华人学者改造工程蓝藻，1小时去除超90%微塑料

面对每年约 3 亿吨的塑料产量及其崩解后无处不在的微塑料污染，人类社会长期陷入“治标不治本”的困境。

由于微塑料尺寸极小、表面性质复杂，物理过滤极易导致膜堵塞，且运行能耗巨大；化学絮凝则往往受限于水体化学条件，如 pH 值、离子强度，且容易引入新的化学污染物。更为核心的痛点在于，现有的处理逻辑多为移除，即将微塑料从水相转移至固相，如污泥中，这本质上只是污染物的空间转移，而非真正的消除。如何高效捕获微塑料，并在捕获后对其进行资源化利用，是环境工程领域亟待攻克的难题。

近期，美国密苏里大学 Susie Dai、圣路易斯华盛顿大学能源、环境与化学工程系 Joshua Yuan 等人在 Nature Communications 发文，他们提出了一种全新的解决思路：利用合成生物学手段改造蓝藻，使其成为微塑料的“超级磁铁”，仅需 1 小时即可达到 91.4% 的微塑料去除率，且每克生物质可吸纳 0.1g 微塑料。此外，研究还展示了一种升级再造策略，将富集了微塑料的蓝藻转化为具备独特性能的塑料复合材料。

传统的生物去除方法通常依赖藻类自然分泌的胞外多糖（EPS）进行被动吸附。然而，这种非特异性的吸附效率低、速度慢，且极易受环境波动影响。研究团队另辟蹊径，将目光投向了物理化学中的“疏水相互作用”。

众所周知，大多数微塑料（如聚苯乙烯 PS）具有高度疏水性。基于相似相溶原理，研究人员基于 Synechococcus elongatus UTEX 2973 这一生长迅速的蓝藻底盘，构建了名为 HCC 的工程藻株。通过基因工程改造，使得该藻株能够合成并分泌一种名为柠檬烯的萜类物质。该菌株在生物质、糖类及化学品生产等工业应用中潜力巨大，并已被提议用于废水处理及营养盐去除。

柠檬烯是一种典型的小分子疏水物质。当它被工程藻大量分泌并富集在细胞表面时，藻细胞的表面性质发生了根本性改变，从原本的亲水或中性，变成了高度疏水。这种改变赋予了藻细胞对微塑料的靶向亲和力。在水体中，疏水的藻细胞与疏水的微塑料颗粒之间产生了强烈的疏水-疏水相互作用，驱动两者迅速相互靠近、聚集，并形成肉眼可见的沉降体。

这一机制的创新性在于，它将原本被动的生物吸附，转化为了一种由细胞表面理化性质主导的主动捕获。显微观察证实，微塑料并非随机附着，而是集中分布在藻细胞表面柠檬烯富集的区域，直接证明了疏水相互作用在其中的主导地位。

为了验证这一设计的有效性，研究团队进行了一系列严谨的定量实验与机理分析。

实验数据显示，在混合静置仅 1 小时后，工程藻对聚苯乙烯（PS）微塑料的去除率高达 91.4%。相比之下，未经过改造的野生型藻株几乎没有表现出明显的沉降效果。这一数据有力地证明了通过合成生物学改造细胞表面性质的巨大潜力。同时，研究也证实，该技术适用于多种微塑料，包括聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），在真实废水/地表水中移除率为 80–90%。

图 | HCC 捕获的 PET 和 PE（来源：Nature Communications）

其次，微塑料的粒径分布极广，从几百纳米到几毫米不等。实验表明，工程藻不仅能高效去除 200nm 的微小颗粒，对于 500nm、800nm 等较大尺寸的微塑料同样表现出显著的去除效果。这意味着该机制并未受限于特定的颗粒尺寸，具有广泛的普适性。

在去除容量测试中，仅 40mg 干重的工程藻细胞就能处理 5mg 微塑料的 83.7%，由此得出每克干重细胞的去除能力约为 0.1g 微塑料。这在生物修复领域是一个相当可观的数字，意味着较少的生物质投入即可实现大规模的污染物捕获。

在长达 19 天的连续培养体系中，HCC 始终保持着高效的微塑料聚集与沉降性能，未出现功能衰退。这一点对于未来在连续流废水处理系统中的应用至关重要。

为了进一步确证机制，研究人员使用了受激拉曼散射（SRS）显微成像技术。图像清晰地显示，代表柠檬烯的绿色信号与代表微塑料的红色信号在空间上高度重叠。这不仅排除了其他细胞成分（如胞外多糖）作为主要驱动力的可能性，也为后续的菌株优化提供了明确的方向。

图 | HCC 清除微塑料的机制（来源：Nature Communications）

该研究的另一大亮点，在于将微塑料治理无缝嵌入到了现有的废水处理流程中。实验结果显示，HCC 在有效去除微塑料的同时，还能够同步吸收废水中的常见营养盐，如氮和磷，表明该系统具备与现有废水处理工艺整合的可能性。

另外，当工程藻细胞捕获微塑料沉降后，形成的“藻-塑料”聚集体不再是废弃物，而是一种具有特殊性质的生物复合材料原料。研究指出，这些富集了微塑料的生物质可以直接作为原料，用于生产生物塑料或复合材料。

通过这种方式，微塑料被固定在新的材料基质中，实现了从环境中的失控污染物到工业链条中受控资源的转变。这种循环经济的设计，不仅抵消了部分处理成本，更从生命周期（LCA）的角度降低了微塑料在生态系统中的长期累积风险。

从技术经济分析（TEA）的角度分析，该平台展现出显著的竞争优势。它依托光合作用驱动，不依赖高能耗的离心或高压过滤，也不消耗昂贵的絮凝剂。微塑料去除、废水处理、生物质生产三者合一，极大地分摊了单位处理成本。

凭借蓝藻天然的 CO₂ 利用能力，该平台在可持续性方面具备相比其他修复系统更为独特的优势：首先，蓝藻生长消耗 CO₂，可抵消微塑料修复过程中的碳排放，使其成为低碳甚至负碳过程；其次，该平台可与废水处理工艺集成，同步去除营养盐和微塑料，进一步扩大了环境效益；最后，该集成过程在去除微塑料的同时产出蓝藻生物质，可进一步加工生成多种高附加值产品，从而显著提升平台的整体经济性。

但要将其转化为工业级的大规模应用，仍需跨越四大关键技术门槛。

第一，复杂环境场景的适应性挑战。真实环境往往比实验室条件更复杂，需验证系统在微塑料浓度低、混合多种微塑料类型以及存在其他杂质情况下的有效性；需系统评估废水中的传统污染物（如重金属、有机污染物）以及化学需氧量波动，是否会抑制工程藻的活性，或干扰疏水相互作用机制，从而影响去除效率。

第二，长期运行与遗传稳定性挑战。虽然短期（19 天）试验表现稳健，但长期工业运行需防止因基因突变导致的关键表型丧失。需要通过进一步的菌株工程设计来确保遗传稳定性；开发配套的工艺流程，以在长周期运行中维持最佳系统条件，规避性能衰减风险。

第三，下游资源化工艺的优化挑战。为了制造高性能的生物复合材料，需要深入理解蓝藻特定生物聚合物在其中的作用；需针对不同应用场景，对细胞与塑料的比例、停留时间等关键参数进行系统优化，以确保产出的复合材料具有优异的机械性能。

第四，生物效能的持续提升挑战。尽管现有效率较高，仍需通过合成生物学手段进一步增强藻细胞与微塑料的亲和力，提升单位生物质的去除容量及整体生物生产力，以应对更大规模的处理需求。

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