武汉大学朱联东团队WR:胞外聚合物在绿色耦合絮凝-浮选采收工艺中诱导微藻絮凝

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成果简介

近日，武汉大学朱联东教授和江汉大学代典/李青在《Water Research》发表研究论文“Extracellular polymeric substances trigger microalgae flocculation in a combined and green flocculation-flotation harvesting process”。研究团队开发了一种生物絮凝剂阳离子瓜尔胶（CGG）+脂肪酸类捕收剂羟基磺基硬脂酸钠（OA-1）的联合絮凝-浮选微藻采收工艺，最终实现了索罗金小球藻（Chlorella sorokiniana，C. sorokiniana）91.2%的高效回收和27.8倍生物质浓度富集。该研究从微藻胞外聚合物（EPS）的理化性质与蛋白质组学角度，系统解析了微藻絮凝过程中关键功能蛋白及其活性位点，并运用EDLVO理论揭示了带负电的OA-1如何与带负电的藻絮体产生协同作用。这一发现打破了传统静电作用模型的局限，为低成本、绿色的微藻规模化采收提供了理论依据与技术路径。

引言

近年来，随着社会的发展和能源需求的急剧上升，仅依赖传统能源不利于我国高质量长远发展。微藻作为非粮生物燃料典型代表之一，不占用现有耕地资源，可将环境中的CO₂以及营养物质转化为蛋白质、碳水化合物和脂质积累在细胞内。然而，受限于微藻粒径小（3~30 μm）、生物质密度低（0.5~5.0 g/L）等因素，采收过程是目前微藻规模化应用的技术瓶颈之一，阻碍了微藻生物质的实际应用。絮凝-浮选法是一种将絮凝和浮选两种方法结合的工艺，与单一的微藻采收方法相比，具有高效快速、操作简便、藻种普适性好的优点，适用于规模化微藻培养后的采收过程。

当前，絮凝和浮选耦合体系用于微藻采收的研究主要集中在利用现有化学药剂进行系统构建与条件优化，絮凝体系中常见的絮凝剂有无机金属盐和阳离子聚丙烯酰胺等化合物，浮选体系则多采用溶气浮选和以十六烷基三甲基溴化铵为代表的泡沫浮选。溶气浮选需要高额能量输入将空气压缩到极高的压力，这些问题在一定程度上限制了溶气浮选在微藻低能耗采收中的应用。而使用常见的絮凝剂和捕收剂采收之后残留的化学药剂会造成微藻生物质和环境的二次污染，影响后续高附加值产品的加工。此外，微藻采收主要是依赖于自身在生长过程中分泌EPS。然而，目前EPS在絮凝-浮选耦合技术采收微藻过程中的影响机制认识尚不明晰，只是量化EPS中胞外多糖和蛋白的具体含量或两者之间的比值，缺乏对采收过程中关键构效关系的深入剖析。

因此，本研究选用植物来源的瓜尔胶和油酸分别进行化学修饰和改性，合成了絮凝剂CGG和捕收剂OA-1。从构建优化形成稳定运行的絮凝-浮选耦合体系为切入点，进一步提高耦合体系对微藻的采收效率，重点考察采收过程中微藻亲疏水性变化规律、EPS结合蛋白种类及药剂同胞外蛋白的氢键结合机理，揭示捕收剂与微藻絮体间的相互作用机理，阐明絮凝剂和捕收剂在微藻采收过程中的耦合关系，从而系统诠释CGG与OA-1耦合体系采收微藻的增效过程和机制。

图文导读

CGG—OA-1耦合采收体系的构建与优化

以环氧油酸开环产物为骨架，分别引入磺基、膦基和双羟基，皂化后分别合成了三种改性硬脂酸钠OA-1、OA-2与OA-3，形成具有可调电荷密度与亲疏水平衡的捕收剂体系。通过FT-IR与¹H NMR分析了三种改性硬脂酸钠的化学结构，表明功能基团成功引入到油酸骨架中。然后通过测定梯度浓度下OA-1、OA-2与OA-3的表面张力，拟合得到的临界胶束浓度（CMC）分别为0.044、0.103与0.032 mmol/L。然后将三种硬脂酸钠同CGG耦合后进行微藻采收，结果表明低CMC的OA-3在低用量（20 mg/L）下回收率最高（71.1%），但随着用量增至100 mg/L，其回收率（91.5%）反而低于OA-1（95.9%）与OA-2（93.3%）。经过综合比较，OA-1因磺基分子尺寸小、电荷密度高且对二价阳离子耐受性强，避免了OA-2中膦基易与Ca²⁺、Mg²⁺生成钙皂沉淀的缺陷，同时优于OA-3较弱的疏水相互作用。在用量超过20 mg/L后，OA-1的回收率与富集比均显著优于OA-2和OA-3，因此被选为后续与CGG耦合采收微藻的捕收剂。

采用Design-Expert中的PBD模块对影响耦合体系采收C. sorokiniana的关键因素进行了评估，定义了微藻回收率、水回收率与富集比三个响应变量。结果表明絮凝剂用量（X₁）与捕收剂用量（X₂）是影响微藻回收率的主效因素，而影响水回收率的主效因素是中X₁、X₃（搅拌速率）与X₄（曝气速率），影响富集比的主效因素为X₃与X₄。在耦合体系采收微藻的过程中，微藻回收率与富集比是主要考察指标，因此确定整个工艺的主效因素为X₁、X₂与X₄。然后采用BBD模块对上述三个因素进行优化并得到复合因素采收微藻的相应曲面。利用响应面模型预测了限定条件下的最优实验条件：X₁ 30 mg/L、X₂ 66 mg/L和X₄ 0.1 m³/h，此条件下测得微藻回收率为91.2%、富集比为27.8。

图1. 改性硬脂酸钠的化学表征及同CGG的耦合采收性能

图2. 复合因素对微藻回收率和富集比的响应曲面

CGG与OA-1协同作用对微藻絮体理化性质及浮选性能的影响

通过粒径分析、疏水性等测定了耦合体系中絮体的理化性质，CGG与OA-1的协同作用如下：

1. 絮体尺寸与结构致密性的协同增强

单独使用CGG预絮凝形成的絮体结构松散，粒径主要集中于2 ~ 20 μm。CGG与OA-1的耦合作用显著增大了絮体粒径分布范围（5 ~ 1000 μm），当OA-1用量从0增至80 mg/L时，中值粒径D₅₀由7.19 μm逐步提升至25.63 μm；另外，CGG与OA-1的耦合作用增强了絮体间的结合力，通过分形维数分析表明絮体进一步团聚并形成更致密稳定的结构。这归因于泡沫层在浮选过程中对絮体的支撑保护作用，以及气泡上升过程中增强了絮体的翻滚与碰撞，提高了絮凝剂的利用效率。

图3. CGG与OA-1协同作用对微藻絮体结构和理化性质的影响

2. 表面电荷调控与疏水性增强

C. sorokinian表面呈亲水性，Zeta电位为-26.4 mV。CGG通过电荷中和作用使电位升至-20.0 mV，疏水性从2.1增至15.2。加入不同用量OA-1后，絮体的Zeta电位进一步升高至-15.8 ~ -19.9 mV。同时，浮选后微藻絮体接触角由66.0°/64.0°显著增至87.0°/84.5°，表明OA-1改变了微藻絮体表面的疏水修饰，降低润湿性，增强絮体与气泡的亲和力，实现体系中絮体的高效分离。

3. 气液界面吸附行为与脱水性能的同步优化

在CGG（30 mg/L）与OA-1（60 mg/L）联合作用下，溶液表面张力由60.9 mN/m显著降至22.0 mN/m，表明OA-1增强了絮体在气液界面的吸附倾向。此外，OA-1的加入显著改善了絮体的脱水性能，原始藻液中滤饼含水率高达66.5%，而添加20 ~ 100 mg/L OA-1后含水率降至51.9% ~ 57.7%。这是由于OA-1以其亲水头基吸附于藻表面，疏水尾部向外伸展，空间排斥水分子并减少结合水层，为后续生物质干燥环节减轻了负担。

CGG与OA-1对C. sorokinian的高效絮凝-浮选机制

CGG单体与微藻胞外聚合物（S-EPS和B-EPS）中关键蛋白的分子对接结果，从分子层面揭示了絮凝过程的识别基础。其中CGG与A0A2P6TQ87蛋白的结合能为−6.7 kcal/mol，并通过Trp290残基形成两条氢键，这与色氨酸类物质在收获液中的富集现象高度吻合，证实了含色氨酸蛋白在收获过程中的关键作用。此外，EDLVO理论系统阐释了pH对微藻聚集行为的影响。随着pH升高，微藻细胞间的静电排斥能垒逐渐增大，需克服更高斥力才能实现有效聚集。但细胞间距超过135 nm后，总相互作用能由正转负，使细胞得以稳定悬浮。引入絮凝剂CGG后，其通过中和静电斥力能垒，大幅降低颗粒克服能量障碍所需的势能，促使藻液快速失稳沉降，此时CGG与微藻间的总相互作用以静电吸引为主导，从而解释了CGG对微藻细胞的高效絮凝性能。值得注意的是，絮凝后微藻絮体表面仍带负电，而同样带负电的OA-1却能诱导絮体进一步团聚。通过EDLVO分析表明，CGG絮凝后絮体间存在高达2110 kT（0.55 nm处）的斥力能垒，阻止了絮体间的进一步团聚。加入OA-1后，尽管总相互作用能仍为正值，但斥力能垒显著降至182 kT，有效作用距离增大至9.6 nm。OA-1通过调控双电层作用，部分中和或屏蔽CGG留下的残余正电荷，从而大幅降低絮体间能量屏障。该研究从分子识别与界面能量角度，系统揭示了CGG与OA-1在絮凝-浮选耦合过程中协同采收微藻的机制，为优化微藻高效采收工艺提供了重要的理论支撑。

图4.分子对接模型和EDLVO理论解析CGG与OA-1对C. sorokinian的采收机制

小结

本研究通过CGG与OA-1的协同作用，成功构建了微藻高效絮凝-浮选耦合采收体系，显著提升了微藻的采收效率与富集性能。在30 mg/L CGG、66 mg/L OA-1与曝气速率0.1 m³/h的优化条件下，该体系表现出优异的微藻回收率（91.2%）与富集比（27.8）。机理研究表明，分子对接揭示了含色氨酸残基的蛋白（如A0A2P6TQ87等）是CGG的关键结合位点，EDLVO理论则证实OA-1通过降低絮体间能垒（从2110 kT降至182 kT）并增加有效碰撞距离，促进了絮体的进一步团聚与稳定。该研究为微藻生物质低成本、高效率采收提供了理论依据与技术路径，在生物能源、废水处理及高值资源化利用领域具有广阔应用前景。

项目支持

本研究得到国家自然科学基金（42477252、42507325）、中国博士后科学基金（2025M781092）及生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室（武汉大学）开放基金项目的支持。

小结

朱联东：武汉大学教授、博士生导师，国家级青年人才。在芬兰学习与工作多年，曾任瓦萨大学助理教授和瓦萨能源所研究科学家等职，获国家优秀自费留学生奖学金、芬兰CIMO奖学金和奥博学术奖。长期从事水土生物修复教研工作，成果应用于瑞典、佛山、合肥、赤壁等地，得到了芬兰Pohjalainen、Ilkka等当地报纸头版专栏介绍及人民日报客户端报道。提交的新污染物相关建议入选2024中国科协“十大前沿科学问题”（生态环境领域唯一入选）。主持欧盟项目、国家重点研发计划课题（2项）、国家自然科学基金面上项目（2项）、教育部协同育人项目等纵向课题共10余项，近年来发表第一/通讯作者SCI论文100余篇（中科院 1区60余篇，IF大于10论文近50篇），SCI被引9500余次，h指数50（最新Google统计），11篇入选ESI高被引论文。出版英文专著1部，主编教材3部，申请发明专利10余项，参编中英文专著5部、标准3项。入选湖北省百人、湖北省杰青，获安徽省科技进步奖、湖北省优秀科普作品等荣誉，连续入选全球前10万顶尖科学家和全球前2%顶尖科学家，担任Energy Environ.、Front. Energy Res.等3本SCI/SSCI期刊Associate Editor。。

联系邮箱：ldzhu@whu.edu.cn

第一作者：代典，工学博士，湖北省优秀创新创业博士后，2024年12月毕业于武汉大学资源与环境专业，2025年2月至今在江汉大学生命科学学院从事博士后工作，主要从事微藻分离过程、微藻生物技术、微藻生物质能源以及污水处理方面的研究。主持国家自然科学青年项目(C类)、中国博士后科学基金面上项目、生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室(武汉大学)开放基金项目等课题。以第一/通讯作者身份在Water Res.、Chem. Eng. J.、Bioresource Technol.等期刊发表论文12篇，获2025湖北省博士后创新创业大赛优胜奖，担任Agricultural Ecology and Environment期刊青年编委。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135426006482