《Water Resources and Industry》：Duckweed-based systems in the water-energy-food nexus: controlled environment agriculture (CEA) for industrial water reuse and nutrient recovery
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本文系统综述了浮萍（Lemnaceae）在受控环境农业（CEA）和垂直农业系统中的室内培养新进展。文章聚焦于工作体积大于1升的实验室及中试系统，深入探讨了浮萍在废水处理、养分回收、食品、饲料、生物能源生产以及闭环生命支持系统等多功能生物资源应用中的潜力。作者指出，浮萍的快速生长、高养分吸收能力及水生生长习性使其特别适合整合到水-能源-食物纽带中。综述强调了从实验室研究向中试及工业化规模放大过程中面临的系统稳定性、运行成本及微生物控制等关键挑战，并展望了其在可持续水回用和生物质增值方面的新兴技术前景。
浮萍（Lemnaceae）作为地球上生长最快的开花植物，正日益成为水-能源-食物纽带中一种多功能生物资源。其在受控环境农业（CEA）和垂直农业系统中的应用，为可持续水回用、养分回收以及食品、饲料和生物能源生产提供了创新解决方案。
浮萍基系统在水-能源-食物纽带中的应用前景
浮萍系统在水处理方面展现出广泛适用性，可有效处理畜禽粪便废水、市政污水和工业废水。研究表明，浮萍能高效去除氮（N）、磷（P）等营养物质，对化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）也有显著降低作用。在动物粪便废水处理中，浮萍的生长和养分去除效率与营养负荷密切相关，需适当稀释以避免铵（NH4+）毒性。对于市政和生活污水，浮萍能在几天内实现超过90%的铵氮（NH4-N）和80-90%的磷（P）去除，同时产生高生物量。面对工业废水中的重金属或农药污染，某些浮萍物种表现出耐受性和积累能力，例如在优化条件下可去除高达98%的铅（Pb）和85%的镉（Cd），显示了其在植物修复方面的潜力。
此外，浮萍因其高生长速率和营养吸收能力，被考虑用于受控生态生命支持系统（CELSS），例如在太空任务中，将废水循环与食物和氧气生产相结合。初步研究显示，浮萍系统能在模拟微重力环境下抑制微生物生长，并维持生物质生产。
室内浮萍培养的关键影响因素与系统设计
浮萍的生长和系统性能受到多种生物和工程因素的共同影响。关键的生物因素包括物种选择（如Lemna minor, Landoltia punctata, Spirodela polyrhiza等）、营养液成分、温度（最适20–30 °C）、pH值（最适5.0–7.0，耐受范围3.0-10.0）以及光照强度与光周期。工程因素则包括水力设计、培养深度、种群密度、收获策略、营养投加、微生物控制和能源输入（特别是照明和气候调节）。
相对生长速率（RGR）是衡量浮萍生长效率的关键指标。研究发现，短期实验室实验常会高估长期生产力，随着培养时间和系统复杂性的增加，RGR会下降。中试规模的研究表明，稳定的运行和实际的生产力需要生物过程和工程子系统的综合管理，而非单一参数的优化。
在系统设计方面，计算流体动力学（CFD）分析表明，流速、水深和托盘几何形状强烈影响停滞区的形成和沟流现象。较高的流速（5–10 L/min）能显著减少停滞体积。培养系统的设计，特别是用于垂直农业的浅层培养和多层堆叠，对于提高有效生长表面积至关重要。保持适宜的种群密度（例如初始覆盖率约60%）对于快速进入指数生长期非常重要。自动化或半自动化的收获系统对于大规模垂直农业中的密度控制至关重要。
浮萍生物质的能源化途径
浮萍生物质可通过多种途径转化为能源。其组成特点（高挥发性固体、低灰分、低木质素、高纤维素/半纤维素和淀粉含量）使其适合用于生物精炼。
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生物油：通过热化学转化（如水热液化HTL、热解）生产。HTL在360–370 °C、15-45分钟条件下，产油率可达34.7–35.6%。浮萍生物油可进一步分馏为汽油（C6-C10）、煤油（C10-C16）、柴油（C16-C20）等。
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生物氢：通过暗发酵生产。当浮萍与葡萄糖或柿皮等共发酵时，产量可达较高水平，温度升高至55 °C时，产量可达416 mL H2/g干重（DW）。
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沼气：通过厌氧消化产生。浮萍的碳氮比（C/N≈15:1）略低于高效产甲烷的最佳范围（20-30:1），但其高碳含量仍显示出转化潜力。研究表明，未经处理的浮萍生物质产沼气量约为250 NL/kgVS，而简单的低成本预处理（如干燥或发酵预处理）可将产气量提高50%以上。与粪便或污水污泥共消化可以改善底物生物降解性和C/N平衡，从而提高消化器性能。
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生物乙醇：由于浮萍碳水化合物含量高，是生产生物乙醇的良好原料。通过酶法糖化（使用α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、普鲁兰酶）和发酵（酵母），乙醇产率可达0.16–0.19 g/gDW。高淀粉浮萍生物质无需预处理即可释放高达88.4%的葡萄糖，年乙醇产量估计约为16000升/公顷，比玉米高出约2.6倍。
浮萍在食品和饲料生产中的价值与安全考量
浮萍具有很高的营养价值，干重基础下蛋白质含量可达20–45%，脂质4–7%，淀粉4–10%，是传统动物蛋白饲料（如豆粕）的有前景的替代品。其蛋白质含有所有人类必需氨基酸，并富含抗氧化剂、铁、锰、锌以及叶黄素、β-胡萝卜素和玉米黄质等植物化学物质。某些物种（如S. polyrhiza）因纤维含量较低、消化率较高，特别适用于鱼、家禽和猪的日粮。
然而，将废水培养的浮萍用于食品或饲料需要严格管理化学和微生物安全。主要安全问题包括重金属（如Cd, Pb, As, Hg）和过量微量元素的积累，以及指示生物和食源性病原体的潜在污染。欧洲食品安全局（EFSA）的评估指出，浮萍新型食品的安全性取决于栽培条件，特别是锰的摄入量。因此，需要严格控制施肥策略、水源并持续监测微量元素浓度。受控环境农业（CEA）和室内培养系统通过实现基于HACCP的生产、可控的水质和减少外部污染源暴露，提供了显著优势。
从中试到商业化：挑战与未来方向
将浮萍培养从实验室规模扩大到中试和工业规模面临多重挑战。系统稳定性、运行成本（尤其是照明和气候控制的能耗）以及微生物控制是关键瓶颈。实验室规模的短期实验往往在非限制性条件下进行，报告的高RGR值可能无法直接转化为大规模下的持续生产力。
未来的研究应侧重于长期养分管理策略、微生物群落稳定性、标准化性能指标以及技术经济评估。需要采用整体设计框架，综合考虑水力配置、生物质收获、养分管理、微生物稳定性、气候调节和能源产量优化之间的相互依存关系。应用驱动的研究至关重要：用于废水处理的研究应关注可变进水水质下的长期稳定性；用于生物能源的研究应聚焦于促进碳水化合物积累的培养方案；用于食品/饲料的研究则应优先考虑蛋白质产量、氨基酸谱和安全方面。
此外，将浮萍培养与废水处理厂（WWTP）的营养物质和废热回收、水回收系统（如大气水生成、雨水收集）以及可再生能源相结合，可以进一步提高其可持续性和经济可行性。数据驱动和人工智能辅助的控制策略为管理浮萍CEA系统中复杂的、非线性的相互作用提供了巨大潜力。
总之，基于浮萍的受控环境农业（CEA）是一种有前途但仍在发展中的技术，适用于可持续水回用和生物质增值。走向实际应用将取决于中试规模的验证、改进的工艺整合以及对经济和安全约束的稳健评估。
