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

由于微塑料尺寸極小、表面性質(zhì)復(fù)雜，物理過濾極易導(dǎo)致膜堵塞，且運(yùn)行能耗巨大；化學(xué)絮凝則往往受限于水體化學(xué)條件，如 pH 值、離子強(qiáng)度，且容易引入新的化學(xué)污染物。更為核心的痛點(diǎn)在于，現(xiàn)有的處理邏輯多為移除，即將微塑料從水相轉(zhuǎn)移至固相，如污泥中，這本質(zhì)上只是污染物的空間轉(zhuǎn)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(jìn)行資源化利用，是環(huán)境工程領(lǐng)域亟待攻克的難題。

近期，美國密蘇里大學(xué) Susie Dai、圣路易斯華盛頓大學(xué)能源、環(huán)境與化學(xué)工程系 Joshua Yuan 等人在 Nature Communications 發(fā)文，他們提出了一種全新的解決思路：利用合成生物學(xué)手段改造藍(lán)藻，使其成為微塑料的“超級磁鐵”，僅需 1 小時(shí)即可達(dá)到 91.4% 的微塑料去除率，且每克生物質(zhì)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(lán)藻轉(zhuǎn)化為具備獨(dú)特性能的塑料復(fù)合材料。

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

眾所周知，大多數(shù)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(lán)藻底盤，構(gòu)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(zhì)。該菌株在生物質(zhì)、糖類及化學(xué)品生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用中潛力巨大，并已被提議用于廢水處理及營養(yǎng)鹽去除。

檸檬烯是一種典型的小分子疏水物質(zhì)。當(dāng)它被工程藻大量分泌并富集在細(xì)胞表面時(shí)，藻細(xì)胞的表面性質(zhì)發(fā)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(xì)胞對微塑料的靶向親和力。在水體中，疏水的藻細(xì)胞與疏水的微塑料顆粒之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的疏水-疏水相互作用，驅(qū)動(dòng)兩者迅速相互靠近、聚集，并形成肉眼可見的沉降體。

這一機(jī)制的創(chuàng)新性在于，它將原本被動(dòng)的生物吸附，轉(zhuǎn)化為了一種由細(xì)胞表面理化性質(zhì)主導(dǎo)的主動(dòng)捕獲。顯微觀察證實(shí)，微塑料并非隨機(jī)附著，而是集中分布在藻細(xì)胞表面檸檬烯富集的區(qū)域，直接證明了疏水相互作用在其中的主導(dǎo)地位。

為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩繉?shí)驗(yàn)與機(jī)理分析。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在混合靜置僅 1 小時(shí)后，工程藻對聚苯乙烯（PS）微塑料的去除率高達(dá) 91.4%。相比之下，未經(jīng)過改造的野生型藻株幾乎沒有表現(xiàn)出明顯的沉降效果。這一數(shù)據(jù)有力地證明了通過合成生物學(xué)改造細(xì)胞表面性質(zhì)的巨大潛力。同時(shí)，研究也證實(shí)，該技術(shù)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)出顯著的去除效果。這意味著該機(jī)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(xì)胞就能處理 5mg 微塑料的 83.7%，由此得出每克干重細(xì)胞的去除能力約為 0.1g 微塑料。這在生物修復(fù)領(lǐng)域是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字，意味著較少的生物質(zhì)投入即可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的污染物捕獲。

在長達(dá) 19 天的連續(xù)培養(yǎng)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(xiàn)功能衰退。這一點(diǎn)對于未來在連續(xù)流廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步確證機(jī)制，研究人員使用了受激拉曼散射（SRS）顯微成像技術(shù)。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(xì)胞成分（如胞外多糖）作為主要驅(qū)動(dòng)力的可能性，也為后續(xù)的菌株優(yōu)化提供了明確的方向。

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

該研究的另一大亮點(diǎn)，在于將微塑料治理無縫嵌入到了現(xiàn)有的廢水處理流程中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HCC 在有效去除微塑料的同時(shí)，還能夠同步吸收廢水中的常見營養(yǎng)鹽，如氮和磷，表明該系統(tǒng)具備與現(xiàn)有廢水處理工藝整合的可能性。

另外，當(dāng)工程藻細(xì)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(zhì)的生物復(fù)合材料原料。研究指出，這些富集了微塑料的生物質(zhì)可以直接作為原料，用于生產(chǎn)生物塑料或復(fù)合材料。

通過這種方式，微塑料被固定在新的材料基質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)了從環(huán)境中的失控污染物到工業(yè)鏈條中受控資源的轉(zhuǎn)變。這種循環(huán)經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，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(tài)系統(tǒng)中的長期累積風(fēng)險(xiǎn)。

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）的角度分析，該平臺展現(xiàn)出顯著的競爭優(yōu)勢。它依托光合作用驅(qū)動(dòng)，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(zhì)生產(chǎn)三者合一，極大地分?jǐn)偭藛挝惶幚沓杀尽?/p>

憑借藍(lán)藻天然的 CO? 利用能力，該平臺在可持續(xù)性方面具備相比其他修復(fù)系統(tǒng)更為獨(dú)特的優(yōu)勢：首先，藍(lán)藻生長消耗 CO?，可抵消微塑料修復(fù)過程中的碳排放，使其成為低碳甚至負(fù)碳過程；其次，該平臺可與廢水處理工藝集成，同步去除營養(yǎng)鹽和微塑料，進(jìn)一步擴(kuò)大了環(huán)境效益；最后，該集成過程在去除微塑料的同時(shí)產(chǎn)出藍(lán)藻生物質(zhì)，可進(jìn)一步加工生成多種高附加值產(chǎn)品，從而顯著提升平臺的整體經(jīng)濟(jì)性。

但要將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)級的大規(guī)模應(yīng)用，仍需跨越四大關(guān)鍵技術(shù)門檻。

第一，復(fù)雜環(huán)境場景的適應(yīng)性挑戰(zhàn)。真實(shí)環(huán)境往往比實(shí)驗(yàn)室條件更復(fù)雜，需驗(yàn)證系統(tǒng)在微塑料濃度低、混合多種微塑料類型以及存在其他雜質(zhì)情況下的有效性；需系統(tǒng)評估廢水中的傳統(tǒng)污染物（如重金屬、有機(jī)污染物）以及化學(xué)需氧量波動(dòng)，是否會(huì)抑制工程藻的活性，或干擾疏水相互作用機(jī)制，從而影響去除效率。

第二，長期運(yùn)行與遺傳穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。雖然短期（19 天）試驗(yàn)表現(xiàn)穩(wěn)健，但長期工業(yè)運(yùn)行需防止因基因突變導(dǎo)致的關(guān)鍵表型喪失。需要通過進(jìn)一步的菌株工程設(shè)計(jì)來確保遺傳穩(wěn)定性；開發(fā)配套的工藝流程，以在長周期運(yùn)行中維持最佳系統(tǒng)條件，規(guī)避性能衰減風(fēng)險(xiǎn)。

第三，下游資源化工藝的優(yōu)化挑戰(zhàn)。為了制造高性能的生物復(fù)合材料，需要深入理解藍(lán)藻特定生物聚合物在其中的作用；需針對不同應(yīng)用場景，對細(xì)胞與塑料的比例、停留時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以確保產(chǎn)出的復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能。

第四，生物效能的持續(xù)提升挑戰(zhàn)。盡管現(xiàn)有效率較高，仍需通過合成生物學(xué)手段進(jìn)一步增強(qiáng)藻細(xì)胞與微塑料的親和力，提升單位生物質(zhì)的去除容量及整體生物生產(chǎn)力，以應(yīng)對更大規(guī)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