《Chemical Engineering Journal》：Function and mechanisms of polyethylene glycol-modified sodium acrylate-acrylamide hydrogel for microalgal biomass enrichment and purification
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微藻生物质的同步浓缩与杂质去除是开放培养系统中的关键挑战。本研究通过引入聚乙烯醇（PEG）作为孔隙形成剂，合成了不同PEG含量（0-20 wt%）的聚钠丙烯酸-丙烯酰胺（PSA-AM）多孔水凝胶。结果表明，不含PEG的水凝胶（0 wt%）具有最高肿胀比（200.3%）和藻类浓缩效率，但无法有效去除EPS；而15 wt% PEG水凝胶在EPS去除率达10.7%的同时，导致浓缩效率下降。10 wt% PEG水凝胶在保证机械强度的同时，实现EPS去除率9.8%和叶绿素a/VSS比值提升7.63%，达到性能平衡。这种通过调控孔隙结构实现大小选择性分离的策略，为开放系统微藻生物质的绿色高效回收提供了新方案，在生物燃料和水处理领域具有重要应用价值。
Cong-Cong Tang|Qiao Zhong|Yi Liu|Yong-Qi Cheng|Sheng-Long Chen|Zhang-Wei He|Zhi-Hua Li|Yu Tian|Xiaochang C. Wang
教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安710055
摘要
水凝胶在微藻收获方面具有潜力，但大多数研究集中在水分去除上，忽略了同时分离生物质与共存杂质（如细菌和胞外聚合物物质（EPS）的挑战，尤其是在开放式培养系统中。为了解决这些问题，超强吸水性聚合物水凝胶（SAPs）作为一种有前景的解决方案应运而生，有助于实现生物质浓缩和杂质去除。在本研究中，使用丙烯酸钠（6 wt%）和丙烯酰胺（4 wt%）以及聚乙二醇（PEG）作为成孔剂，合成了一系列多孔PSA-AM水凝胶。评估了不同PEG含量（0、2.5、5、7.5、10、15和20 wt%）的水凝胶的膨胀行为、收获效率、净化能力、机械性能和可重复使用性。结果表明，不含PEG（0 wt%）的水凝胶具有最高的膨胀比和生物质浓缩效率，叶绿素a（Chl-a）浓度增加了200.3%。然而，它们缺乏有效去除杂质的能力。将PEG含量增加到15 wt%后，EPS去除率提高到10.7%，但收获效率和机械强度下降。相比之下，含有10 wt% PEG的水凝胶达到了平衡，EPS含量减少了9.8%，Chl-a/VSS比率提高了7.63%。PEG的引入创造了选择性分离的孔隙，保留了较大的藻细胞，同时允许较小的杂质（如EPS）扩散到水凝胶内部。本研究确定10 wt% PEG是微藻生物质收获的最佳选择，有助于解决开放式培养系统中的问题，并推进其在生物燃料和废水处理中的应用。
引言
全球人口的快速增长和工业化的加速使得环境保护和可持续资源利用变得日益紧迫[1,2]。为了实现可持续发展，必须推广第三代生物能源（如微藻），并加速向绿色低碳能源结构的转型[3]。微藻具有生长周期短、光合作用效率高和环境适应性强等优点[4]。研究表明，微藻可以直接利用环境中的无机碳源和营养物质，并能高效去除氮和磷，同时依靠生物吸附、生物积累和生物转化去除重金属[5,6]。除了上述生理特性外，微藻还能合成微藻生物质，实现废水的资源化利用并去除其中的污染物[7,8]。因此，微藻在资源利用和污染减少方面具有双重优势，为环境保护和可持续发展提供了有效的解决方案。
微藻培养主要通过悬浮培养进行，其中开放式培养因其低成本、操作简便和适合大规模生产而得到广泛应用[9]。在开放式培养系统中，废水可作为替代营养源，有可能降低培养成本[10]。Jaiswal等人[11]报告称，在高密度藻类池塘（HRAPs）中使用市政废水培养的Chlorella sorokiniana（UUIND6）在14天内去除了70–95%的关键污染物，同时提高了生物质产量、生产力和生化组成。Shao等人[12]优化了跑道池塘设计并结合电场刺激，使生物质产量提高了14.7%，CO?固定率提高了23.6%，为废水处理系统中的微藻培养提供了一种有效策略。然而，由于开放式培养系统的非密封设计和操作方式，更容易引入细菌、溶解有机物（DOM）、胞外聚合物物质（EPS）和其他杂质[13]。这显著影响了收获的微藻生物质的质量，在收获过程中带来了浓缩和净化的双重挑战。传统的离心、沉淀和过滤方法仅关注微藻生物质浓缩，能耗高且成本高，无法有效去除共存的细菌、EPS和DOM[14,15]。这些杂质的存在极大地限制了生物质在生物燃料和食品级产品等高纯度要求领域的应用。因此，迫切需要开发一种高效且经济可行的策略，在开放式培养系统中同时实现生物质浓缩和杂质净化。
超强吸水性聚合物水凝胶（SAPs）由于其强大的吸水能力和选择性保留藻细胞的微孔结构，在微藻收获方面已被证明是有效的[16]。这些水凝胶能够快速去除水分，同时通过尺寸排除或捕获作用保留微藻细胞。例如，Martín del Campo等人[17]证明SAPs可以通过吸水有效浓缩微藻培养物，而Wei等人[18]报道了聚丙烯酸水凝胶在批处理系统中用于微藻脱水的有效性。尽管取得了这些进展，但大多数现有研究仍集中在提高吸水能力和可重复使用性上[19]，而它们去除细菌和大分子有机物（微藻悬浮液中的常见杂质）的能力却鲜有关注。鉴于微藻、细菌和EPS在大小和亲水性上的差异，这些较小的杂质可能会与水一起被吸收到水凝胶基质中[20]，表明SAPs也有潜力用于生物质净化。通过调整水凝胶结构以利用这些物理化学差异，可以实现同时浓缩和净化的目标。引入成孔剂（如聚乙二醇（PEG）可以调节孔径大小、网络柔韧性和杂质相互作用。然而，优化水凝胶在微藻浓缩和杂质去除方面的性能仍然具有挑战性，因为增强净化的修改（例如更大的孔径）通常会降低膨胀能力和生物质保留能力。这种固有的功能权衡需要平衡水凝胶的结构和组成，以实现双重功能。
本研究旨在合成多种多孔超强吸水性聚合物水凝胶。具体来说，使用聚乙二醇（PEG）作为成孔剂，改变化学丙烯酸钠（SA，6 wt%）和丙烯酰胺（AM，4 wt%）的聚合过程，以制备用于开放式系统中微藻生物质收获的水凝胶。系统地研究了不同PEG浓度对收获效率、水凝胶性能、杂质吸收能力和可重复使用性的影响。通过这种双重视角的评估，我们希望提供关于浓缩和净化功能之间权衡的见解，并为设计适用于开放式系统微藻生物质回收的多功能水凝胶提供新的策略。
部分摘录
微藻生物质培养
本实验中使用的微藻生物质来自中国西安某市政污水处理厂二级澄清器的出水，在进行消毒处理之前获得。样品在-20°C下冷冻保存15天以减少微生物数量。解冻和过滤后，将生物质接种到根据Chen等人[21]方法制备的合成废水中，并在光照条件下进行培养。
添加PEG的聚丙烯酸钠-丙烯酰胺水凝胶的膨胀性能
通过将水凝胶浸泡在去离子水中并测量其膨胀比来评估不同PEG含量的PSA-AM水凝胶的膨胀性能，以评估其吸水能力。如图1所示，所有水凝胶在最初的8小时内都表现出快速膨胀，在24小时内达到近似平衡。值得注意的是，PEG含量较高的水凝胶（≥7.5 wt%）在初始膨胀速率（例如，在前2小时内）更快
结论
PEG改性的PSA-AM水凝胶在微藻收获和净化方面表现出可调的性能。当PEG含量为0 wt%时，水凝胶的富集效果最佳，Chl-a浓度增加了200.3%，VSS达到915 mg/L。当PEG含量为15 wt%时，净化效果最佳，EPS去除率为10.7%，Chl-a/VSS比率提高了7.63%。含有10 wt% PEG的水凝胶达到了平衡，EPS含量减少了9.8%，Chl-a/VSS比率提高了7.63%，同时具有最佳的机械强度。
CRediT作者贡献声明
Cong-Cong Tang：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据分析、概念化。Qiao Zhong：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论、数据分析、概念化。Yi Liu：资源获取、调查、数据分析、概念化。Yong-Qi Cheng：可视化、验证、监督、数据分析、概念化。Sheng-Long Chen：项目管理、方法论
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：51908448）、城市水资源与环境国家重点实验室开放项目（项目编号：QA202315）、陕西省自然科学基金（项目编号：2024JC-YBMS-393）以及中国陕西省教育厅（项目编号：23JT022）的支持。
