華人學者改造工程藍藻，1小時去除超90%微塑料

面對每年約 3 億噸的塑料產量及其崩解后無處不在的微塑料污染，人類社會長期陷入“治標不治本”的困境。

由于微塑料尺寸極小、表面性質復雜，物理過濾極易導致膜堵塞，且運行能耗巨大；化學絮凝則往往受限于水體化學條件，如 pH 值、離子強度，且容易引入新的化學污染物。更為核心的痛點在于，現有的處理邏輯多為移除，即將微塑料從水相轉移至固相，如污泥中，這本質上只是污染物的空間轉移，而非真正的消除。如何高效捕獲微塑料，并在捕獲后對其進行資源化利用，是環境工程領域亟待攻克的難題。

近期，美國密蘇里大學 Susie Dai、圣路易斯華盛頓大學能源、環境與化學工程系 Joshua Yuan 等人在 Nature Communications 發文，他們提出了一種全新的解決思路：利用合成生物學手段改造藍藻，使其成為微塑料的“超級磁鐵”，僅需 1 小時即可達到 91.4% 的微塑料去除率，且每克生物質可吸納 0.1g 微塑料。此外，研究還展示了一種升級再造策略，將富集了微塑料的藍藻轉化為具備獨特性能的塑料復合材料。

傳統的生物去除方法通常依賴藻類自然分泌的胞外多糖（EPS）進行被動吸附。然而，這種非特異性的吸附效率低、速度慢，且極易受環境波動影響。研究團隊另辟蹊徑，將目光投向了物理化學中的“疏水相互作用”。

眾所周知，大多數微塑料（如聚苯乙烯 PS）具有高度疏水性。基于相似相溶原理，研究人員基于 Synechococcus elongatus UTEX 2973 這一生長迅速的藍藻底盤，構建了名為 HCC 的工程藻株。通過基因工程改造，使得該藻株能夠合成并分泌一種名為檸檬烯的萜類物質。該菌株在生物質、糖類及化學品生產等工業應用中潛力巨大，并已被提議用于廢水處理及營養鹽去除。

檸檬烯是一種典型的小分子疏水物質。當它被工程藻大量分泌并富集在細胞表面時，藻細胞的表面性質發生了根本性改變，從原本的親水或中性，變成了高度疏水。這種改變賦予了藻細胞對微塑料的靶向親和力。在水體中，疏水的藻細胞與疏水的微塑料顆粒之間產生了強烈的疏水-疏水相互作用，驅動兩者迅速相互靠近、聚集，并形成肉眼可見的沉降體。

這一機制的創新性在于，它將原本被動的生物吸附，轉化為了一種由細胞表面理化性質主導的主動捕獲。顯微觀察證實，微塑料并非隨機附著，而是集中分布在藻細胞表面檸檬烯富集的區域，直接證明了疏水相互作用在其中的主導地位。

為了驗證這一設計的有效性，研究團隊進行了一系列嚴謹的定量實驗與機理分析。

實驗數據顯示，在混合靜置僅 1 小時后，工程藻對聚苯乙烯（PS）微塑料的去除率高達 91.4%。相比之下，未經過改造的野生型藻株幾乎沒有表現出明顯的沉降效果。這一數據有力地證明了通過合成生物學改造細胞表面性質的巨大潛力。同時，研究也證實，該技術適用于多種微塑料，包括聚乙烯（PE）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），在真實廢水/地表水中移除率為 80–90%。

圖 | HCC 捕獲的 PET 和 PE（來源：Nature Communications）

其次，微塑料的粒徑分布極廣，從幾百納米到幾毫米不等。實驗表明，工程藻不僅能高效去除 200nm 的微小顆粒，對于 500nm、800nm 等較大尺寸的微塑料同樣表現出顯著的去除效果。這意味著該機制并未受限于特定的顆粒尺寸，具有廣泛的普適性。

在去除容量測試中，僅 40mg 干重的工程藻細胞就能處理 5mg 微塑料的 83.7%，由此得出每克干重細胞的去除能力約為 0.1g 微塑料。這在生物修復領域是一個相當可觀的數字，意味著較少的生物質投入即可實現大規模的污染物捕獲。

在長達 19 天的連續培養體系中，HCC 始終保持著高效的微塑料聚集與沉降性能，未出現功能衰退。這一點對于未來在連續流廢水處理系統中的應用至關重要。

為了進一步確證機制，研究人員使用了受激拉曼散射（SRS）顯微成像技術。圖像清晰地顯示，代表檸檬烯的綠色信號與代表微塑料的紅色信號在空間上高度重疊。這不僅排除了其他細胞成分（如胞外多糖）作為主要驅動力的可能性，也為后續的菌株優化提供了明確的方向。

圖 | HCC 清除微塑料的機制（來源：Nature Communications）

該研究的另一大亮點，在于將微塑料治理無縫嵌入到了現有的廢水處理流程中。實驗結果顯示，HCC 在有效去除微塑料的同時，還能夠同步吸收廢水中的常見營養鹽，如氮和磷，表明該系統具備與現有廢水處理工藝整合的可能性。

另外，當工程藻細胞捕獲微塑料沉降后，形成的“藻-塑料”聚集體不再是廢棄物，而是一種具有特殊性質的生物復合材料原料。研究指出，這些富集了微塑料的生物質可以直接作為原料，用于生產生物塑料或復合材料。

通過這種方式，微塑料被固定在新的材料基質中，實現了從環境中的失控污染物到工業鏈條中受控資源的轉變。這種循環經濟的設計，不僅抵消了部分處理成本，更從生命周期（LCA）的角度降低了微塑料在生態系統中的長期累積風險。

從技術經濟分析（TEA）的角度分析，該平臺展現出顯著的競爭優勢。它依托光合作用驅動，不依賴高能耗的離心或高壓過濾，也不消耗昂貴的絮凝劑。微塑料去除、廢水處理、生物質生產三者合一，極大地分攤了單位處理成本。

憑借藍藻天然的 CO? 利用能力，該平臺在可持續性方面具備相比其他修復系統更為獨特的優勢：首先，藍藻生長消耗 CO?，可抵消微塑料修復過程中的碳排放，使其成為低碳甚至負碳過程；其次，該平臺可與廢水處理工藝集成，同步去除營養鹽和微塑料，進一步擴大了環境效益；最后，該集成過程在去除微塑料的同時產出藍藻生物質，可進一步加工生成多種高附加值產品，從而顯著提升平臺的整體經濟性。

但要將其轉化為工業級的大規模應用，仍需跨越四大關鍵技術門檻。

第一，復雜環境場景的適應性挑戰。真實環境往往比實驗室條件更復雜，需驗證系統在微塑料濃度低、混合多種微塑料類型以及存在其他雜質情況下的有效性；需系統評估廢水中的傳統污染物（如重金屬、有機污染物）以及化學需氧量波動，是否會抑制工程藻的活性，或干擾疏水相互作用機制，從而影響去除效率。

第二，長期運行與遺傳穩定性挑戰。雖然短期（19 天）試驗表現穩健，但長期工業運行需防止因基因突變導致的關鍵表型喪失。需要通過進一步的菌株工程設計來確保遺傳穩定性；開發配套的工藝流程，以在長周期運行中維持最佳系統條件，規避性能衰減風險。

第三，下游資源化工藝的優化挑戰。為了制造高性能的生物復合材料，需要深入理解藍藻特定生物聚合物在其中的作用；需針對不同應用場景，對細胞與塑料的比例、停留時間等關鍵參數進行系統優化，以確保產出的復合材料具有優異的機械性能。

第四，生物效能的持續提升挑戰。盡管現有效率較高，仍需通過合成生物學手段進一步增強藻細胞與微塑料的親和力，提升單位生物質的去除容量及整體生物生產力，以應對更大規模的處理需求。

1.Long, B., Li, Q., Hu, C.et al. Remediation and upcycling of microplastics by algae with wastewater nutrient removal and bioproduction potential. Nat Commun 16, 11570 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67543-5