基于磁絮凝技術的微藻細胞采收應用研究進展

許焱喆，朱聯東

（武漢大學資源與環境科學學院，武漢 430079）

隨著人口的持續增長和經濟社會的穩步發展，傳統能源被過度開采和利用，而大多數傳統能源都屬于一次性非再生的常規能源。因此，開發新能源技術成為當下的熱點。微藻作為最有潛力的生物能源原料受到廣泛的關注，出現了微藻生物能源研究的熱潮。微藻廣泛分布于全球，是一種光合利用效率極高的微生物。它們能將光合作用產物轉化成油類物質儲存在細胞內，這些油滴通過轉酯化作用便可成為脂肪酸甲酯，即生物柴油的主要組成成分。此外，微藻細胞的代謝產物蛋白質、色素、多糖等物質在醫藥、食品加工、基因工程等方面都有著寬闊的應用前景。

微藻的采收和下游處理是人們一直以來關注的重點。微藻個體微小、培養濃度低、具有因表面負電荷維持的相對穩定性的特點，不易被收集與采收。在產業化的過程中，微藻的采收成本占到投資總成本的20%～30%，尋找經濟高效的采收材料與方法成為這個領域關注的焦點。目前，微藻的采收方法包括重力沉降、離心、絮凝、過濾和浮選等。

微藻絮凝具有相對較高的經濟性和采收效率，其中，磁絮凝對于降低微藻能耗有著顯著的作用。磁絮凝是指利用帶有磁性的微米級或納米級顆粒（通常是Fe3O4或其改性劑），在外部磁場的作用下收集液體懸浮液中所需物質的過程。磁性粒子作為絮凝劑吸附在微藻細胞表面，受磁力作用迅速沉降至磁極周圍，有些磁性粒子還兼具破壞細胞、提取油脂的功能。由于磁選方法具有操作簡單、能耗低、成本低、效率高等優點，現已被廣泛應用于水處理、微藻采收等多個領域[1-5]。

本文整理了近五年來國內外基于磁絮凝作用的微藻采收的相關研究，關注不同類型的磁性粒子和改性的磁性顆粒在微藻采收工藝的性能，探討高效磁性顆粒的微觀表征結果和幾種吸附機理（見表1、表2），希望能對之后相關方面進一步的研究和微藻制油的產業化有所幫助[6-15]。

表1 微藻磁絮凝采收中表面功能化Fe3O4 顆粒的效果比較（一）

表2 微藻磁絮凝采收中表面功能化Fe3O4 顆粒的效果比較（二）

1 磁絮凝機理

磁性顆粒和微藻相互作用的機理與膠體在混凝劑作用下沉降的機理類似，主要包括吸附電中和作用、壓縮雙電層作用和吸附架橋作用。

有研究發現，藻類細胞外表面分布著大量的官能團，主要是羥基、胺基、羧基和磷酸基團，這些官能團能在水溶液中發生離解，細胞表面因此帶有一定的電荷。藻類細胞表面通常擁有負的ζ 電位，這使利用電性中和收獲藻類成為可能。吸附電中和作用的主要原理在于微藻表面的負電荷可以強烈吸附帶相反電荷的物質，如異號離子、異號膠粒或異號高分子聚合物等，這種吸附中和了它們部分或全部的電荷，因而減少了靜電排斥力，破壞了微藻培養液的穩定性，這種作用為尋找裸磁性顆粒的陽離子包覆材料提供依據。壓縮雙電層作用的主要原理在于磁絮凝顆粒投入培養液中后，會形成和微藻表面電荷反離子電性相同的離子，這些離子與原有的反離子發生交換或擠入吸附層，從而降低滑動面上的ζ 電位，保證了電性中和所需要的擴散層厚度。此時微藻脫穩，并在磁力的作用下發生凝聚。在某些特定的離子組分或pH 值條件下，微藻的表面電荷將減少至零，即“細胞等電點”。

微藻細胞和磁顆粒間發生的架橋作用也可以誘發微藻絮凝。研究表明，盡管藻類有著表面帶電的性質，靜電引力不是唯一的吸附絮凝機制。許多鏈狀高分子、樹狀大分子材料可以通過橋接捕獲微藻，形成“微藻-高分子-微藻”絮凝體。這種情況下，大分子物質的投加量起著關鍵性的作用，投加量過少，不足以形成架橋；投加量過多，又會導致大分子包裹細胞而阻礙其沉淀。總之，吸附架橋為磁性顆粒的改性提供另一種思路。

除了傳統的微藻脫穩機制外，氫鍵作用被證明是連接磁性顆粒和細胞的另一種有效作用。微藻與磁性顆粒分別作為氫鍵受體和氫鍵供體，這通常意味著更牢固的結合。此外，幾乎所有的研究都表明，磁絮凝中納米顆粒物與微藻細胞間的作用是多樣的，系列試驗證明這種復合作用力以靜電吸附和橋接作用為主。

2 裸磁粒子的吸附絮凝

試驗證明，無改性的裸磁粒子在一定條件下也具有顯著的微藻收獲性能。Xu 等人研究了無表面改性的磁性納米顆粒的絮凝作用，試驗采用改良的化學分解法，通過調整FeCl2與FeCl3的比例，制備出三種不同性質的磁性納米顆粒，并研究了它們對四種藻類菌株（聚胞藻、豆類藻、微綠藻和微囊藻）的采收效率[2]。試驗證明，微囊藻的捕獲效率（98.71%）在所有類型的納米顆粒中最高，其次是微綠藻（98.10%）。雖然目前大部分研究傾向于對Fe3O4粒子進行表面改性，但與裸磁相比，改性顆粒由于表面改性聚合物價格相對昂貴，在單位收獲成本方面處于劣勢。

2.1 具有光活性的磁性納米顆粒

除了大多數研究選用Fe3O4作為制備磁性納米顆粒的材料之外，ZnFe2O4作為一種新型的光活性材料在微藻采收中也得到了一定的應用。Seo 等人發現，ZnFe2O4不僅有被磁性物質吸引的特點，還具有光催化活性[3]。帶正電荷的EDA-硅烷官能化的ZnFe2O4磁性顆粒兼具吸附微藻和在過氧化氫、光照條件下促進藻類細胞裂解釋放油脂的功能，該方法顯示了非常好的經濟性和環保性，因為它不僅利用了可再生的太陽能，還整合了復雜的下游加工。

2.2 改性的磁性納米顆粒

在大多數試驗中，由于裸磁性顆粒在吸附微藻細胞方面的局限性，多種多樣的物質被研究用作涂覆材料。這些材料通常具有較大的比表面積，為藻類吸附或架橋作用提供活性位點，或在溶液中具有帶正電荷的表面，利用電中和作用凝聚細胞。

Liu 等人制備了一種新型功能性石墨烯磁性絮凝劑：以氧化石墨烯片（GO）作為基底，其上附著經超聲處理而質子化的Fe3O4磁性納米顆粒，片層間通過帶正電荷的鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯（PDDA）連接，構成GO-Fe3O4/PDDA 復合物[4]。其中，輕的石墨烯片作為穩定的基底提供了巨大的表面積和更多活性位點，陽離子聚合物黏合劑和松散的片層共同保證了表面橋接和吸附帶負電荷的藻類細胞的結構基礎。GO-Fe3O4/PDDA 對小球藻的吸附能力為14.06 g/g， 在pH 8.0 下70mg/L 時收獲率高達95.35%。

Zhao 等人選擇聚氧化鋁（PACl）和聚丙烯酰胺（PAM）作為涂覆材料，分別研究了兩種物質單獨和共同作用時的采收效率[5]。試驗證明，復合方式和加藥策略對采收效率有著極大的影響。當首先復合PACl/Fe3O4配劑，然后施用PAM 時，在30 s 以內得到了99%的采收率。這種PACl/Fe3O4+PAM 工藝主要吸附機理包括電荷中和與PACl 的架橋和網捕作用。

有研究制備了植物多酚（PP）組裝的Fe3O4磁性納米顆粒，因為PP 作為表面活性劑，具有強極性和親水性基團，包括羥基、羧基、脒基和醚鍵，這些官能團不僅能改善磁性納米顆粒在培養液中的靜電穩定性，還能夠控制Fe3O4顆粒在成核和生長過程中實現不同的粒徑分布。通過使用場發射掃描電子顯微鏡對其進行表征，Fe3O4-PP 呈球殼結構。值得注意的是，Fe3O4-PP 顆粒表面攜帶負電荷，這表明微藻細胞的捕獲不依賴于電荷中和，其能夠通過氫鍵結合細胞，即用Fe3O4-PP 顆粒的羥基作為氫鍵供體，微藻表面的氨基或羧基作為氫鍵受體，這為磁絮凝的吸附機理提供新思路。

除涂覆材料的種類外，同種物質的不同涂覆量也會顯著影響收獲效率。Liu 等人選用三種不同聚合度的聚精氨酸（PA）分別對Fe3O4進行改性，合成p-Fe3O4@PA 絮凝劑[6]。其中，聚合度在15 000～70 000 的中等聚合度聚精氨酸-四氧化三鐵磁性顆粒表現最佳，因為此分子量下，長鏈聚精氨酸作為高正電荷聚合物能提供更多的活性位點，有助于架橋作用和捕獲帶負電荷的藻類細胞進行吸附。分子量過高 （＞70 000）會導致納米顆粒聚集而降低效率，過低則不能提供足夠的活性位點。

類似地，Wang 等人利用邁克爾加成和酰胺化反應，逐步接枝合成富含氨基的聚酰胺-多胺（PAMAM）樹狀大分子涂覆的磁性納米粒子，對照組為以小分子氨基酸（AA）為涂覆材料的磁性離子[7]。試驗結果表明，Fe3O4-AA 僅能夠以較小的幅度提高收獲效率（相比裸磁性粒子），其主要原因是氨基酸是只有1 ～2 個末端氨基的小分子，經修飾后通常單層吸附于納米顆粒表面，因此它們不能像聚合物一樣提供足夠的官能團和吸附活性位點。相比而言，Fe3O4-PAMAM 高度陽離子化，吸附能力高達16.1 g/g，研究還發現收獲效率與涂層厚度正相關，這在以前從未被報道過。

“質子海綿”機制也被用來解釋藻類吸附，聚乙烯亞胺（PEI）是一種胺基陽離子聚合物，有著良好的水溶性。Gerulová 等人利用其大量的表面官能團、適宜的分子量、良好的物理穩定性和化學相容性等特點，制備了Fe3O4-PEI 納米顆粒[8]。PEI 表面伯、仲和叔胺基的pKa 值不同，賦予其在不同pH 下捕獲質子的能力，因而它可以很容易地與藻類細胞表面的羧基、羥基基團反應，有助于微藻的絮凝和回收。

2.3 改性的多功能納米磁性顆粒

一種新型雙功能表面活性劑修飾的Fe3O4磁性納米粒子被開發出來，旨在實現低成本微藻采收。Seo等人用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）修飾Fe3O4納米粒子，得到的磁性絮凝劑能同時收獲微藻和破壞細胞[3]。適宜條件下，0.46 g 絮凝劑/g 細胞即可達到96.6%的收獲效率，并且僅使用常規溶劑，即可從細胞中提取油脂，無需額外耗能破壞細胞。

此外，Lee 等人從基于微型載體的動物細胞藥物傳送中得到啟發，將其應用于藻類研究，制備出一種能同時用于微藻收獲和刺激細胞內油滴或其他有用化學物質釋放的磁性納米顆粒[10]。試驗制備了Fe3O4納米顆粒涂覆的CaCO3微粒（作為犧牲模板），并在表面合成聚-4-苯乙烯磺酸鈉（PSS）和聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）交替涂覆的涂層。除去犧牲模板以后，合成的磁性微膠囊可通過靜電吸附采收微藻，并且通過原位監測微環境中的化學反應誘導微藻中有價值的目標組分。值得注意的是，三重功能的納米磁性顆粒也被合成。

通過溶膠噴霧熱解合成法，優化聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與硝酸鐵質量比，Seo 等人合成了填充有Fe3O4的三官能碳微粒，這種粒子具有三種功能[11]。一是顆粒表面可通過靜電吸引促進藻類細胞的絮凝；二是內部具有磁性物質Fe3O4，能夠從低濃度培養物中分離藻類細胞，分離效率可達99%；三是表面的親脂性有利于回收含油藻類細胞中釋放的油脂，從而整合了下游加工過程。TEM/EDS、XPS 和FT-IR 分析表明，PVP 在反應器中停留較短時間而未完全分解的工藝使制備同時具有親脂性和陽離子的表面成為可能（大多數陽離子官能化劑是疏水性的）。與其他磁性納米顆粒相比，這種三功能可以在微藻采收中實現綜合應用。

3 結論

由于磁性絮凝能耗低、經濟高效，微藻的磁絮凝采收工藝獲得廣泛關注。不同種類的包覆材料被不斷地發現和研究，使改性的磁性納米顆粒具有更佳的采收效率。然而，磁絮凝的研究也存在部分問題：一是大多數研究停留在實驗室階段，未對研發材料進行工業化大規模試驗；二是部分高效絮凝磁性顆粒的采收效率受環境（如pH、循環次數）影響較大，并且同種磁絮凝劑對不同種藻類的采收效率也有差異；三是部分涂覆材料雖然有著優良的采收效率和循環使用性，卻仍存在成本過高的問題。綜上，盡管近五年來磁絮凝被大量研究，真正適用于大規模應用的產業化絮凝材料還亟待研究和發現。