综述：增强混合藻类生物膜用于废水处理的设计、构建、评估与优化

这篇综述系统阐述了基于合成生物学DCEO（设计-构建-评估-优化）框架的混合藻类（microalgae）-细菌（bacteria）生物膜技术，重点探讨了三维生物打印（3D bioprinting）、代谢通路调控等创新方法在提升废水处理效率中的应用，为应对工业/农业废水及新型污染物提供了可持续解决方案。

　　

引言

全球人口增长与化石燃料过度使用导致能源短缺和环境污染加剧。微藻（microalgae）作为高效光合自养生物，其碳固定效率可达陆地植物的10–50倍，每生产100吨微藻可固定183吨CO₂。传统悬浮培养面临采收成本高（占总成本20–30%）的瓶颈，而附着培养（attachment culture）通过载体形成致密生物膜（biofilm），使生物量提升2.8倍并简化采收流程。然而，单一藻种生物膜易受污染且环境适应性差，混合藻类-细菌生物膜通过协同共生展现出更高稳定性与污染物处理能力。

设计藻类生物膜

设计核心包括藻种/微生物筛选与载体选择。混合菌群需基于代谢互补性，如微藻提供O₂供好氧细菌降解有机物，细菌释放CO₂促进藻类光合作用。载体材料需满足比表面积大、透光性强等特性，聚氨酯泡沫与纤维素基材料表现优异。

构建生物膜

创新技术如三维生物打印（3D bioprinting）可定制具有复杂孔隙结构的载体，提升生物膜空间均一性。旋转藻膜系统（RABR）通过动态光照分布优化藻类生长，实验室与中试规模已证实其对氮磷（N/P）的高效去除。

评估：废水处理应用

混合生物膜对重金属（如Cd²⁺）、抗生素（磺胺类）的去除率较纯培养提升30–50%。表3数据显示，藻-菌共生系统对农业废水COD去除率达85%，且对毒性污染物耐受性显著增强。

优化策略

基于合成生物学工具（如CRISPR-Cas9）可定向改造藻类脂质代谢通路，提升生物柴油产量。d型塑料纤维探针实时监测生物膜厚度动态，结合机器学习预测最佳采收周期。

未来方向

需突破混合生物膜复杂性调控难题，如通过多组学（multi-omics）解析藻-菌互作分子机制。DCEO循环框架将推动生物膜从经验设计向精准合成生物学设计转型。

结论

混合藻类生物膜通过多物种协同实现环境耐受性、污染物处理效率与生物量生产的三重突破，为废水处理提供可持续技术路径。未来需结合跨学科手段解决规模化应用挑战。