微藻纳米颗粒的合成及其在废水处理中的应用进展

抽象

快速工业化、经济发展和人口过快增长是导致有机和无机物释放到环境中，进而导致环境污染和水污染的主要原因。废水处理是当今世界各国普遍关注的问题，也是当务之急。因此，节约可持续能源和采用先进的废水处理技术是十分必要的。微藻培养正受到广泛关注，因为它提供了作为生长介质处理废水的综合效益和可用于多种牲畜的藻类生物质生产。微藻是一种无处不在且极其多样化的微生物，可以积累废水中的有毒污染物和重金属，这使它们成为强大的纳米工厂的优势竞争者。此外，它们用途广泛，相对方便，易于操作，以及其他各种优点，如合成可以在低温下进行，能源效率更高，毒性更小，对环境的风险更低。与真菌、酵母和细菌等其他生物体相比，微藻在合成纳米颗粒方面同样重要;因此，藻类介导纳米材料生物合成的研究可以向一个新的方向发展，它被称为植物纳米技术。本文综述了通过纳米颗粒和微藻的混合处理废水的最新进展。

1.简介

水体污染的主要原因是人为的，通过活动，包括生活，工业和农业正在被直接排入水体废物产生的废物以惊人的速度上升。营养丰富的废弃物任意排放造成严重的水体富营养化的威胁。富营养化的发生是由于在水体营养物，进一步的过度存在，这是负责植物和藻类的生长稠密。由于污染物的巨大范围蔓延，水资源正面临着尽管认识到可持续的水管理战略世界各地的严重威胁。因此，当务之急是要探索其他先进技术用于污水处理，并确保适当的处理标准正被人跟踪，以满足当地的条件。在废水处理系统中，去除原理污染物如悬浮固体，生化需氧量（BOD），营养物（有机和无机），毒性和大肠菌群的是主要目标，以获得纯化的废水[1-6]。传统的废水处理系统包括通过沉淀法去除溶解的有机物和悬浮物。污水的初步处理通过设计良好的沉淀池去除60%的大型固体物质，约35%的生化需氧量通过下水道排出，这些下水道阻塞了通过工厂的水流或损坏了设备。污物如较重的沙粒、碎布、粪便和木材可以通过污水通过滤网去除。二级处理工序的目的是减少85%的悬浮物和因减少有机物而产生的生化需氧量[2]。这可以通过具有利用用于能量和生长的有机成分的能力异养细菌的混合群进行主要实现。固定膜和悬浮生长反应器是一些二级废水处理的操作的系统。三级处理过程的目的是除去有机离子的95％。它可以生物或化学来完成，但它是一个相当昂贵的过程。根据技术复杂的技术先进的处理包括化学沉淀法，反渗透，碳吸附，或臭氧氧化。这些技术除去营养物质，如磷或氮，其可在表面水刺激富营养化。对于小规模操作，如土地应用，过滤和泻湖存储系统被用来除去微粒。几个主要和次要处理厂中的地方，以消除安定的材料和从废水中氧化有机材料数量被引入。另外，即使三级处理后，100％的去除进入的废料载荷的不能预期并且作为结果，许多生物留在水体[3]。

2.微藻废水处理系统

正在进行几项调查，以便为减少污染物、维持自然资源和处理废物提供有效、生产性和可行的解决办法。受污染的海洋、河流和湖泊在审美上令人不快，这些人为活动对公众健康构成重大威胁，因为它们含有有毒污染物和人类病原体，并增加了通过水传播与排泄物有关的疾病的风险[3]。二氧化碳排放是导致全球变暖的主要污染物。全球已经开发了几种二氧化碳封存技术。因此，对废水处理的自然方法再次引起了人们的极大兴趣。在过去的几年中，水产养殖系统作为工程系统在生活或工业废水处理和回收方面的使用急剧增加。水生处理系统由浅池塘(一个或多个)组成，其中生长着一种或多种耐水维管植物，如浮萍或水葫芦。水葫芦系统能够去除氮、高浓度BOD、难降解的微量有机物和悬浮物(SSs)。海洋藻类是地球表面最多样化的物种，其中许多物种尚未被开发。它们产生了地球上一半以上的氧气。微藻这一术语属于各种藻类，如轮藻门，硅藻和绿藻和志，包括植物界，原生动物，和藻类[4-6]。他们是太小，无法妥善观看没有显微镜和多真核生物除了原核生物蓝藻。微藻的光合速率快得多在与该其它陆生植物的比较（图1)。微藻提供从污水中去除无机营养物和污染物，同时产生有价值的生物量（磷脂和类胡萝卜素）具有成本效益的方法。

利用微藻进行生物处理特别有吸引力，因为它们具有光合作用能力，可以将太阳能转化为有用的高热值的生物质，并将导致富营养化的氮和磷等营养物质纳入其中。这个过程被称为植物修复。藻类生物质可用于堆肥、动物饲料、甲烷生产以及液体燃料和精细化学品的生产。2016年，美国能源部启动了MEGA-BIO项目，研究海藻作为生物燃料平台的作用。藻类系统可以处理人类污水、牲畜废物、农工业废物和工业废物。此外，研究了处理其他废物的微藻系统，例如猪舍废水、食品加工厂废水和其他农业废物[6，7]。成功处理微藻废水的某些因素包括非生物因素，如温度、光照、pH值、氧气、二氧化碳、盐度;病原体之间的竞争等生物因素;操作因素，如稀释率、混合、深度和采集频率;以及氨等抑制物质[6]。

2.1。光

微藻需要光作为其生长和维持的能量源。他们通过将光能转化为化学能合成食品。的光能量的90％作为热量耗散。在世界的某些地区，人工光用于微藻生长，因为它是很难依靠这些地区的阳光。此外，栽培槽和密集的微藻文化的深度也影响光的可用性。

2.2。温度

藻类生长应保持最佳温度。较大的温度变化对微藻生长有负面影响。

2.3。曝气和搅拌

它们是用于污水处理的重要因素，导致有机物需氧降解。曝气用于以下目的，包括微生物的呼吸，并作为二氧化碳和混合的源。混合提供了营养物质的良好分布，改进了传质，限制了厌氧区的形成，并且防止光的限制。

2.4。pH值

pH值对微藻的代谢有较大的影响。它在确定废水的生化组成了至关重要的作用。pH值影响矿物盐的溶解度，CO₂阿,₂在废水。高pH水平导致降低BOD，消毒，氨汽提，和磷酸盐和其他金属的沉淀。

2.5。抑制物质

在废水中，有无数的微生物为他们的生存竞争。它们中的一些产生能够影响其他微生物的生长抑制物质。微藻是高度敏感的，可以通过不同的有机体如原生动物和病毒感染;因此，它们可以用作在毒性试验敏感的指标。微藻的感染可通过负责杀灭原生动物和轮虫，废水暴露于氨的高浓度，并且使用具有厌氧阶段的持续时间短微藻培养系统中的废水酸化来控制。

重金属和毒性有机化合物的浓度显著已在城市污水进行了测量。随后，废水处理系统的能力，以容忍和移除毒性是相当重要的。微藻是重金属的有效吸收剂，吸收二氧化碳，提供氧气，并且可以生成沼气从产生的生物量提高[8-10]。通过藻类金属的生物蓄积性可以创建用于补救废水金属污染[一种可行的方法11，12]。一些备用藻类培养和废水处理系统的包括以下。

2.5.1。高含沙洪文化系统

Hyperconcentrated cultures consist of algal biomass >1.5 g/l. The algae cultures are either concentrated by flocculation or can be settled by using a flocculent (chitosan). It has been demonstrated that they can accelerate the removal of inorganic nutrients compared to normal algal cultures. Advantages associated with hyperconcentrated cultures are reduced residence time and requirement of a small land area.

2.5.2。固定化细胞系统

固定化微藻可以克服从处理后的废水中获取和回收藻类生物量的问题。与悬浮细胞相比，将活细胞固定在合适的载体上可以简化处理过程，因为它有助于增加细胞在反应器中的停留时间。中空纤维固定化蓝藻系统已报道了高比率的氢生产和去除无机营养物的废水。

2.5.3。管状光生物反应器

这些反应器由封闭的透明管道组成，藻类在其中生长。这些管可以放置在地面上或可以安排为长垂直行(图2)。藻类的循环是通过泵(离心泵、蠕动泵、隔膜泵或叶泵)来实现的，这些光生物反应器由一个气体交换装置组成，通过这个装置可以添加二氧化碳，从系统中分离出氧气。考虑了氧气和二氧化碳的控制、循环速度、温度的控制、管内表面藻类的生长等各种参数[13]。

2.5.4。废物稳定塘（的WSP）

WSPs由厌氧池、熟化池和兼性池组成，以单个或多个平行序列排列。它们包括大而浅的盆地，通过自然资源(主要是阳光)处理未经处理的污水。经证明，这是最具成本效益、操作简单、可靠的污水处理方法[五]。希望在不久的将来，水安全计划会导致一个更可持续的生态污水处理系统。生化需氧量（BOD）去除在厌氧和兼性池塘经沉淀处理，并通过需氧细菌，分别进行的。熟化塘用于去除粪便大肠菌和排泄病原体由于多样藻类群体的存在（图3)。

3.硅藻

硅藻是一种广泛存在的单细胞真核微藻，是环境指示、石油勘探和法医检验等领域的理想生物。14]。根据目前的研究，硅藻有着广泛的如化疗和生物传感两种纳米技术和生物技术领域的应用，分析生态问题，纳米制造技术，免疫诊断，粒子分选，药物输送和富营养化。他们负责人为消耗的碳排放量。由于其生理功能和生物方面的硅藻可用于垃圾降解。作为环境应力敏感，它们可以很容易地检测水中的污染物的程度[15，16]。他们负责的营养物的去除和溶解氧物质存在于水体浮游植物的优势类群。硅藻藻类已被证明是具有成本效益的污水处理这对浮游动物的最佳食品。主要的障碍是加快硅藻的生长，对其中有二氧化硅的要求。Nualgi于2004年发明了用T萨姆帕斯库马尔是使用纳米二氧化硅作为微量营养素与铁和9种痕量金属（镁，钴，B，钙，锰，锌，钼等），沿着一个创新的产品触发硅藻的生长[17-19]。只需1公斤的nualgi就可以从水中去除400-1400公斤的碳，并用硅藻生长所产生的氧气来代替。此外，它们被小鱼吃掉，从而恢复了水中的食物链。由于其纳米尺寸，nualgi能够悬浮在水中，进一步提高微藻营养物质的生物利用度，并能侵入地下极小的空间。与其他方法相比，nualgi是无害的，处理废水不需要用电[20]。

4.Microalgal纳米颗粒

一些与微藻培养系统相关的主要限制是非常耗时的，乏味的任务，微藻的收获和广泛使用的耕地。为了避免这些后果，微藻纳米粒子往往是增强去除效率创新的研究领域。纳米技术是指一种有利的技术，研究纳米尺寸的物体来开发，使用和理解材料的结构，系统和设备具有从根本上新的性质和从它们的小结构得到的作用。纳米粒子的高效理化性质和结晶特性使纳米技术的一个突出区域重点。这推动研究对使用纳米颗粒，因为它们具有一些不寻常的热，电子，生物，光学，化学，和物理性能相比，其规模批量同行[20，21]。纳米粒子可用于各种各样的目的，例如用于医疗，在太阳能和燃料电池高效能源生产，并在水中和空气过滤器，以减少污染，并且它们也可以用作在目前的制造方法中的催化剂，以消除使用有毒物质。常规和最常用的方法来合成纳米颗粒是湿式法（物理和化学）。这些方法下两种方法顶分类向下和自底向上方法（图4)。在化学上，纳米颗粒通过在含有还原剂和稳定剂，如酒石酸氢钾，十二烷基苄基硫酸盐，甲氧基聚乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮，或硼氢化钠的液体培养基中生长合成。此外，物理方法包括高温分解和消耗。不幸的是，这两种方法使用的物理和化学的方法有一定的影响，由于其对环境的负面影响，费力的生产技术，负担不起成本。研究表明，由于高表面能，纳米粒子吸引原子和分子，进一步改变其表面性质[22，23]。因此，他们无法存在于周围环境中的裸体形式。因为这些环境的相互作用，纳米颗粒不适合于治疗用途。这种作用机制导致的认识对于蔓延到开发纳米粒子的组装和合成无毒和环保型的程序。

通过生物合成途径（通过微生物或植物提取物）的纳米颗粒的合成与物理和化学方法相比更简单的技术，已经吸引了相当大的兴趣世界各地[23-25]。真菌、细菌和酵母等微生物在金属离子的修复中发挥着重要作用。在所有的生物系统中，微藻已经获得了极大的兴趣，因为它们可以对有毒金属进行生物处理，并进一步将其转化为更顺从的形式。微藻具有光合作用能力，能将太阳能和二氧化碳转化为有用的生物，并积累氮和磷等营养物，使水体富营养化[26]。利用微藻从相应的水盐溶液中合成金属纳米颗粒的方法有很多[27]。这可以改变纳米晶体的尺寸和形状，从而获得更好的质量五)。有四种方法来合成纳米微藻：(我)从微藻分裂细胞中提取的生物分子的直接开发（ⅱ）无细胞上清液的开发做出微藻培养基（ⅲ）从微藻的全细胞不同性质的纳米颗粒的生物合成（ⅳ）利用微藻的活细胞

（一个）

（b）中

一些微藻品种已通过使用其提取的生物分子[利用纳米材料的生物合成29，三十]。为了获得金纳米板，首先将微藻类生物量冻干，然后对其进行RP-HPLC处理。，reverse-phase high performance liquid chromatography, until the gold shape-directing protein (GSP), which is responsible for directing the shape of nanoparticles, is isolated. Furthermore, this protein is brought into the contact of HAuCl4 aqueous solution, thus producing gold nanoparticles of different shapes. In case of silver nanoparticles, PLW (proteins of low molecular weight) and PHW (proteins of high molecular weight) contained in the biomass of microalgae are responsible for reducing silver ions into their metallic counterpart. Tang et al. used a fine powder of水绵木莲(Charophyta)用于银和金纳米粒子的生物合成[31]。Patel等。合成的银纳米颗粒通过利用蓝藻和绿藻物种的无细胞上清液[三十]。收获微藻的全细胞为金属纳米颗粒的生物合成的容易得多方法。对于生产的可持续发展和数额巨大，微藻是设计光生物反应器的最佳生物资源之一。

微藻活细胞用于合成金属纳米颗粒，其步骤包括直接将金属盐水溶液添加到维持在其培养条件下的细胞中。纳米粒子合成后，被释放到包裹在基质中的培养基中，基质进一步负责形成胶体。后者由于其重量而在光生物反应器中定居下来。如果需要，纳米颗粒生物合成的重复循环可以通过添加新鲜培养基来完成。此外，被困在有机小泡中的微藻仍能维持其纳米颗粒生物合成能力。Merin等人、Mohseniazar等人、Dahoumane等人、Dahoumane等人和Rosken等人报道了从各种微藻物种生物合成银纳米颗粒，如绿藻，定鞭藻门和Ochrophyta[25，32-34]。分析技术多种用于表征金属纳米颗粒的形态，如原子力显微镜（AFM），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），动态光散射（DLS），UV-Vis光谱，傅里叶变换红外光谱（FTIR），粉末X射线衍射法（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）。Mahdieha等。通过使用活生物量合成的银纳米颗粒螺旋藻这是通过X射线衍射光谱进一步证实[35]。Luangpipat等人[36]描述了一种用于细胞内生产金纳米颗粒的有效生物途径霍乱寻常的这是由公认的透射电子显微镜（TEM）。他们培养霍乱寻常的与通过离心收获的氯化金的溶液。基于同步加速器X射线吸收光谱和X-射线粉末衍射进一步证实这些纳米颗粒是金属金[37]。

纳米颗粒的合成涉及藻菌株和是剂量依赖性的。几个生物分子如多糖，颜料，和肽负责金属离子的还原。蛋白质（氨基或半胱氨酸残基）和硫酸化多糖用于稳定和在水溶液中盖住金属纳米颗粒。与其他生物合成方法相比，藻类的纳米颗粒的合成花费相对较短的时间。微藻可以被认为是一个功能强大的纳米工厂，能生产不仅银离子也由其他金属离子如金，镉，和铂[纳米颗粒的20]。金属纳米颗粒可以通过实况合成而死干生物质。藻类如小球藻，螺旋藻和螺旋藻大写字母已经报道了银纳米颗粒的有效的生物合成[29]。

5.混合Nanobiomaterials的

纳米纤维如多孔纳米纤维、二维纳米纤维/网、仿生纳米纤维和线状纳米纤维可以通过特殊的静电纺丝方法制备[35]。由于其独特的物理、生物、化学或光学特性，它们在超疏水材料、石英晶体微平衡传感器、过滤材料、层层模板材料、比色传感器、染料敏化太阳能电池等各种应用领域显示出巨大潜力[38-40]。与传统的聚合物膜和非织造膜相比，其大孔隙率、可调功能和高地对容比已被证明在液体过滤和颗粒分离方面是有效的。静电纺丝具有产生不同材料的超薄纤维的独特能力，这些材料包括合成和天然聚合物、陶瓷、载纳米颗粒的聚合物和聚合物合金[41]。无纺布静电纺丝纳米纤维网是膜制备有前途的方法，特别是对环境工程和生物技术应用。生物大分子或配体分子可以与纳米纤维膜进行杂交，从而可用于多种应用，包括蛋白质纯化，酶催化合成或，化学分析和诊断，与废水处理[42-44]。在中试规模，电纺纳米纤维膜已示出，以除去废水中的微粒。它们已被测试为亲和膜，通过固定特定的捕获剂在其膜表面的特定的靶分子制备。潘等人。（2017）研究了藻类和TiO 2 /银纳米材料的协同作用对Cr（IV）的photoremoval紫外光照射下[45]。Keskin的等。通过静电纺丝技术开发的聚砜纳米纤维网在其微藻Chlamydomona reinhardtii被固定为从水中去除活性染料[46]。Eroglu等人通过在电纺丝纳米纤维席上固定微藻细胞，证明了从液体废水中去除硝酸盐。未来，它们将在去除废水中的有机废物和重金属的环保产业中发挥关键作用[47]。

纳米材料如磁性纳米粒子提供各种优点，包括控制的大小和在磁共振成像对比度增强，并且它们可以从外部进行操作。因为在生物学和医学领域，如药物输送，医疗成像和蛋白纯化其潜在的好处，研究人员设计的多功能磁性纳米粒子。刘等人。合成磁性壳聚糖纳米复合物从废水中除去重金属离子。由于其特殊的性质，他们可以很容易地从水中取出与外部磁铁的帮助[48]。Fakhrullin等。报告单步技术，功能化的单细胞活蛋白核小球藻藻类细胞与生物相容的聚电解质（聚烯丙胺盐酸盐）与稳定化的超顺纳米粒子的生物电子器件和生物传感器[发展49]。对于大规模的纳米材料的藻类合成，有应该考虑采取诸如纳米颗粒，动力学，以及用于纳米颗粒形成机制的最终形式的环境条件（pH，菌株的选择，平均光强度的影响的某些参数，离子强度等）和金属阳离子生物运输。

6.微藻纳米粒子的应用

根据最近的一些研究表明，淡水藻类，像四尾栅藻，小球藻，羊角月牙和栅藻platydiscus是能够积聚和降解的多环芳香烃。藻类的系统，以往被用作叔废水处理过程。他们也被提议作为一个潜在的二级处理系统。藻类可以在治疗过程中可用于各种目的，其中一些被用于去除大肠菌细菌，减少在化学和生化需氧量，除去N和/或P的，并且除去重金属[9]。藻类的纳米颗粒的生物医学应用包括伤口愈合剂和抗真菌，抗癌，和抗菌活性。据报道，金属纳米颗粒（金，银，铜和氧化铜），使用合成Bifurcaria分叉，Galaxaura长，蒿子plagiophyllum，总状蕨藻，Microcoleus属，土生绿球对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的抗菌活性。硅藻吸收全球二氧化碳和氧释放，从而增加水生机构的溶解氧（DO）水平。这可能会导致生物多样性，水生生物和水质量的改善。在未来，藻纳米颗粒可以因为它们能够穿透extrapolysaccharide（EPS）和细胞膜的用作针对多重耐药菌抗生物膜剂。此外，他们还可以针对纳米复合材料和生物传感应用的探讨。

七，结论

纳米技术与生物技术的结合创造了一门新的科学——纳米生物技术。纳米生物技术时代是世界科学发展的一份突出礼物。这项新技术符合当前科学的迫切需要，改进现有的纳米颗粒生物合成策略和发明新的。纳米粒子的生物合成可以减少环境污染，减少目前使用的传统制造工艺对人类健康造成的危害。藻类可用于废水处理，包括减少BOD、去除N和/或P、抑制大肠菌群和去除重金属。因此，微藻处理的废水，通过生物和物理化学机制，可以代表一个有吸引力的补充现有的生物处理用于净化废水。已经证明微藻有能力积累细胞内的脂质和类胡萝卜素。目前，从藻类中生产重组蛋白的研究正在进行中。需要进行更多的研究，不仅要确定相关的化合物，还要更好地了解微藻形成纳米颗粒的机制。由于这是一个新的领域，绿色合成纳米颗粒的生物技术潜力有很多方面有待阐明。 It would be desirable to develop a technology in which the specific size and shape of the particles could be obtained using a specific strain of algae and cyanobacteria.

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

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