子体反应器内电子密度（高达1×10¹¹ m^-3）和电子温度（<0.1 V）的分布；（2）建立藻细胞三状态模型（正常Ns、抑制Is、兴奋Es），通过参数α、β、γ量化光强对生理状态的调控；（3）采用MATLAB非线性回归求解抑制曲线与生长速率的耦合方程；（4）以螺旋藻(Spirulina platensis)和塞纳河藻华(River Seine Algal Blooms, RSAB)为实验对象，在600 K、10 kV的冠放电条件下进行验证；（5）通过生命周期评估(GREET软件)分析环境效益。实验样本来源于实验室培养的藻株和天然藻华水体。

等离子体建模与反应器优化

研究团队设计的PP-air R反应器采用钢制电极和石英介质屏障，在常压空气中产生稳定等离子体。模拟结果显示，电子在阴极附近呈现回旋运动，导致局部电子密度峰值达1.1×10¹¹ m^-3，而电子温度始终低于3 V，确保反应处于非热平衡状态。光谱分析检测到N⁺、O₂^-等活性氧氮物种(Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS)，这些物质可破坏藻类光合系统而不破裂细胞膜。反应器体积与电子密度呈负相关，缩小体积可使电子密度提高1.2-2倍，这为模块化设计提供了依据（通过多反应器并联可处理大体积水体）。

藻类生长动力学与状态转换

通过校准最大比生长速率(μ_max=1.35 d^-1)、半饱和常数（K_n=0.8 mg/L，K_p=0.34 mg/L）等13个参数，模型成功复现了不同光照、营养条件下的生长曲线（R²=0.99）。研究发现，光强72.7 μE·m^-2·s^-1时生长速率达峰值0.19 g·L^-1·d^-1，而140 μE·m^-2·s^-1即引发完全抑制。状态参数α（0.024 m²·s^-1·μE^-1）、β（0.003）、γ（0.00035）的量化表明，RSAB比螺旋藻对光胁迫更敏感但恢复能力更强，4天内抑制状态(Is)从峰值0.72 g·L^-1·d^-1降至-0.5 g·L^-1·d^-1，7天后兴奋状态(Es)恢复至2.1 g·L^-1·d^-1。

处理效能与资源化潜力

PP-air R在25小时处理内实现100%藻细胞抑制，能耗仅0.69 USD·m^-3·order^-1，远低于超声（7 kWh/m³）和电絮凝（0.8-1.2 Wh/L）等传统技术。关键优势在于选择性抑制机制：等离子体生成的羟基自由基(·OH)和过氧化氢(H₂O₂)仅破坏藻类光系统而不裂解细胞，避免了微囊藻毒素释放。此外，抑制后的藻生物质通过高强度冷等离子体(High-Intensity Cold Plasma, HI-CP)处理可提取油脂，以10%脂含量和27.95 MJ/kg热值计算，能使运营成本降低73.75%。生命周期评估显示，每生产1 kg生物柴油可减少70%温室气体排放。

该研究通过等离子体技术与生物动力学的深度融合，证明了HABs治理与生物燃料生产协同路径的可行性。相比电絮凝（75.7-100%去除率）和电浮选（99.1%效率）等方法，CP技术兼具环境友好性（无化学残留）和经济性（能耗<1 kWh/m³）。提出的模块化反应器设计（可搭载于船只或浮动平台）为大规模应用提供了可能，而状态参数模型为预测藻类行为提供了量化工具。未来研究需聚焦反应器放大、能源效率优化以及与现有水处理设施的集成，但当前工作无疑为可持续水环境管理提供了创新范式，实现了从“污染治理”到“资源回收”的范式转变。