2024年10月25日，浙江师范大学地理与环境科学学院膜法课题组张媚佳教授在Chemical Engineering Journal期刊发表题为“Optimization of microalgal-bacterial consortium flocculation through chitosan-diatomite composite materials: a sustainable approach to biomass harvesting（通过壳聚糖-硅藻土复合材料优化微藻-细菌聚集体絮凝：一种可持续的生物质收获方法）”的研究论文。Chemical Engineering Journal是化工和环境工程领域的顶级期刊，最新影响因子为13.3。浙江师范大学硕士研究生赵誉为一作，浙江师范大学为第一通讯单位。
► 壳聚糖-硅藻土复合材料在60 mg/L时优化了微藻-细菌聚集体絮凝能力。
► 最大的粒径显著提高了絮凝效率。
► 壳聚糖和硅藻土的协同作用增强了微藻细胞的结合。
► 细胞外聚合物物质中的色氨酸样蛋白提高了絮凝体疏水特性。
基于壳聚糖的絮凝剂正在成为一种很有前途的微藻收获技术。然而，在藻类-细菌共生（ABS）系统中实施具有成本效益和可持续的壳聚糖-无机复合材料以收获微藻-细菌聚集体（MBC）仍未得到充分发展。本研究通过合成和评估壳聚糖-硅藻土复合材料（CTS/DTE）来解决这一差距，重点是关注它们的浓度对MBC絮凝的影响。在MBC协同培养过程中，当CTS/DTE浓度为60 mg/L时实现了最佳的生物质生产和絮凝性能。综合表征结果表明，最大粒径对提高絮凝效率有显著作用。这种功效主要归功于CTS和DTE之间独特的相互作用所产生的净捕集和吸附交联的协同效应。这些相互作用不仅增强了絮凝剂和微藻细胞之间的结合，还促进了MBC絮凝体的结构稳定。此外，通过三维荧光（EEM）分析鉴定的细胞外聚合物物质（EPS）中的色氨酸样蛋白被发现是MBC絮凝体疏水特性的主要贡献者，显着增强了它们的粘附和聚集热力学。总的来说，这项研究阐明了创新策略，并为高效和具有成本效益的MBC收获提供了理论和实践见解，突出了CTS/DTE复合材料在提高ABS系统可持续性方面的潜力。
在本研究中，通过利用硅藻土改性壳聚糖，成功合成了CTS/DTE絮凝剂（图1），并在特定实验条件下系统评价了其对藻菌共生（ABS）系统内藻菌聚集体絮凝的影响。结果表明，在该系统中，CTS/DTE与藻菌聚集体的共培养在60 mg/L的浓度下实现了最佳的生物质生产和絮凝效率。这项研究虽然是特定于经过测试的藻菌共生系统，但为提高生物质收获的效率和成本效益提供了重要的理论和实践见解，可以在其他系统中进一步探索。
图1. CTS/DTE制备的示意图
图3. （a）0 mg/L、（b）20 mg/L、（c）60 mg/L、（d）100 mg/L的CTS/DTE浓度培养的MBC的显微图像.
为了进一步研究在CTS/DTE共培养过程中促进藻菌絮体结合的物质，使用多变量平行因子（PARAFAC）分析对EPS的荧光成分进行了分析（图4）。通过Matlab中的3分量建模验证了所得激发发射矩阵（EEM），并通过OpenFluor数据库将荧光分量与文献进行了比较。化合物3是EPS中常见的一种腐殖质样物质，表现出独特的峰，表明它的存在。相反，化合物1被鉴定为可能与氨基酸色氨酸相关的蛋白质成分，化合物2被鉴定为微生物腐殖质荧光根。值得注意的是，色氨酸样蛋白是芳香族蛋白组的一部分，被发现在絮凝过程中起着至关重要的作用，促进聚集体的形成和发展。活性污泥细菌分泌的N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）进一步刺激微藻产生更多的芳香族蛋白质，从而增强絮凝过程。
图5. 根据XDLVO理论，在（a）0 mg/L、（b）20 mg/L、（c）60 mg/L、（d）100 mg/L的CTS/DTE浓度下，MBC之间的总相互作用与分离距离的关系
【第一作者简介】
赵誉：女，山西晋中人，导师为张媚佳教授和林红军教授，目前为浙江师范大学地理与环境科学学院环境工程专业研三硕士生，研究方向为藻菌污水资源化以及膜污染机理与控制。拥有较高的科研素质，具有一定独立开展科研工作的能力。目前已发表SCI学术论文4篇，其中以第一作者身份在Chemical Engineering Journal和Science of The Total Environment期刊上发表论文2篇，另有2篇论文在投或在撰写。
