《Bioresource Technology Reports》：Preparation, characterization, and flocculation performance of fungi-nanoparticle conjugates for efficient harvest of
Chlorella vulgaris
编辑推荐：
本研究开发了基于镍氧化物（NiO）和锆氧化物（ZrO）的真菌-纳米粒子复合物，用于快速高效收获栅藻（Chlorella vulgaris）。通过测试不同pH、混合速率、温度及接触时间，发现复合物在2小时内收获效率达94.25%（NiO）和85.67%（ZrO），显著优于单独真菌（<50%）。残留金属少，培养基支持藻类再生，表明该方法环保且可重复利用。
Muhammad Hizbullahi Usman|Abdulrahman Sahabi|Muhammad Bello|Aliyu Ibrahim Dabai
马来西亚理工大学理学院生物科学系，81310，斯库代，柔佛州，马来西亚
摘要
利用真菌辅助的方法进行微藻收割已成为一种环保且高效的方式，该方法能耗低且产量高。然而，该方法仍面临一些挑战，尤其是在收割时间较长方面。为了解决这一问题，本研究重点开发了使用氧化镍（NiO）和氧化锆（ZrO）与真菌颗粒结合的复合物，并将其用于收割普通小球藻（Chlorella vulgaris）。通过Zeta电位、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Brunauer-Emmett-Teller分析对这种复合物进行了表征。研究了真菌-NiONP和真菌-ZrONP复合物的收割性能，考察了pH值（3–11）、混合速率（120–180 rpm）、温度（30–45°C）和接触时间（30–180分钟）对这些性能的影响。收割后的培养基经过了残留金属检测，并评估了其是否适合小球藻的再培养。结果表明，与单独使用真菌相比，真菌-NiONP和真菌-ZrONP复合物具有更大的表面积和更优的Zeta电位。值得注意的是，这两种复合物在两小时内分别实现了94.25%和85.67%的收割效率（p < 0.05），显著优于单独使用真菌的效果（低于50%）。回收的培养基能够支持小球藻的再生，并且其中的镍和锆残留量极低，表明其对环境的风险较低且具有较好的回收利用性。总体而言，研究结果表明，真菌-纳米颗粒复合物是快速高效回收微藻生物量的有效絮凝剂。
引言
过去十年中，微藻因其可持续性、高生产力、对环境的低影响、能够产生多种生理活性化合物以及快速生长特性而受到广泛关注（Arguelles和Martinez-Goss，2021；Mousavian等人，2023）。微藻存在于多种环境中，如海洋和淡水生态系统（Krivina等人，2023）。它们可以生成有价值的物质，如色素、脂肪酸、抗氧化剂和蛋白质，这些物质在食品、制药、化妆品等多个行业中具有广泛应用（Russell等人，2022）。微藻生物质生产技术被认为是环保的，因为它们在光合作用过程中利用二氧化碳并释放氧气作为副产品（Demirel等人，2018；Dolganyuk等人，2020）。此外，某些微藻物种（如普通小球藻、Nannochloropsis属、Scenedesmus obliquus和Dunaliella属）的干重中脂质含量高达20%至50%，远高于传统油料作物，因此具有更高的油脂产量潜力（Sajjadi等人，2018；Tahir等人，2024）。尽管如此，微藻生物质的生产仍面临高昂的成本和低产量问题（Salim等人，2011；Ananthi等人，2021）。
收割是将微藻生物质从液体培养基中分离出来的关键步骤。由于微藻细胞体积小（2至20微米），且在培养基中易于悬浮，因此收割过程较为复杂（Yin等人，2020）。此外，收割过程本身占总生产成本的20%至30%，这主要是由于能源、资本和运营成本（Salim等人，2011；Ananthi等人，2021）。为此，人们开发了多种收割方法，包括化学方法、离心、过滤和絮凝（Yin等人，2020；Khan等人，2022）。其中，絮凝方法被证明是最实用且经济有效的方法之一，因为它能使微藻细胞聚集成较大的絮体。虽然化学絮凝剂（如金属盐和聚合物）能够有效收割微藻生物质，但它们也存在一些缺点：可能会用金属盐污染生物质，絮凝剂成本较高，且在高浓度使用时会产生有毒污泥（Deepa等人，2023；Shaikh等人，2021）。
生物絮凝是化学絮凝的一种替代方案，尤其是在当前国际上越来越重视环保技术的背景下。最近，利用真菌辅助进行微藻絮凝的方法受到了广泛关注，因为这种方法操作简单且环保（Chu等人，2021；Hadiyanto等人，2023）。具有自颗粒化能力的真菌可以有效地捕获并吸附微藻细胞（Ray等人，2021）。这种技术简化了微藻-真菌生物质的分离过程，可以通过简单的过滤步骤实现（Lal等人，2021；Leng等人，2021）。此外，这两种生物体（微藻和真菌）共同产生的生物质可以提高最终产品的脂质含量（Chu等人，2021；Li等人，2022a，Li等人，2022b；Goswami等人，2024）。然而，真菌辅助微藻絮凝的一个显著挑战是处理速度较慢，需要5到24小时或更长时间才能有效收割分散的微藻细胞（Lal等人，2021；Nie等人，2022；Shitanaka等人，2023）。研究表明，通过将生物絮凝剂与金属结合来增强真菌絮凝效果，可以提高收割效率、缩短沉淀时间并减少金属消耗（Kurniawan等人，2022）。
近年来，纳米材料被认为是一种可行的解决方案，可以解决微藻收割的问题。这是因为纳米材料具有较大的表面积与体积比、独特的物理化学性质以及与微藻生物分子相互作用的能力（Pahariya等人，2023）。特别是氧化镍和氧化锆纳米颗粒，在短时间内（通常几分钟内）就能显著提高微藻的收割效率（Huang和Kim，2016a，Huang和Kim，2016b；Khanra等人，2020a，Khanra等人，2020b）。尽管如此，仍存在一些挑战，尤其是在生物质分离阶段，这需要倾倒、离心和过滤等步骤。大规模应用这些方法会增加成本，限制了其广泛应用（Kishore等人，2023；Roy等人，2021）。此外，纳米颗粒的微小尺寸可能导致环境污染，进一步限制了其实际应用（Mohanty等人，2014）。最近，微生物作为纳米颗粒载体受到了广泛关注，因为它们具有强大的生物活性、快速繁殖能力和易获得性（Li等人，2022a，Li等人，2022b）。其中，能够形成菌丝颗粒的真菌尤为值得注意，因为它们主要由天然聚合物（如几丁质、纤维素和蛋白质）组成，使其成为理想的纳米颗粒载体（Urbar-Ulloa等人，2019）。此外，这些纳米颗粒在附着在真菌表面后仍能保持其性能，不易与真菌蛋白质结合，且具有更好的稳定性和生物相容性（Kadam等人，2019；Zhang等人，2024）。
本研究提出了一种新的生物加工策略，将真菌颗粒与金属氧化物纳米颗粒结合，以解决微藻收割中的关键问题，包括传统真菌辅助方法中较长的收割时间和复杂的生物质分离步骤（如倾倒、离心和过滤）。与传统基于真菌或纳米颗粒的方法不同，这种复合物作为统一的收割系统，增强了表面相互作用，实现了快速高效的生物质回收。据作者所知，此前尚未有使用真菌-纳米颗粒复合物收割普通小球藻的研究报道。因此，本研究重点制备了这种复合物，并通过Zeta电位（ZP）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析对其进行了物理化学表征。随后在不同pH值、混合速率、温度和接触时间条件下评估了其收割性能，并评估了回收培养基是否适合微藻的再培养。
化学试剂
本研究中使用的所有化学品和培养基均为分析级，购自Permula Sdn Bhd（马来西亚柔佛州斯库代）。包括马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）、马铃薯葡萄糖肉汤（PDB）、氧化镍（NiO）纳米颗粒、氧化锆（ZrO）纳米颗粒、Tween-80、甲醇、氯仿和氯化钾（KCl）。所有试剂均未经进一步纯化直接使用。
微藻来源
本研究选用的普通小球藻（
C. vulgaris）菌株（编号OR794275）来自Nanomaterial公司
Zeta电位特性
Zeta电位是颗粒表面电荷的重要指标，直接影响真菌与微藻细胞之间的相互作用（Nie等人，2022）。在本研究中，真菌颗粒的Zeta电位为-5.36 mV，表明其表面带负电荷。这种负电荷会阻碍收割效率，因为普通小球藻（C. vulgaris）细胞也带有负电荷，导致静电排斥。当与纳米颗粒结合后，表面电荷发生了变化：
结论
本研究开发了纳米颗粒改性的真菌复合物，以实现高效和可持续的微藻生物质收割。与单独使用真菌相比，这种复合物具有更好的表面性能，表现出正的Zeta电位和更大的表面积，从而显著提高了生物质回收率。通过优化工艺，确定最佳条件为pH值5、混合速率160 rpm、温度35°C和接触时间120分钟，可实现高效的收割效果。
CRediT作者贡献声明
Muhammad Hizbullahi Usman：撰写初稿、验证、软件应用、方法设计、实验设计、资金获取、数据管理、概念构思。Abdulrahman Sahabi：撰写与编辑、资源协调、方法设计、实验设计。Muhammad Bello：撰写与编辑、数据可视化、软件应用、方法设计、数据分析、概念构思。Aliyu Ibrahim Dabai：撰写与编辑、验证、实验监督、资源协调、方法设计、数据管理、概念构思。
未引用参考文献
Aravindh等人，2023
Hopes和Mock，2015
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了尼日利亚阿布贾的高等教育信托基金（TetFund）的财政支持。此外，该研究还得到了马来西亚理工大学（UTM）和UTM研究管理中心（RMC）（R.J130000.2654.18J66）的支持。
