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微藻Mychonastes sp. ZUK01通过生物修复和热解实现虾类养殖废水的高效资源化利用，15天内去除氮磷硫污染物超95%，并生成含挥发分81.97%的生物质，热解后获得高热值（18.80 MJ/kg）的能源载体。
Aqib Zafar Khan|Linlin Cai|Azeem Asghar|Guanqin Huang|Muhammad Aamer Mehmood|Ze Li|Jun Chen|Fei Huang|Zhangli Hu|Yihong Zheng
广东省植物表观遗传学重点实验室，广东省海洋藻类生物技术工程研究中心，深圳大学生命科学与海洋学院，中国深圳518060
摘要
水产养殖废水（AWW）是一种未被充分利用的可持续能源生产资源，同时也会带来环境风险。本研究利用一种新分离的微藻Mychonastes sp. ZUK01，提出了一种双功能生物工艺，既能修复虾类养殖废水，又能生成可用于热解转化的富含能量的生物质。该工艺通过循环生物能源途径实现废水处理过程中的二氧化碳（CO2）吸收，随后将其热解转化为可再生能源载体。在自养条件下培养的ZUK01在15天内可去除超过95%的氮、磷和硫酸盐物质，同时产生0.41克/升的生物质产量和0.75±0.051克/升的碳捕获量（CO2）。这种生物质具有良好的热解特性，包括高挥发性（81.97±0.27%）、低灰分（0.35±0.09%）以及较高的热值（18.80 MJ/kg）。热重分析（TGA/DSC）和等转化动力学建模（Friedman, KAS, FWO）显示其降解过程分为多个阶段，且活化能逐渐增加（151.9–262.9 kJ/mol），表明复杂的生化成分逐渐分解。Py-GCMS和TG-FTIR-MS分析表明，在800°C时有利于烃类物质的生成。总体而言，这些发现展示了一种将废水处理、微藻培养和热解相结合的循环路径，有效实现了营养物质的修复，并通过热解将生物质转化为可再生燃料和化学品。
引言
随着经济增长和制造业的扩张，全球工业能源需求急剧上升。预计到2050年，这一需求将增长50%，主要受发展中国家和城市化进程的推动[1]。满足这一增长需求对能源系统提出了巨大压力，凸显了开发更高效技术和整合可再生能源的紧迫性[2]。工业不仅用于生产产品，还用于供暖、制冷和日常运营，因此在实现全球能源可持续性目标中起着核心作用。
随着能源需求的增长，水产养殖业也成为养活世界人口的重要支柱，目前提供了超过一半（57%）的水生动物食品，以应对食物短缺问题[3]。这个快速增长的行业在全球范围内价值数十亿美元（例如，2023年美国为19亿美元，2024年中国为177亿美元）[4]，[5]，但由于每年产生超过1000亿立方米的废水[6]，面临严重的环境挑战，其中含有过量营养物质和有机物等污染物。如果未经处理直接排放，水产养殖废水（AWW）会导致水体缺氧（富营养化）、危害水生生物并降低水质。传统的废水处理过程能耗较高，消耗了全球约3%的电力[1]，而化石燃料的持续使用则占全球二氧化碳排放量的约73%[7]。这种能源与水资源的紧密联系，以及日益增长的能源需求和环境压力，凸显了创新和可持续解决方案的必要性。尽管不同养殖方式和物种的能源需求差异很大，但水产养殖业仍是能源消耗大户（例如，循环水产养殖系统生产一公斤鱼需消耗3-80千瓦时的能量[8]）。这种对能源的依赖，尤其是来自化石燃料的能源，显著加剧了其对环境的影响。
微藻为解决水产养殖和工业的能源需求及环境问题提供了有前景的途径。这些光合微生物能够有效处理富含营养物的废水，可在几天内去除高达90%的氮和磷等污染物，并产生含有脂质、碳水化合物和蛋白质的宝贵生物质[9]，[10]。已有研究表明，Neochloris sp.、Haematococcus sp.、Monoraphidium sp.、Isochrysis galbana、Chlorella sp.和Phaeodactylum tricornutum等微藻株可从废水中回收资源[9]，[11]，[12]。然而，这些生物质中存在的病原体、毒素和重金属限制了其直接作为食品或饲料的应用[13]，因此需要采用热化学转化等替代增值途径。
与厌氧消化或发酵等生物过程相比，热解在转化废水培养的藻类生物质方面表现出更强的可行性。废水衍生生物质的生物化学多样性（包括蛋白质、脂质、碳水化合物、重金属和氨等抑制剂）往往降低生物转化的效率，因为这些过程对污染物敏感且需要昂贵的预处理[14]。相比之下，热解可以在短时间内将经过最少处理的生物质直接转化为生物油、合成气和生物炭等有价值的产品，无需灭菌或补充营养物质。热解产生的生物炭还具有改良土壤或吸附营养物质和金属的额外优势，进一步提升了环境和经济价值[15]。尽管关于藻类热解的研究很多，但大多数研究仅使用实验室培养或购买的藻类生物质，忽略了废水培养微藻的动力学和机制特性。目前对废水培养藻类的热解行为、反应能量学和挥发性物质演变仍知之甚少[13]，[16]。
为深入了解废水培养微藻生物质的热化学转化机制，本研究系统研究了在废水环境中培养的Mychonastes sp. ZUK01的热解行为。采用热重分析（TGA–DSC）、无模型等转化动力学（Friedman, KAS, FWO）和演化气体表征（TG-FTIR-MS和Py-GCMS）相结合的综合分析框架，揭示了转化过程中的反应路径、活化能变化及挥发性产物的形成[14]，[17]，[18]，[19]，[20]。选择Mychonastes sp.是因为其能够耐受富含营养的环境，具有高效的氮吸收能力[21]，[22]。与Chlorella和Scenedesmus等广泛研究的属相比，ZUK01具有极低的灰分（0.35%），转化过程中活化能持续增加（150–263 kJ/mol），即使在800°C下仍能持续释放脂肪酸衍生的挥发性物质，表明炭化过程延迟且挥发性物质释放时间较长。热力学参数（ΔH?和ΔG?进一步说明了这些转化的能量可行性[13]，[17]，而神经网络回归有助于解析竞争性反应路径。总体而言，该研究展示了一个循环框架：废水中的营养物质被生物吸收进入藻类生物质，随后通过热解转化为能源载体和化学品。在这个框架下，碳减排通过生物吸收二氧化碳（CO2）和替代化石燃料实现，支持可持续水产养殖和能源系统的循环生物经济发展。
章节片段
虾类养殖废水中的菌株分离、鉴定与培养
从中国深圳的大沙河采集的水样中分离出一种新的微藻菌株ZUK01。经过连续稀释和多次在BG11培养基中的传代培养后，建立了无菌培养物。在确认为ZUK01菌株之前，通过光学显微镜严格验证了其培养纯度。使用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM, Apreo S, Thermo Fisher Scientific）进行了全面的形态学鉴定。
基于微藻菌株的废水生物质特性
选择本地适应的微藻菌株对于可持续的废水生物修复和生物质增值至关重要，因为全球通用的模式菌株往往在特定地区的废水中生长不良[22]。新分离的淡水菌株ZUK01因其与当地环境条件的良好兼容性而克服了这一限制。形态学分析显示，该菌株为群体或单细胞微藻，形态介于球形到椭圆形之间。
结论与未来展望
本研究证实Mychonastes sp. ZUK01是一个强大的双功能平台，可用于环境修复和可持续能源生产。该菌株在水产养殖废水处理中表现出色，可去除超过95%的氮、磷和硫，并捕获大量二氧化碳（CO2）。收获的生物质具有适合热化学转化的特性，包括高挥发性物质、低灰分和较高的热值，使其成为理想的候选菌株。
CRediT作者贡献声明
Ze Li：可视化、资料整理。Muhammad Aamer Mehmood：写作、审稿与编辑。Guanqin Huang：资料收集、调查、数据管理。Azeem Asghar：验证、软件使用、数据分析。Linlin Cai：调查、数据分析、数据管理。Aqib Zafar Khan：写作、初稿撰写、可视化、方法设计、调查、数据分析、概念构建。Yihong Zheng：写作、审稿与编辑、监督、资料整理、概念构建。Zhangli Hu：写作——
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