《Environmental Research》：Valorization of Waste Activated Sludge for Microalgae Cultivation: Differential Roles and Mechanisms of Extracellular and Intracellular Substances
编辑推荐：
•胞内污泥成分促进藻类生长；胞外聚合物增强采收效率。•在所有测试培养基中，CCS（完全破碎污泥提取物）产生了最高的脂质生产率（8.4 mg/L/d）。•ESS（胞外污泥物质）将藻类沉降体积降至12.1%，实现了高效的低成本采收。•污泥提取物通过上调关键基因重新编程微藻代谢。•
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胞内污泥成分促进藻类生长；胞外聚合物增强采收效率。
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在所有测试培养基中，CCS（完全破碎污泥提取物）产生了最高的脂质生产率（8.4 mg/L/d）。
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ESS（胞外污泥物质）将藻类沉降体积降至12.1%，实现了高效的低成本采收。
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污泥提取物通过上调关键基因重新编程微藻代谢。
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一种级联策略利用污泥：营养物质促进生长，生物聚合物辅助采收。
引言
剩余活性污泥（WAS）是生物污水处理过程中不可避免的副产物，主要由有机污染物代谢降解过程中产生的微生物细胞组成。WAS数量的不断增加带来了重大的环境风险，包括病原体、重金属和有机微污染物对土壤和水体的潜在污染，以及不当处置过程中甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放（Hu等，2022；Song等，2024）。传统的WAS处理方法，包括厌氧消化、土地利用和焚烧，通常伴随着高昂的运行成本、较大的占地面积和二次污染的风险（Chen等，2025）。因此，WAS的可持续且经济有效的管理仍然是污水处理领域面临的关键挑战。
值得注意的是，WAS富含氮、磷、有机物和微量元素（Ding等，2022；Hu等，2022），这些都是微藻异养或混养培养中必需的营养物质。因此，利用消化后的WAS作为微藻培养的营养来源具有双重机遇：既可以减轻WAS处置带来的环境负担，又可以提供低成本培养基，从而促进微藻生物量的可持续生产。
微藻是一类具有高效光合能力的微型生物。其脂质含量可达干重的20%-50%，是生产生物柴油的理想原料（Abdullah等，2024；Palandi和Taghavijeloudar，2024）。此外，微藻来源的蛋白质和类胡萝卜素在食品、饲料和制药行业具有广泛的应用前景（Bhatnagar等，2024；Akbari等，2024）。尽管微藻具有如此多样的潜在用途，但大规模生产微藻生物量仍然受到培养和采收过程高成本和高能耗的限制（Avinash等，2020；Goswami等，2024）。微藻培养可分为三种模式：光自养、异养和混养。光自养培养是依赖光照和CO2的传统方法，通常受限于光照的可用性，导致生物量密度低且容易受到光抑制的影响（Manhaeghe等，2020；Taborda等，2025）。相比之下，异养和混养培养利用葡萄糖和醋酸盐等有机碳源来支持高密度生长并增强脂质和其他生物量资源的积累（Cheng等，2022；Nayana等，2024）。然而，这些有机碳源的高成本目前限制了其实际应用（Wang等，2024）。此外，培养后的采收通常是能耗密集型过程，并且高度依赖微藻细胞特性（如颗粒大小和表面电荷），往往导致回收效率低下（Kumar等，2023；Qian等，2024）。虽然离心可以实现快速分离，但其占生产总成本的20%-30%（Liu等，2023a）。使用化学絮凝剂虽然能提高采收效率，但可能引入金属离子残留，污染生物量并限制其下游应用（Huang等，2024）。
Chlorella pyrenoidosa（球藻/蛋白核小球藻）是一种单细胞绿色微藻，由于其高光合效率、快速生长速度以及对不同环境条件的出色适应能力而备受关注（Cheng等，2022；Miao等，2022）。该物种可在光自养、异养和混养模式下生长，使其成为在富含有机物的培养基（如WAS提取物）中进行培养的理想候选物种（Zhao等，2025）。其混养 versatility 使其能够同时利用光能和有机碳源，从而增强生物量生产和有价值代谢产物的积累（Manhaeghe等，2020）。从工业角度来看，C. pyrenoidosa被认为是可持续生产生物燃料、动物饲料和包括脂质、蛋白质和类胡萝卜素在内的高价值生物活性化合物的有前景的原料（Abdullah等，2024；Huang等，2025a）。先前的研究已证明其能够在替代营养源（包括市政污水和农业废水）中茁壮成长，并对营养和环境胁迫表现出稳健的代谢反应（Mao等，2023；Yang等，2026）。这些特性使C. pyrenoidosa成为研究WAS衍生物作为低成本培养基和采收助剂的潜力的合适模式生物。
一些初步研究探索了使用破碎WAS进行微藻培养的可行性，证明WAS提取物可以增强生物量和脂质的产量（Ramsundar等，2017；Song等，2024）。然而，该领域的研究仍处于早期阶段。具体而言，WAS的胞内和胞外成分在支持微藻生长过程中所发挥的不同作用尚未得到系统性的区分。此外，尚不清楚WAS提取物中的有机和胶体组分是否能够促进微藻絮凝和沉降，从而实现低成本采收——这是微藻生物量生产中的关键瓶颈。
在本研究中，我们通过制备三种类型的市政WAS提取物来填补这些知识空白：完全破碎污泥提取物（CCS）、胞外污泥物质（ESS）和胞内污泥物质（ISS）。这些提取物被应用于Chlorella pyrenoidosa的培养、采收和生物量生产。本研究的主要创新之处在于三个方面：（1）系统比较胞外和胞内WAS成分对微藻生物量生产和细胞絮凝的贡献；（2）通过整合生化检测和转录组分析阐明其内在机制；（3）评估WAS提取物同时作为培养基和自絮凝诱导剂以实现低成本采收的双重功能潜力。研究结果有望为WAS的高效资源化利用以及污泥提取物在微藻生物量生产和采收中的制备与应用提供理论见解和实践指导。
章节摘要
藻株与剩余活性污泥来源
Chlorella pyrenoidosa（蛋白核小球藻）购自中国科学院水生生物研究所，在本研究中作为微藻接种物使用。为后续实验做准备，藻细胞首先在装有500 mL BG11培养基的锥形瓶中培养。预培养过程持续进行，直至细胞进入对数生长期。
本研究使用的WAS取自某污水处理厂生物处理单元二级沉淀池的
超声功率对污泥破碎和养分释放的影响
使用超声波细胞破碎仪在不同功率水平下处理WAS。在破碎前后，使用细胞完整性检测试剂盒对WAS样品进行染色，并在荧光显微镜下观察以评估破碎效率。WAS细胞破碎的结果如图2a所示。绿色荧光代表样品中所有被染色的细胞，而红色荧光表示死亡或被破碎的细胞。
当超声功率设定为60 W时，仅少量
结论
本研究证实，剩余活性污泥（WAS）提取物可作为Chlorella pyrenoidosa的高效低成本培养基，并系统地阐明了WAS中胞内和胞外物质的不同作用及其内在机制，它们在微藻培养和采收过程中分别充当"营养源"和"生物絮凝剂"。结果表明，胞内物质最有效地促进微藻生物量的积累，
CRediT作者贡献声明
Zhang Min-Min（张敏敏）：撰写——初稿，调查研究。Qiu Jian（邱健）：撰写——初稿，调查研究。Zhang Wen-Ying（张文英）：调查研究。Gao Feng（高风）：撰写——审阅与编辑，方法论，调查研究，资金获取，概念构思
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Feng Gao（高风）报告获得了浙江省自然科学基金的财务支持。如有其他作者，他们声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢浙江省自然科学基金（项目编号：LY24B060005）提供的财务支持。
Zhang Min-Min（张敏敏）|Qiu Jian（邱健）|Zhang Wen-Ying（张文英）|Gao Feng（高风）
