密苏里大学的研究人员正在开发一种利用特殊工程化藻类从受污染水体中去除有害微塑料的新方法。该研究的主要负责人Susie Dai创造了一种经过改造的藻类菌株，旨在从受污染的水中捕获微塑料。她长期的目标不仅是清洁水道，还要将收集到的塑料回收成更安全的生物塑料材料，包括复合塑料薄膜。这一方法有望被整合到现有的污水处理厂中，使城市能够更有效地净化水源并同时创造有用的产品。
背景：微塑料污染危机
微塑料是环境中几乎无处不在的污染物，存在于池塘、湖泊、河流、废水以及我们食用的鱼类中。目前，大多数污水处理厂只能去除较大的塑料颗粒，而微塑料非常小，会从处理系统中漏出，最终进入饮用水，污染环境并危害生态系统。此外，传统的去除方法（如过滤、混凝、浮选）存在以下局限性：成本高；难以去除亚微米级的塑料颗粒；以及产生需要进一步处理的浓缩污泥。
技术方案：工程化藻类
该研究的核心是一种经过基因工程改造的藻类，使其能够产生柠檬烯——一种赋予橙子熟悉气味的天然油。
1. 柠檬烯改变藻类表面性质：柠檬烯是一种疏水性（“惧水”）分子。当藻类产生柠檬烯时，其细胞表面变得更具疏水性。由于微塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯）也是疏水性的，两者在水中相遇时会自然发生疏水相互作用，导致微塑料颗粒粘附在藻类细胞上。
2. 形成可沉降的团块：附着了微塑料的藻类细胞随后会聚集形成更大的团块（“生物质絮凝物”）。这些团块密度大于水，会沉到底部，形成一层致密的生物质层，可以更容易地被收集和物理去除。
3. 废水营养物去除的附加效益：该工程化藻类还能在废水中生长（利用废水中的氮、磷、有机物），在捕获微塑料的同时帮助净化废水。这是一种低碳、太阳能驱动的过程。
核心发现
1. 高效捕获疏水性微塑料
藻类-柠檬烯系统能高效捕获常见的疏水性微塑料，包括：聚乙烯（塑料袋、瓶子）、聚丙烯（口罩、绳索）和聚苯乙烯（泡沫塑料、餐具）。
2. 一步法实现“去除+升级回收”
该研究的一个关键创新点是循环经济方法：收集富含微塑料的藻类生物质后，可以通过化学方法（如酸水解、热解）将其升级回收为生物塑料（如聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸）或复合薄膜。这些生物塑料是可生物降解的（与原始微塑料不同），从而防止塑料污染循环回环境。
3. 可规模化的概念验证
该实验室已经拥有在大型罐式生物反应器中培养藻类的经验（一个被称为“史莱克”的100升生物反应器，目前用于处理工业烟道气以减少空气污染）。未来目标是制造更大版本的“史莱克”系统，使其适用于污水处理和其他污染物的去除。
机制：从疏水相互作用到沉降
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基因工程：将柠檬烯合酶基因（例如，来自薄荷或柑橘的柠檬烯合酶）转入藻类（如莱茵衣藻或螺旋藻）。
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藻类培养：工程化藻类将香叶基焦磷酸（GPP）转化为柠檬烯，柠檬烯在叶绿体膜或细胞壁上积累。
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疏水性改造：表面结合的柠檬烯赋予藻类细胞疏水特性。
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微塑料粘附：疏水性微塑料通过范德华力和疏水作用与藻类表面结合。
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絮凝与沉降：藻类细胞形成大的絮凝物（通过胞外聚合物（EPS）和缠结），其有效密度增加，导致从水柱中沉淀出来。
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生物质收集：使用撇渣器或离心机收集沉降的生物质。
环境与公共卫生意义
1. 减少人类摄入微塑料
微塑料可通过受污染的饮用水和海鲜进入人体，其潜在的健康影响包括：肠道屏障功能障碍（通过“纳米塑料”内化）、肝毒性、神经毒性以及生殖毒性。通过更有效地去除废水中的微塑料，可以打破塑料-环境-人类的循环链。
2. 为污水处理厂提供“一石三鸟”的技术
目前，污水处理厂需要分别进行：去除营养物（氮、磷）的成本高昂的工艺（如改进的活性污泥法）；以及微塑料去除（如膜生物反应器、砂滤）。该藻类系统可以同时实现：通过藻类吸收去除营养物（防止下游藻华）；通过藻类粘附去除微塑料；以及产生可用于升级回收的生物质。
3. 温室气体减排
藻类培养在生长过程中吸收二氧化碳。如果该系统在工业源（如发电厂或水泥厂）的下游进行，它可以同时去除烟道气中的二氧化碳、废水中的营养物/微塑料，并产生生物质。
4. 循环生物经济
该系统将微塑料废物（污染物）从环境责任转变为可生物降解塑料的资源，符合循环经济原则。
未来方向
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遗传稳定性：在营养充足（非选择性）条件下，经过多代培养，评估柠檬烯产量的遗传稳定性（是否有质粒丢失或基因沉默现象）。
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毒性评估：评估工程化藻类及其升级回收产品对水生生物（如斑马鱼、水蚤）的生态毒性，确保不会产生意外的生态风险。
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生命周期评估：对“藻类培养 + 生物质收集 + 生物塑料升级回收”的全过程进行生命周期分析，以确定能耗、全球变暖潜能值以及与传统微塑料去除方法相比的成本效益。
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真实污水验证：在未经灭菌的真实废水（含有复杂微生物群、原生动物捕食者、变化的pH值和温度）中测试工程化藻类的性能。
结论
这项发表于《自然-通讯》的开创性研究提出了一种创新的、基于藻类的系统，用于去除水环境中的微塑料。 密苏里大学的研究人员对藻类进行了基因工程改造，使其产生柠檬烯（一种橙子味的天然油）。这种疏水性分子改变了藻类表面，使其能够像“磁铁”一样吸附疏水性微塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯），形成易于从水中沉降和收集的团块。该系统的独特之处在于它能实现三重目标：去除微塑料（净化水源）、在藻类生长过程中通过吸收氮和磷来净化废水，以及将捕获的塑料（通过化学方法）升级回收为可生物降解的生物塑料。
虽然仍处于早期阶段，但该技术有望被整合到现有的污水处理厂中，为微塑料污染、废水富营养化和塑料废物回收提供一种太阳能驱动、低碳、一石三鸟的解决方案。
关键词：藻类、微塑料、柠檬烯、废水处理、生物塑料、升级回收、疏水相互作用
原文参考：Long, B., et al. (2025). Remediation and upcycling of microplastics by algae with wastewater nutrient removal and bioproduction potential. Nature Communications, 16(1). DOI: 10.1038/s41467-025-67543-5