《Journal of Environmental Sciences》：A critical review on microalgae-driven wastewater treatment: Dual focus on high-value bioproducts recovery and emerging contaminants removal
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微藻通过吸附、降解及转化去除新兴污染物，并利用其生物质生产高价值化合物（如油脂、色素），推动废水资源化与循环经济，但需解决培养稳定性、经济可行性和生物富集风险等问题。
刘淑丽|华家军|张玉红|高亚彤|韩晓红|刘亚丽|格伦·T·戴格|李琦|郭宁|宋志新|张鹏|张茜|宋刚夫
华北水利电力大学生态与环境学院，中国郑州450000
摘要
基于微藻的废水处理是一种可持续的方法，可以有效去除营养物质和重金属。除了这些传统污染物外，微藻还通过吸附、生物降解和生物转化表现出缓解新兴污染物（ECs）的潜力。除了评估ECs的环境存在和生态风险外，本综述还重点介绍了微藻在多种废水类型中的应用，并探讨了高价值化合物的生物合成途径。文章讨论了生物质增值的过程控制和优化方法，重点关注光照、温度、营养物质和培养模式对脂质、色素和多不饱和脂肪酸合成的影响。同时，也探讨了这些生物产品在生物能源和医药领域的潜在应用。然而，接触ECs给生物质利用带来了挑战，特别是与菌株耐受性、生物积累风险和下游处理相关的问题。文章概述了大规模实施的关键挑战，包括培养稳定性和经济可行性，并提出了包括基因工程和智能过程集成在内的先进策略。强调了这项绿色技术在支持循环经济和实现碳中和方面的战略意义。
引言
全球人口的持续增长和工业化的快速推进加剧了水资源短缺问题，使其成为21世纪最严峻的挑战之一。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，到2050年全球淡水需求预计将增加55%。与此同时，每年从农业、工业和城市来源产生的废水超过380万亿升，其中通常含有氮、磷和各种有机污染物（de Morais等人，2023年）。除了这些传统污染物外，农业和工业废水中新兴污染物（ECs）的广泛存在和持久性，如抗生素和微塑料，由于其潜在的生态和人类健康风险（表现为内分泌干扰和抗生素抗性的增加）引起了全球的关注（Kadri等人，2024年；Zhang等人，2024a年）。鉴于这些挑战，传统的废水处理技术的效果越来越有限。虽然物理和化学方法在去除污染物方面有效，但它们受到膜污染、高化学需求和二次污染等问题限制（Goswami等人，2021年；Nishat等人，2023年）。像活性污泥法这样的生物过程依赖于微生物来降解有机物，但在处理高盐度废水、高营养负荷或ECs时效果会下降（Mainardis等人，2022年；Zhou等人，2022年）。此外，传统方法通常无法有效去除微量重金属和持久性有机污染物，从而限制了资源回收和符合日益严格的排放标准（Sharma等人，2022年）。这些限制凸显了开发能够有效去除污染物的创新技术的必要性，特别是ECs，因为它们的低浓度、化学多样性和抗生物降解性使得它们难以消除，同时实现资源回收对于长期可持续性至关重要。
基于微藻的技术为废水处理提供了一种有前景的补充方案，具有更好的污染物去除和资源回收潜力。通过光合作用，微藻能够高效地从废水中吸收氮、磷和其他营养物质，而无需大量的化学处理，因此基于微藻的废水处理更加环保（Fetisoa等人，2024年；Kong等人，2025年）。像普通小球藻和斜纹沼泽藻这样的物种在市政和工业废水中表现出出色的污染物去除能力（Sharma等人，2022年；Silva等人，2022年）。此外，它们通过生物吸附和代谢转化来缓解ECs的能力使微藻成为应对这些挑战的重要候选者。例如，斜纹沼泽藻已被证明可以去除高达80%的四环素抗生素，而其分泌的胞外聚合物物质（EPS）可以螯合重金属（Tang等人，2020年；Zhang等人，2024a年）。这种“资源驱动的废物修复”方法不仅降低了处理成本，还减少了与传统生物过程相关的温室气体排放，如N2O。
除了环境效益外，废水处理过程中产生的生物质还可以转化为高价值产品，使废水处理与资源回收和循环经济目标保持一致。微藻本身富含脂质（20%-50%）、蛋白质（10%-30%）和碳水化合物（5%-40%），使其适合作为可再生生物燃料（如生物柴油、生物乙醇和沼气）的原料（Goswami等人，2021年；Nishat等人，2023年）。脂质可以通过酯交换转化为生物柴油，产生的燃料性能可与化石柴油媲美，而剩余的生物质可以通过厌氧消化产生甲烷，实现约60%-70%的能量回收效率（Hasan等人，2024年；Pandey等人，2024年）。此外，微藻还可以产生多种生物活性化合物，如色素、抗氧化剂和多不饱和脂肪酸，这些化合物在食品、制药和化妆品行业中有应用（Choudhary等人，2025年；Tang等人，2020年）。其中，从微藻中提取的藻蓝蛋白市场价格可能超过每公斤3000美元，其他高价值色素，如虾青素（每公斤2500-7000美元）和β-胡萝卜素（每公斤300-3000美元），也显示出巨大的市场需求和经济潜力（Kumar等人，2022年）。通过将废水处理与生物精炼过程相结合，可以建立一个闭环的“废水-能源-产品”系统，显著降低生产成本并提高整体经济可行性（Choudhary等人，2025年；Kadri等人，2024年）。
本综述系统地探讨了微藻在废水处理中的作用，重点关注它们在多种废水类型中的应用。特别关注了微藻生物质转化为生物能源和高价值产品的生物转化途径。在此基础上，提出了一个循环模型，其特征是“废物衍生藻类培养、基于藻类的污染物去除和资源回收”，以促进微藻资源的可持续利用。此外，基于最近在ECs去除方面的进展，讨论了微藻所采用的机制，并强调了ECs对微藻生理和生物质增值的环境紧迫性。通过整合这些见解，讨论了优化废水处理系统中能量和物质循环的创新策略，从而强调了微藻在环境修复和生物制造中的双重作用。
节选内容
微藻在废水处理中的应用和价值
自20世纪50年代以来，人们就提出在废水中培养微藻作为去除污染物的可行策略（Oswald等人，1953年）。此后，研究工作越来越多地集中在阐明微藻在处理各种类型废水中的作用。附录A 表S1总结了基于微藻处理的代表性研究，详细介绍了废水类型、应用的藻类物种、污染物去除效率以及产品回收的潜力。
生物燃料
生物燃料——包括生物柴油、生物乙醇和生物氢——是从生物质中提取或通过生物过程生产的可再生燃料。微藻被视为高效的第三代生物燃料原料，具有更高的光合效率、快速的生物质积累和相对于传统陆地油作物的较低耕地需求（da Silva等人，2025年）。此外，微藻可以在多种环境中培养
微藻中高价值化合物生产的调控因素
微藻中高价值代谢物的合成受到物种特性和培养条件的调控。以下部分对这些调控效应及其潜在机制进行了深入分析，附录A 表S2中提供了总结。
微藻在去除废水中的ECs的应用
在探讨微藻去除ECs的潜力之前，必须认识到阻碍废水处理技术大规模实施的关键挑战。工业规模的操作经常遇到由于进水成分波动、环境条件变化和排放标准日益严格而产生的问题。此外，政策不一致性和缺乏标准化的评估框架继续阻碍着
基于微藻的废水资源回收和ECs去除的未来前景和挑战
微藻在废水处理中的应用正逐步从理论探索转向实际应用，特别是在资源回收和ECs去除领域。然而，大规模部署面临关键挑战。由于微藻细胞体积小（1-10 μm）和沉淀性能差，导致生物质收获效率低，通常需要耗能高的离心或膜过滤，这可能占
结论
有效去除ECs仍然是废水处理中的一个主要瓶颈，这突显了结合污染物降解和资源回收的MBSs的价值。微藻从废水培养中合成的代谢物主要受光照和营养条件、微生物相互作用以及基因调控的影响，需要进一步研究其潜在的生化代谢途径。
未引用的参考文献
Barati等人，2025年；Saratale等人，2017年；Wang等人，2022a年；Wei等人，2024年；Xu等人，2024c年；Xu等人，2024d年；Yang等人，2020年；Devi和Parthiban，2020年；Esteves等人，2024年；Ardo等人，2024年；Gupta和Marchetti，2024年；Arun等人，2018年；Han等人，2021年；Hu等人，2025年；Li等人，2024b年
CRediT作者贡献声明
刘淑丽：撰写——原始草稿、方法论、概念化。华家军：撰写——原始草稿。张玉红：撰写——审阅与编辑。高亚彤：撰写——审阅与编辑。韩晓红：撰写——审阅与编辑。刘亚丽：撰写——审阅与编辑。格伦·T·戴格：可视化。李琦：软件。郭宁：软件。宋志新：资金获取。张鹏：资金获取。张茜：资金获取。宋刚夫：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了高端外国专家引进计划（编号S20240110、HZGD2024024和G2022026015L）、河南省杰出外国科学家工作室项目、河南省高等学校青年骨干教师培训计划（编号2024GGJS064）、国家自然科学基金（编号51708214）以及华北水利电力大学硕士创新能力提升项目的支持
