阐明油性突变微藻在废水处理中的卓越性能：生理特性、养分利用及微生物功能变化

《Journal of Water Process Engineering》：Elucidating the superior performance of oleaginous mutant microalgae in wastewater: Physiological characteristics, nutrient utilization, and microbial functional shifts

纳滤膜对短链全氟丁酸（PFBA）的去除效率受共存阳离子和蛋白质影响，高价阳离子显著降低去除率，而BSA单独存在可提升去除率但与其他阳离子协同作用时效果减弱。主导机制从电负性排斥和筛分效应转为吸附和浓度极化效应。研究为饮用水中PFBA处理提供理论支撑。

　　PFBA，即全氟丁烷磺酸，是一种典型的短链全氟烷基物质（PFAS），因其在自然水体中广泛存在以及对环境和人体健康的潜在影响，引起了科学界的广泛关注。PFAS是一类持久性有机污染物（POPs），它们在水环境中具有极强的稳定性，不易被传统水处理工艺有效降解。因此，如何高效去除这些污染物，尤其是短链PFAS，成为当前水处理技术研究的重要方向之一。

在众多去除PFAS的技术中，纳滤（NF）技术因其在去除低分子量污染物方面的高效性而受到高度重视。NF膜具有较高的选择性，能够有效拦截某些特定的有机污染物。然而，实际水体中常常存在多种共存物质，如无机离子和有机物，这些物质可能会对NF膜的去除性能产生影响。因此，深入研究这些共存物质如何影响PFBA的去除效率，对于优化NF膜在实际水处理中的应用至关重要。

本研究选取了多种常见的水体成分，包括单价离子（如Na?和K?）和多价离子（如Ca2?、Mg2?、Fe3?和Al3?），以及有机物中的代表性物质——牛血清白蛋白（BSA），来探讨它们对PFBA去除效率的影响。实验结果显示，单价离子如Na?和K?在1 mM浓度下，能够略微提高PFBA的去除率，分别从87.4%提升至89.2%和89.3%。这表明，单价离子可能通过改变膜表面电荷分布或促进分子筛效应，间接提高了PFBA的去除效果。

相比之下，多价离子如Ca2?、Mg2?、Fe3?和Al3?对PFBA去除率的影响则呈现出显著的降低趋势。例如，在1 mM浓度下，Ca2?和Mg2?分别使去除率降至81.3%和81.7%，而Fe3?和Al3?的影响更为剧烈，去除率分别降至61.1%和25.6%。特别是Al3?，当其浓度从0.5 mM增加到1 mM时，PFBA的去除率骤降至25.6%，显示出明显的干扰效应。这种显著的降低可能与多价离子对PFBA分子的静电吸引或物理桥接作用有关，这些作用可能改变了PFBA在膜表面的吸附行为，或者促进了其在膜孔中的渗透。

BSA作为天然水体中常见的有机物，其对PFBA去除的影响也值得关注。研究发现，BSA的存在能够提高PFBA的去除率，这可能是由于BSA分子与PFBA之间的相互作用，如静电吸附或空间位阻效应，从而增强了PFBA在膜表面的截留能力。然而，当BSA与某些阳离子（如Na?、Ca2?或Fe3?）共存时，这种有益效应会被削弱。这表明，共存物质之间的相互作用可能会改变它们对PFBA去除的影响方式，从而影响整体的去除效率。

从去除机制的角度来看，虽然电荷排斥和分子筛效应在许多NF系统中被认为是主要的分离机制，但在BSA与Na?或Ca2?共存的情况下，这些机制不再是主导因素。相反，吸附作用和浓度极化效应变得尤为重要。吸附作用可能是指PFBA与膜材料之间的化学相互作用，而浓度极化则可能与溶液中溶质的分布和膜表面的积累有关。这些机制的变化可能对实际水处理过程中的设计和优化具有重要指导意义。

本研究的发现不仅有助于理解共存物质对PFBA去除效率的影响，还为实际水处理中如何选择合适的膜材料和操作条件提供了理论依据。通过揭示不同离子和有机物对NF膜去除性能的影响机制，可以更好地预测和控制PFBA的去除效果，从而提高水处理系统的效率和安全性。

在实际应用中，水体中的共存物质往往复杂多样，包括不同种类的离子和有机物。因此，深入研究这些物质对PFBA去除的影响，有助于开发更加高效和经济的水处理技术。此外，考虑到PFBA在饮用水中的潜在危害，如何有效去除这类污染物，对于保障公众健康和环境安全具有重要意义。

为了全面评估这些共存物质对PFBA去除的影响，本研究采用了一种聚哌嗪酰胺复合纳滤膜作为实验对象。这种膜材料因其良好的化学稳定性和选择性，被广泛应用于水处理领域。通过系统研究单个离子、BSA以及离子与BSA共存情况下的PFBA去除性能，可以更准确地了解不同条件下的去除机制，并为实际应用提供科学依据。

研究结果表明，离子的种类和浓度对PFBA的去除效果具有显著影响。单价离子如Na?和K?在一定程度上可以提高去除率，而多价离子如Al3?则表现出强烈的干扰作用。BSA的存在虽然能够提高PFBA的去除率，但其效果在某些离子存在的情况下会被削弱。这些发现揭示了共存物质对PFBA去除的复杂影响，强调了在实际水处理过程中，必须综合考虑多种因素，以实现最佳的去除效果。

此外，研究还指出，在某些情况下，吸附和浓度极化可能成为PFBA去除的主要机制。这意味着，在设计和优化水处理系统时，除了关注传统的电荷排斥和分子筛效应外，还需要考虑其他可能的物理和化学作用机制。通过了解这些机制，可以更有效地调整膜材料和操作条件，以提高PFBA的去除效率。

在实际应用中，如何平衡去除效率和处理成本，是水处理技术发展的重要方向。本研究的发现表明，通过合理选择共存物质的种类和浓度，可以有效提高PFBA的去除效果。例如，在某些情况下，增加特定离子的浓度可能会增强去除率，而在其他情况下，过高的离子浓度可能会导致去除效果下降。因此，在实际操作中，需要根据具体水质条件，灵活调整处理参数，以达到最佳的去除效果。

同时，本研究也强调了BSA在水处理中的重要性。由于BSA在自然水体中普遍存在，其对PFBA去除的影响不容忽视。在某些情况下，BSA的存在可能会增强PFBA的去除效果，而在其他情况下，其作用可能会被某些离子所抵消。因此，在实际应用中，需要对BSA的浓度和存在形式进行充分考虑，以优化处理过程。

综上所述，本研究通过系统分析不同共存物质对PFBA去除效率的影响，揭示了其背后的分离机制。这些发现不仅有助于理解PFBA在复杂水体中的行为，还为开发高效、经济的水处理技术提供了理论支持。在实际应用中，合理选择和控制共存物质的种类和浓度，是提高PFBA去除效率的关键。此外，通过进一步研究其他可能的去除机制，如吸附和浓度极化，可以为水处理技术的优化提供更多的科学依据。