文章信息
● 第一作者：Bin Long（得克萨斯大学）
● 通讯作者：Joshua S. Yuan， Susie Y. Dai（得克萨斯大学）
● 论文DOI：10.1038/s41467-025-67543-5
研究亮点
微塑料已成为主要的环境危害，亟需高效、经济且可持续的修复技术。
近期发表在《Nature Communications》的研究引入了一个利用藻类修复并升级循环微塑料的一体化平台，同时协同实现塑料升级循环、废水处理和藻类生产。采用了一种增强细胞表面与微塑料之间疏水相互作用的机制，从而实现快速聚集与去除。
主要内容
疏水“磁吸”，1小时极速清“塑”
该研究通过合成生物学手段，改造蓝藻（UTEX2973），使其高效生产并分泌柠檬烯，显著增强了细胞表面的疏水性（图1a,g）。这种疏水性工程蓝藻（HCC）能像“磁铁”一样，通过疏水作用快速吸附并聚集微塑料，形成易于沉淀的复合体。实验证明，HCC在短短1小时内即可去除高达91.4%的聚苯乙烯（PS）微塑料（图1c,e），其去除能力达到每克生物质去除0.1克微塑料（图1f），效率远超传统依赖胞外聚合物的生物修复方法。微观成像（TEM和SRS）直接揭示了柠檬烯在微塑料富集位点的存在，证实了疏水作用是驱动捕获的核心机制（图2）。
Fig.1|疏水性蓝藻细胞（HCC）对微塑料的去除。a疏水性介导的细胞-柠檬烯-微塑料相互作用的示意图。b将梯度浓度的200 nm聚苯乙烯（PS）微塑料与（野生型）WT和HCC细胞混合（最终浓度从左至右：0%，0.001%，0.005%，0.01%，0.02%，0.05%）。在HCC-PS样品中观察到沉淀，而在WT-PS样品中则无。此外，沉淀随PS浓度增加而增加。c对悬浮液进行低速离心（将微塑料与蓝藻细胞分离）后的进一步分析显示，HCC样品中聚苯丰度显著降低（除0.01%PS浓度下p=0.14外，其余p<0.05）。为便于比较，将含有0.05%PS微塑料的WT样品读数归一化为100%。d发现HCC样品中的沉淀物比例显著高于WT样品（p<0.01）。e与HCCPS悬浮液（37.8%）相比，WTPS悬浮液（65.3%）中的PS比例显著更高（p=0.016）。f实验表明，40 mgHCC足以去除83.7%的5 mgPS微塑料，得出其去除能力约为每克（干重）HCC去除0.1克微塑料。
Fig.2|HCC去除微塑料的机理。为验证柠檬烯是HCC捕获微塑料的主要驱动力和介质，我们利用TEM（a）和SRS（b）研究了聚苯乙烯与细胞的相互作用。TEM图像显示，聚苯乙烯（PS）随机附着在WT细胞上，而PS微塑料则富集在HCC细胞的交叉处，该处预计存在柠檬烯以驱动细胞聚集（a）。WT+PS和HCC+PS样品中白色框内的区域被进一步放大显示在第三列，以突出详细的相互作用（放大图）。这些结果有力地支持了HCC主动捕获微塑料的能力。SRS图像（b）证实了HCC-聚苯乙烯样品中存在柠檬烯信号（绿色），以及WT+PS（上行）和HCC+PS（下行）样品中存在聚苯乙烯信号（红色）。合并两个信号表明，HCC与聚苯乙烯之间的相互作用是由柠檬烯与PS微塑料之间的疏水作用驱动的（b中第三列）。实验独立重复三次，结果相似。
广谱捕获，复杂环境显身手
该技术的优势在于其广谱性。HCC不仅能高效去除纳米级的PS微塑料，还能有效捕获尺寸更大（微米级）的聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等多种常见塑料（图3）。更重要的是，研究在实际采集的地表水和废水环境中进行了验证。无论是在成分复杂的废水还是天然水体中，HCC均能保持优异的微塑料去除性能，对500-800nm的PS去除率可达约90%（图4a）。显微镜观察进一步确认，HCC能够与环境中实际存在的、成分复杂的微塑料发生有效结合（图4b），展示了其应对真实环境挑战的潜力。
Fig.3|疏水性蓝藻细胞（HCC）捕获聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乙烯（PE）。使用荧光显微镜评估HCC捕获PET（d-f）和PE（j-l）的能力，并以WT细胞（PET对应a-c，PE对应g-i）作为对照。通过检测叶绿素荧光（激发546/10 nm，发射585/40 nm）观察蓝藻细胞，同时使用DAPI滤光片（激发350/50 nm，发射460/50 nm）观察微塑料的自发荧光。合并图像（PET对应f，PE对应l）和放大图像（m，n）清晰地展示了HCC与微塑料之间的相互作用，而在WT样品（c，i）中未观察到此类相互作用。这些结果支持了HCC捕获微塑料的能力。实验独立重复三次，结果相似。
Fig.4|在环境相关条件下评估微塑料去除效果。a将直径为200 nm（PS200）、500 nm（PS500）和800 nm（PS800）的PS微塑料加标到地表水（SW）和废水（WW）样品中。通过测量经低速离心分离后的悬浮液中微塑料的浊度，评估HCC在这些环境中的微塑料去除能力。WT细胞作为基线对照。与WT样品相比，HCC样品悬浮液中的浊度显著降低，表明在此条件下微塑料被有效去除。bHCC与从地表水和废水样品中收集的微塑料相互作用的显微镜观察。在HCC样品中观察到明显的相互作用，而在WT样品中则无，表明HCC具有去除环境中微塑料的能力。数据显示为平均值±标准差（n=3个独立的WW样品和6个独立的SW样品）。
三合一系统：去塑、净水、产藻三不误
该研究超越了单一的去除功能，构建了一个协同整合平台（RUMBA）。该系统将微塑料修复、废水养分去除和蓝藻生物生产三者结合。实验表明，HCC在含有微塑料的废水中生长时，不仅能有效去除微塑料（5天内去除率35.8%-54.3%，优化后可达88.6%），还能同步高效吸收废水中的硝酸盐（去除率>98%）和磷酸盐。同时，蓝藻利用废水中的养分和CO2进行生长，生产出有价值的生物质，实现了“以废治废”和资源回收。
变废为宝：微塑料“升级”为高韧性生物塑料
研究提出了创新的下游增值路径。将HCC捕获微塑料后共沉淀产生的混合物（含蓝藻生物质和微塑料），加工制备成新型生物塑料复合材料（图5a）。力学测试显示，与纯PS塑料相比，这种升级循环制成的HCC-PS复合薄膜虽然拉伸强度有所下降，但其伸长率和韧性分别提升了2.3倍和2.2倍（图5d-g），获得了更优的柔韧性和抗冲击性能。这为捕获的微塑料找到了高价值的出路，避免了二次处置难题，真正迈向循环经济（图5b）。
Fig.5|微塑料升级循环与生物塑料生产示范。a将来自RUMBA的含有聚苯乙烯（PS）微塑料和HCC生物质的沉淀物加工生产生物塑料的步骤。bRUMBA促进微塑料修复、生物塑料复合材料生产及循环经济的概念图。c由含有PS微塑料与HCC或WT细胞混合物的沉淀物生产的生物塑料复合薄膜。制备纯聚苯乙烯薄膜作为基准对照。薄膜的应力-应变曲线如（d）所示。尽管由WT-PS和HCC-PS制成的生物塑料薄膜的拉伸强度分别仅为聚苯乙烯薄膜强度的52.9%和66.5%（e），但HCC-PS薄膜的伸长率（f）和韧性（g）显著增加。具体而言，HCC-PS薄膜的伸长率（f）和韧性（g）分别是聚苯乙烯薄膜的2.3倍和2.2倍，突出了升级循环生物塑料独特且具有潜在价值的性能。数据显示为平均值±标准差（n=12个独立的PS样品，6个独立的WT-PS样品，8个独立的HCC-PS样品）。
前景可期：经济与环境效益双赢
技术经济分析和生命周期评估为RUMBA的规模化应用提供了乐观展望。分析表明，在开放式池塘系统中，该工艺生产的生物塑料最低销售价格（MSP）约为3.58美元/公斤，与市场上常见的生物塑料（如PHA）价格具有竞争力。若采用可再生能源供电，整个生命周期甚至可实现负碳排放（净利用3.21 kg CO2/kg生物塑料）。该工艺协同带来的微塑料去除、废水养分利用等环境效益尚未完全计入经济模型，其实际经济与环境价值可能更高。
结语
该研究成功开发了一种名为RUMBA的创新型一体化平台，它利用合成生物学设计的疏水性蓝藻，高效修复水体中的微塑料污染。该技术的核心亮点在于其高效性（1小时快速去除）、广谱性（针对多种塑料）和协同性（同步实现废水脱氮除磷与蓝藻生物生产）。更重要的是，它开创性地将捕获的微塑料“升级”为机械性能更优的生物塑料复合材料，为微塑料找到了资源化、高值化的出口，完美契合循环经济理念。结合积极的技术经济与生命周期评估结果，RUMBA不仅为应对日益严峻的微塑料污染问题提供了一种强有力的可持续技术方案，更展示了一条将环境修复、资源回收和绿色制造相结合的变革性路径，具有重大的科学意义和应用前景。
资讯来源：微信公众号”Envir-Cont&Micro“推文《利用藻类修复并促进微塑料循环：同步实现废水养分去除与生物生产潜力》
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