CO2 强化浮萍-废水生物修复系统：协同实现营养盐去除、碳捕获与生物质生产的创新策略

为解决废水处理中营养盐回收效率低、碳减排需求迫切及生物质资源化难题，研究人员通过CO2 强化浮萍（Landoltia punctata）系统开展研究。结果表明，CO2 施肥使淀粉产量提升189-259%，总氮（TN）和总磷（TP）去除率分别提高28-71%和120-148%，同时CO2 捕获量增加196-264%。该研究为环境修复与可再生能源生产提供了可持续解决方案。

　　

随着全球能源危机和环境恶化，传统化石燃料的不可持续性及水体富营养化问题日益严峻。化石燃料储备预计百年内耗尽，其燃烧加剧大气CO₂
浓度，而废水中的氮（N）、磷（P）排放导致水体生态退化。尽管微生物处理技术可部分去除营养盐，但难以实现高效回收，尤其是稀缺的磷资源。水生植物虽能吸收污染物并固定CO₂
，但多数含木质纤维素，转化效率低；藻类虽富含淀粉/油脂，但培养成本高。浮萍（Duckweed）因其快速生长、易收获及高淀粉积累潜力（干重>70%）成为理想候选，但其在废水处理中的淀粉产量受营养限制制约。

为突破这一瓶颈，研究人员构建了中试规模浮萍-CO₂
废水处理系统，探究CO₂
施肥对浮萍生长、淀粉生产及环境效益的影响。研究发现，CO₂
补充显著提升浮萍生物量（12.2 g/m²
/d）和淀粉产量（3.49 g/m²
/d），相当于玉米产量的1.6倍。同时，TN和TP去除率分别提高28-71%和120-148%，CO₂
捕获量增加196-264%。机制研究表明，CO₂
上调淀粉合成关键酶（AGPase、GBSS、SSS）基因表达，并通过激活谷氨酰胺合成酶（GS）促进氮同化，使浮萍取代微生物成为主要氮汇（NH₄
⁺
-N去除占比>69%）。

研究采用以下关键技术：

1. 中试连续培养系统（24 m×0.5 m×0.6 m）对比CO₂
   施肥（1,560 mg/L）与对照组；
2. 转录组测序（Illumina HiSeq 2500）分析浮萍基因表达；
3. 酶活性检测（AGPase、Rubisco等）揭示代谢通路调控；
4. 水质参数（TN、TP、CO₂
   ）及生物量成分定量分析。

3.1 生物量生产与组分变化
CO₂
施肥使浮萍生物量冬季增长160-460%，春季达13.74 g/m²
/d，淀粉含量提升至26.91%（L. punctata 0202）。蛋白含量因氮限制下降，但总蛋白产量仍增加2.4-5.8倍。

3.2 营养盐去除与CO₂
捕获
春季TP去除率超0.12 g/m²
/d，P回收效率达82%。CO₂
捕获量达17.53 g/m²
/d，显著高于藻类系统。

3.3 酶活性与转录调控
CO₂
诱导AGPase活性峰值（7.69 U/mg蛋白），上调Calvin循环基因（Rubisco等），同时GS活性提升6.3倍，推动氮同化转向浮萍主导。

3.4 转录组分析
淀粉合成基因（AGPase、GBSS）表达上调，而GDH（谷氨酸脱氢酶）下调，证实碳分配向淀粉倾斜。

该研究首次证实CO₂
施肥可协同优化浮萍系统的环境与能源效益。其创新性在于：

1. 将CO₂
   捕获、废水净化与高值生物质生产耦合；
2. 阐明淀粉累积的AGPase-3PGA调控轴；
3. 通过GS-GOGAT通路重构氮代谢格局。这一策略为应对气候变化和资源循环提供了可扩展的解决方案，论文发表于《Bioresource Technology》。