综述：废水处理中金属纳米颗粒与微藻的相互作用：环境行为、生理响应及生物质增值

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Metal nanoparticle–microalgae interactions in wastewater treatment: Environmental behavior, physiological responses and biomass valorization

　　

## 论文标题与摘要要点

废水处理过程控制金属纳米颗粒的生物利用度和毒性。纳米-生物界面过程调控吸附、摄入及局部离子释放。金属纳米颗粒胁迫破坏氧化还原平衡、细胞膜、光合作用和生长。剂量范围决定处理增强或生物抑制。颗粒回收与残留控制对生物质的安全增值至关重要。

## 引言

在碳中和与循环发展的背景下，废水处理正日益从单纯的污染物去除转向资源化回收与生物质增值的集成模式[1]。尽管活性污泥工艺仍是市政废水处理的主流技术，但往往受限于高能耗、大量剩余污泥产生、对环境波动和毒性冲击的敏感性以及有限的资源回收潜力[2]。在此背景下，基于微藻的废水处理作为一种有前景的替代或补充策略应运而生。微藻可通过光合作用固定大气中的二氧化碳，并同化废水中的碳、氮、磷，同时合成脂质和蛋白质等附加值化合物[3],[4]。因此，基于微藻的废水处理实现了污染物去除、资源回收和碳减排的多重目标，在环境修复和生物质增值方面均具有潜在效益[5],[6]。然而，微藻废水处理系统通常在复杂的废水基质中运行，而非理想的培养基，其中外部污染物和新兴污染物可能与藻细胞发生相互作用，影响系统性能[7]。在诸多因素中，金属纳米颗粒（MNPs）由于其应用领域的不断扩展以及向水环境的持续输入而日益受到关注[8]。

金属纳米颗粒通常被定义为含金属的超细颗粒，粒径范围为1-100纳米，包括纯金属纳米颗粒和金属化合物纳米颗粒。本综述中，MNPs这一术语被广义使用，涵盖纳米级金属、金属氧化物及其他含金属化合物，以及微藻系统相关的含金属复合纳米材料。近年来，MNPs因其独特的理化性质被广泛应用于电子、生物医学、复合材料、纺织、化妆品、食品包装等领域[9]。然而，MNPs在生产、运输、使用和处置过程中不可避免地释放到水环境中，通过大气沉降、工业排放和生活污水等多种途径进入水生态系统[10]。相当大一部分颗粒最终会进入废水处理厂[9],[11]。根据类型和来源的不同，MNPs在废水处理厂中的检测浓度范围为纳克每升至毫克每升[12]。进入水环境后，MNPs经历一系列物理化学过程，如聚集、溶解、硫化化和生物转化，从而改变其形态、生物利用度和毒性效应[8],[13]。在废水处理系统中，MNPs可通过破坏微生物膜结构和诱导氧化应激对功能微生物产生生理毒性，最终干扰关键生理过程和处理性能[14]。因此，MNPs相关的潜在生态和环境风险已成为重要的关注焦点。

微藻系统对MNPs暴露高度敏感，这体现在藻类生长、代谢活性、废水处理性能和附加值化合物生产的改变方面[10],[15],[16],[17]。MNPs对微藻的影响随纳米颗粒类型、浓度、粒径、表面化学性质、藻种、生长条件及其他环境因素而异[18],[19]。在一些MNP-微藻体系中报告了浓度依赖的两相响应，其中低暴露水平可能与刺激效应相关，而较高浓度则可能导致抑制或毒性。然而，此类响应强烈依赖于纳米颗粒特性、藻种、暴露条件和所评估的生物学终点[20],[21]。在低浓度下，MNPs可通过提供微量元素和适度激活抗氧化系统来促进微藻生长和功能表现[22],[23]。例如，氧化铁纳米颗粒可作为供铁的纳米材料，从而支持微藻生长和脂质积累[23]。在市政废水中，α-Fe2O3纳米颗粒已被证明能增强小球藻和螺旋藻的生长、废水处理能力和脂质产量[22]。相反，高浓度MNPs可通过物理吸附、氧化应激诱导及相关机制破坏微藻细胞结构并扰乱正常代谢，从而损害微藻在废水处理和生物产品合成方面的性能[21]。因此，MNPs并非简单地充当有毒物质；相反，在特定条件下，它们既可充当性能增强剂，也可充当生态胁迫因子。

近年来，MNPs对微藻的影响日益受到关注。现有研究表明，MNP暴露可改变微藻的生长、光合作用和氧化应激响应，进而影响污染物去除和附加值化合物的生产；同时，多项综述已考察了纳米材料对藻类的毒性及其在纳米材料辅助废水处理和生物质增值中的应用[10],[15],[16]。这些研究显著推进了我们对MNP-微藻相互作用的理解。然而，当前知识仍分散于整体过程的不同阶段。特别是，废水介导的纳米颗粒转化、由此产生的纳米-生物界面暴露、细胞生理响应以及最终的过程水平结果之间的机制联系尚未被系统整合。出版趋势和关键词共现分析进一步凸显了这种整合的必要性（补充图S1）。快速增长的文献跨越了纳米颗粒环境行为、微藻生理响应、废水处理和生物质利用等相关主题，表明以环境风险为导向和以应用为导向的研究正在趋于融合。然而，明确连接这些研究领域的过程水平综合仍然有限。因此，需要一篇全面的综述来在集成的、过程导向的框架内重组现有证据，并阐明MNPs的环境行为如何转化为生物学响应和工程后果。

为填补这些空白，本综述将现有证据整合到一个过程导向的框架中，联系MNP转化与暴露、纳米-生物相互作用、微藻响应和工程结果。具体而言，本综述旨在：（1）总结MNPs在水体和废水系统中的环境行为及其与微藻细胞相互作用的关键途径；（2）阐明MNP胁迫下微藻的主要生理和代谢响应，包括生长抑制、氧化应激、膜损伤、光合作用紊乱和能量代谢失衡；（3）考察MNPs在微藻基废水处理和生物质增值中的剂量依赖性效益、制约因素和残留相关风险。最终，本综述旨在提供一个集成的机制理解，以支持纳米颗粒暴露下微藻废水处理的更安全运行和资源回收。

## 片段

### 金属纳米颗粒的水体环境行为与转化

进入水环境的MNPs经历一系列物理化学转化，影响其稳定性、运输行为、生物利用度和毒性[8]。这些转化决定了MNPs在水相中持续存在的物理化学形态，进而影响其与微藻细胞相互作用的后续可利用性。聚集是纳米颗粒在水体环境中最常见的物理转化之一，主要由...

### MNP胁迫下微藻的生理和代谢响应及损伤机制

在MNP胁迫下，微藻损伤并非源于单一事件，而是一个复杂的综合过程，涉及细胞表面干扰、颗粒或离子介导的毒性、细胞内稳态紊乱和功能逐步衰退。外部覆盖和遮蔽可削弱细胞与周围环境之间的物质交换和光能利用，而颗粒内化、膜相互作用和局部离子释放可进一步加剧...

### 金属纳米颗粒在微藻基废水处理和生物质增值中的双重作用

MNPs在微藻基废水处理系统中的作用并非单纯的促进或抑制，而是表现出明显的双重特性。在适当条件下，MNPs可通过微量元素补充、光催化辅助、类酶活性和改善分离来提高废水净化性能，促进生物质和附加值产品的积累，并增强收获或下游处理效率。然而，过量暴露和颗粒...

### 挑战与展望

将MNP-微藻系统从机制研究推进到水处理应用，不仅需要判断颗粒是有利还是有毒。关键的工程问题是何时、何处、以及暴露多长时间后MNPs仍保持有效而不损害处理稳定性或生物质安全性。现有证据指向剂量和情境依赖的响应：低剂量或受控暴露可能支持微藻功能，而过量、转化后或残留的颗粒则可能...

## 结论

本综述将MNPs的环境行为与纳米-生物界面过程、微藻生理响应以及废水处理和生物质增值中的工程结果联系起来。进入水环境和废水环境后，MNPs经历聚集、溶解、硫化/氯化化和生物转化，从而改变其形态、生物利用度和毒性。其对微藻的影响还受颗粒特性、废水化学性质等因素的调控...

## CRediT作者贡献声明

王雨鹏：软件。康佳：资金获取。李瑞华：资金获取。颜鑫：资金获取。宋国夫：指导。刘淑丽：撰写-原稿、方法论、概念化。李琦：撰写-原稿。郭宁：撰写-原稿。Glen T. Daigger：可视化。侯鹏程：撰写-审阅与编辑。张玉红：撰写-审阅与编辑。李嘉林：撰写-审阅与编辑。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到河南省杰出外籍科学家工作室项目（编号GZS2026013）、高端外国专家引进计划（编号S20240110、HZGD2024024、G2022026015L）、河南省高校青年骨干教师培养计划（编号2024GGJS064）、国家自然科学基金（编号51708214）、河南省重点推广项目（编号252102321173、262102321047、262102321051）以及硕士...

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