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

由于微塑料尺寸極小、表面性質復雜，物理過濾極易導致膜堵塞，且運行能耗巨大；化學絮凝則往往受限于水體化學條件，如 pH 值、離子強度，且容易引入新的化學污染物。更為核心的痛點在于，現(xiàn)有的處理邏輯多為移除，即將微塑料從水相轉移至固相，如污泥中，這本質上只是污染物的空間轉移，而非真正的消除。如何高效捕獲微塑料，并在捕獲后對其進行資源化利用，是環(huán)境工程領域亟待攻克的難題。

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

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）進行被動吸附。然而，這種非特異性的吸附效率低、速度慢，且極易受環(huán)境波動影響。研究團隊另辟蹊徑，將目光投向了物理化學中的“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?；谙嗨葡嗳茉恚芯咳藛T基于 Synechococcus elongatus UTEX 2973 這一生長迅速的藍藻底盤，構建了名為 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。該菌株在生物質、糖類及化學品生產等工業(yè)應用中潛力巨大，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。當它被工程藻大量分泌并富集在細胞表面時，藻細胞的表面性質發(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胞對微塑料的靶向親和力。在水體中，疏水的藻細胞與疏水的微塑料顆粒之間產生了強烈的疏水-疏水相互作用，驅動兩者迅速相互靠近、聚集，并形成肉眼可見的沉降體。

這一機制的創(chuàng)新性在于，它將原本被動的生物吸附，轉化為了一種由細胞表面理化性質主導的主動捕獲。顯微觀察證實，微塑料并非隨機附著，而是集中分布在藻細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地位。

為了驗證這一設計的有效性，研究團隊進行了一系列嚴謹?shù)亩繉嶒炁c機理分析。

實驗數(shù)據顯示，在混合靜置僅 1 小時后，工程藻對聚苯乙烯（PS）微塑料的去除率高達 91.4%。相比之下，未經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)據有力地證明了通過合成生物學改造細胞表面性質的巨大潛力。同時，研究也證實，該技術適用于多種微塑料，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。實驗表明，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 干重的工程藻細胞就能處理 5mg 微塑料的 83.7%，由此得出每克干重細胞的去除能力約為 0.1g 微塑料。這在生物修復領域是一個相當可觀的數(shù)字，意味著較少的生物質投入即可實現(xiàn)大規(guī)模的污染物捕獲。

在長達 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。這一點對于未來在連續(xù)流廢水處理系統(tǒng)中的應用至關重要。

為了進一步確證機制，研究人員使用了受激拉曼散射（SRS）顯微成像技術。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胞成分（如胞外多糖）作為主要驅動力的可能性，也為后續(xù)的菌株優(yōu)化提供了明確的方向。

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

該研究的另一大亮點，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。實驗結果顯示，HCC 在有效去除微塑料的同時，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，當工程藻細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的生物復合材料原料。研究指出，這些富集了微塑料的生物質可以直接作為原料，用于生產生物塑料或復合材料。

通過這種方式，微塑料被固定在新的材料基質中，實現(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變。這種循環(huán)經濟的設計，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)中的長期累積風險。

從技術經濟分析（TEA）的角度分析，該平臺展現(xiàn)出顯著的競爭優(yōu)勢。它依托光合作用驅動，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、生物質生產三者合一，極大地分攤了單位處理成本。

憑借藍藻天然的 CO? 利用能力，該平臺在可持續(xù)性方面具備相比其他修復系統(tǒng)更為獨特的優(yōu)勢：首先，藍藻生長消耗 CO?，可抵消微塑料修復過程中的碳排放，使其成為低碳甚至負碳過程；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，進一步擴大了環(huán)境效益；最后，該集成過程在去除微塑料的同時產出藍藻生物質，可進一步加工生成多種高附加值產品，從而顯著提升平臺的整體經濟性。

但要將其轉化為工業(yè)級的大規(guī)模應用，仍需跨越四大關鍵技術門檻。

第一，復雜環(huán)境場景的適應性挑戰(zhàn)。真實環(huán)境往往比實驗室條件更復雜，需驗證系統(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、有機污染物）以及化學需氧量波動，是否會抑制工程藻的活性，或干擾疏水相互作用機制，從而影響去除效率。

第二，長期運行與遺傳穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。雖然短期（19 天）試驗表現(xiàn)穩(wěn)健，但長期工業(yè)運行需防止因基因突變導致的關鍵表型喪失。需要通過進一步的菌株工程設計來確保遺傳穩(wěn)定性；開發(fā)配套的工藝流程，以在長周期運行中維持最佳系統(tǒng)條件，規(guī)避性能衰減風險。

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合材料，需要深入理解藍藻特定生物聚合物在其中的作用；需針對不同應用場景，對細胞與塑料的比例、停留時間等關鍵參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化，以確保產出的復合材料具有優(yōu)異的機械性能。

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手段進一步增強藻細胞與微塑料的親和力，提升單位生物質的去除容量及整體生物生產力，以應對更大規(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