《Journal of Environmental Sciences》：Regulatory effects of nano-zero-valent iron on microalgae: Biological properties and auto-flocculation process
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微藻生物技术通过纳米零价铁调控可显著提升污水处理效率，低剂量（0.05-0.10 mg/L）nZVI在初期抑制藻类生长后转为促进剂，使脂类积累增加46.95%和碳水化合物生产达22.97 mg/L，同时提升化学需氧物和磷酸盐去除率至70.69%和95%，并通过促进胞外多糖分泌提高自凝聚效率至93.84%。研究揭示了铁浓度与生长阶段联动的调控机制，为优化微藻污水处理系统提供理论依据。
林秦|尹志宏|孙子颖|朱连东|李美芳
资源与环境工程学院，教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，贵州大学，贵阳550025，中国
摘要
微藻生物技术为废水资源回收提供了一种有前景且可持续的策略。然而，其应用常常受到生物活性低、营养物质去除效率低下以及自絮凝性能不足的限制。本研究探讨了纳米零价铁对微藻的影响。系统地研究了在不同生长阶段添加纳米零价铁的时间和浓度依赖性效应。研究结果表明，低剂量纳米零价铁（0.05-0.10 mg/L）对微藻生长具有双重作用：最初观察到生长抑制现象，随后纳米零价铁作为一种强效信号刺激物，显著增强了脂质积累（提高了46.95%）和碳水化合物产量（提高了22.97 mg/L）。在指数生长阶段，添加0.10 mg/L的纳米零价铁显著提高了废水处理效率，化学需氧量去除率达到70.69%，磷酸盐去除率达到95%。此外，纳米零价铁通过促进胞外多糖分泌和有效电荷中和，提高了自絮凝效率至93.84%，同时减少了抑制性蛋白的释放。本研究为铁对微藻的影响提供了新的见解，并提出了一种通过精确控制添加低浓度纳米零价铁来优化基于微藻的废水处理系统的策略。
引言
由于水质恶化问题日益严重以及全球碳封存目标的推动，微藻生物技术现已广泛应用于废水处理过程中（Li等人，2022；Pang等人，2020；Xu等人，2024a）。关于基于微藻的废水处理的研究主要集中在评估污染物去除效率、监测微藻生物量动态以及评估其对生物气生产的影响，从而为进一步发展奠定了理论基础（Lee等人，2022；López-Sánchez等人，2022）。然而，基于微藻的废水处理的工程潜力受到诸如培养过程中生物活性有限、出水处理效率不高以及自絮凝效果不佳等挑战的制约（Lee等人，2022；Li等人，2020）。因此，当前的研究重点在于促进微藻生长、营养物质（如氮和磷）的去除以及絮凝性能的提高。
铁（Fe）被广泛认为是一种关键的微量元素，它调节着微藻在废水处理系统中的基本代谢过程和性能（Romero等人，2020；Li等人，2013）。铁离子在多种关键生物功能中发挥作用，这使其区别于银、铜或镉等其他金属离子（Shen等人，2024；Sumathi等人，2024）。首先，铁的添加作为关键辅因子，增强了微藻的酶活性并驱动了关键代谢途径（Rana等人，2024）。其次，铁在叶绿体中的电子传递链中起着重要作用，直接影响光合作用效率和光能利用（Wang等人，2025）。第三，铁还调节微生物抗氧化系统和胞外多糖（EPS）的分泌，从而影响氧化应激反应和生物膜的形成（Palandi和Taghavijeloudar，2024）。EPS的分泌通过其功能基团之间的相互作用增强了微藻的自絮凝作用（Shu等人，2025）。鉴于铁对微藻生长的必要性和重要性，有必要深入研究铁在废水处理中的影响，以揭示其作用机制（He等人，2024）。这些机制性作用直接提升了处理效果。例如，据报道添加Fe?O?纳米颗粒可以促进微藻生长和碳水化合物合成，同时不阻碍营养物质吸收（Vargas-Estrada等人，2024），并提高了化学需氧量（COD）的去除率和碳水化合物产量（Akbari等人，2024）。相反，铁缺乏会损害呼吸复合体的活性、氧气消耗和生物分子合成，最终限制微藻生长和处理效果（Martin和Michael Gordon，1988）。然而，铁的生物可利用性仍然是一个主要限制因素，因为其被微藻吸收的过程受到培养基中未螯合铁浓度的影响（Helmann，2025）。此外，由于铁在常见化学形式中的溶解度较低，其环境生物可利用性通常较低（Qiu等人，2022）。因此，寻找高生物可利用性的铁来源并评估其刺激微生物活性和污染物降解的潜力非常重要。
纳米零价铁（nZVI）是一种常用的铁来源，其特点是体积小且能够与微藻细胞表面相互作用（Qiu等人，2022；Falyouna等人，2021）。特别是在铁缺乏的情况下，铁转运蛋白IRT1的表达被诱导，从而增强了铁的吸收（Zelazny和Vert，2015）。目前，大量研究致力于使用nZVI掺杂构建复合材料，并将其作为高级氧化和光催化技术中的催化剂用于废水处理（Eljamal等人，2024；Tesnim等人，2024）。鉴于铁的关键生理作用以及nZVI的独特性质（Maamoun等人，2023），我们提出将其引入基于微藻的废水处理系统将显著调节微藻生长和代谢过程。此外，nZVI对微藻生物活性、EPS性质、污染物去除和自絮凝的调控作用理论上取决于生长阶段，因为微藻生命周期中营养物质需求和动力学特性会发生变化（Liao等人，2018）。然而，目前仍缺乏对nZVI调控的微藻生物处理系统中生物活性变化、处理机制和自絮凝性质变化的理解。
因此，本研究通过在废水处理的不同生长阶段添加nZVI，评估了nZVI对微藻生物活性、营养物质去除和自絮凝性能的影响。本研究系统地阐明了低浓度nZVI在不同生理阶段的调控机制，为工程应用提供了指导，并展示了高效率和低运行成本的潜力。
研究片段
合成废水和nZVI
本研究使用了人工模拟的废水。有关合成废水具体成分的详细信息，请参阅附录A Text S1（Tang等人，2023a）。本研究中使用的nZVI来自华北科技有限公司（中国上海），平均粒径为50 nm。
微藻菌株和培养条件
本研究使用的微藻是普通小球藻（Chlorella vulgaris），来自武汉大学（中国武汉）。C. vulgaris经过预培养
微藻生长和细胞形态分析
为了研究在不同生长阶段添加nZVI对微藻的影响，跟踪并评估了不同培养期间的生长动力学（图1）。结果表明，添加0.05和0.10 mg/L的nZVI对微藻生物量产生了轻微的抑制作用，尽管统计上不显著（p 0.05），这一抑制作用体现在驯化、生长和稳定阶段所有处理组的生物量均较低
研究意义
本研究的目的是探讨nZVI对微藻废水处理过程的影响。nZVI在微藻的不同生长阶段被添加，涉及生理和生化特性、营养物质去除以及絮凝行为等方面。结果表明，nZVI在增强微藻废水处理效果和促进高价值产品的生物量回收方面发挥了关键作用。基于这些发现，提出了一种
结论
本研究通过在不同生长阶段添加nZVI，研究了低浓度nZVI对微藻生理和生化特性、营养物质吸收及絮凝行为的影响。结果表明，添加0.05 mg/L或0.10 mg/L的nZVI在不同生长阶段略微抑制了微藻的生长。低浓度的nZVI刺激了微藻中的铁信号通路，而不是作为营养物质补充剂，显著增强了
CRediT作者贡献声明
林秦：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、数据管理、概念化。尹志宏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、软件使用、资源管理、研究、概念化。孙子颖：撰写——审阅与编辑。朱连东：撰写——审阅与编辑。李美芳：撰写——审阅与编辑。
