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　　废水处理正在经历从污染物去除向资源回收的转型，这为将环境修复与循环生物经济原则相整合创造了机会。丝状藻作为多功能生物平台引起了越来越多的关注，因为它们的附着生长习性促进了生物质收获，同时支持了营养物回收与生物质价值化。本综述综合了关于丝状藻在废水处理中作用的现

　　废水处理正在经历从污染物去除向资源回收的转型，这为将环境修复与循环生物经济原则相整合创造了机会。丝状藻作为多功能生物平台引起了越来越多的关注，因为它们的附着生长习性促进了生物质收获，同时支持了营养物回收与生物质价值化。本综述综合了关于丝状藻在废水处理中作用的现有知识，重点探讨了营养物与污染物去除、生物质生产，以及生物能源、生物肥料、水产饲料和基于纤维素的生物材料的产生。文章强调了丝状藻如何通过改善的生物质保留、更简便的收获方式以及与藻类草皮洗涤器和生物膜反应器等附着生长系统的兼容性，区别于传统的悬浮微藻。该综述还检验了丝状藻与相关微生物群落之间的生态相互作用，这些相互作用构成了营养物循环与处理性能的基础。除了废水处理，本文还批判性评估了与下游生物质价值化相关的机会与挑战，包括在集成生物炼制框架内的生物燃料生产与高价值产品回收。此外，该综述讨论了大规模实施的主要障碍，包括有限的现场规模验证、生物质质量的变异性、污染物安全性、下游处理需求、监管不确定性，以及对全面技术经济与环境评估的需求。最后，它强调了涉及系统生物学、先进过程监测、人工智能辅助过程控制与集成生物炼制概念的新兴研究方向，这些方向可能支持未来的发展。通过整合生物学、工程学与可持续性视角，本综述提供了一个综合框架，以理解丝状藻在支持弹性废水处理系统与加速向循环资源管理转型方面的潜力。

　　全球城市化、工业化和气候变化对传统废水处理系统暴露出根本性的限制，这些系统在历史上旨在去除污染物而不是回收资源。传统活性污泥系统在降低有机负荷和营养物方面非常有效，但它们是能源密集型的，并且由于消耗了有价值的碳、氮和磷而不是将其重新纳入生产循环，因而在本质上是线性的。将废水处理从成本中心重新组织为资源生成平台，对于实现可持续发展日益重要。向循环经济方法的转变将使废水处理厂不仅能够改善环境效果，还能通过资源回收创造经济机会。基于藻类的废水处理因能够将污染物去除与生物质生成、CO2封存和下游价值化相结合而重新受到关注。丝状藻已证明能有效去除营养物、有机物、重金属和部分新兴污染物，同时其光合产氧可以支持好氧微生物过程，并减少藻类-细菌处理系统对外部曝气的需求。这种改善水质和降低处理系统能耗的双重功能与循环经济原则密切一致。

　　尽管对单细胞微藻系统进行了数十年的研究，但一些持续的瓶颈仍然阻碍了大规模应用，例如高昂的培养成本、低效的收获方法以及对微藻培养系统中微生物相互作用的理解有限。这促使人们对刚毛藻、水绵和鞘藻等丝状藻的工程化产生兴趣。丝状藻具有宏观的线状形态，可以通过筛选或过滤等简单物理方法直接收获。这一特性直接解决了藻类生物技术中最关键的成本障碍之一，因为收获可能占总运营支出的很大一部分。此外，丝状藻表现出更强的抗捕食能力、改善的沉降性以及形成稳定垫或生物膜的能力，可用于工艺强化和反应器简化。丝状藻分类群可以实现超过90%的营养物去除效率，同时保持高生物质生产力。此外，它们将水力停留时间(HRT)与固体停留时间(SRT)解耦的能力在反应器设计中提供了新的自由度，与传统微藻系统相比，能够实现更高的吞吐量和改进的过程控制。丝状藻在多级处理平台上的兼容性也使其能够补充厌氧消化或细菌颗粒化等其他生物过程。

　　丝状藻在形态和系统发育上具有多样性，代表了多细胞或丝状光合生物，其近亲包括单细胞和多细胞分类群。这些生物跨越多个进化谱系，包括绿藻门、蓝藻门和黄藻纲等异鞭毛类群。许多研究侧重于绿藻丝状类群，因为它们具有生态重要性、对多变的营养状态的适应性以及易于收获的特点。对氮(N)和磷(P)去除的狭窄关注往往掩盖了支撑这些生物生态学成功和技术潜力的更广泛的分类学-功能关系。对于大规模系统（如丝状藻营养洗涤器(FANS)）中目标物种的实际选择，远超简单的N和P吸收速率，涉及竞争优势、季节性恢复力和生物质质量之间复杂的相互作用。物种的功能作用、维持稳定单培养的能力及其抗入侵性是决定其技术可行性的关键。

　　丝状藻的丝状形态在多个藻类分支中独立进化，使其在营养盐丰富和水动力多变的环境中具有多样的代谢能力和生态优势。不同属的细胞壁通常由纤维素、半纤维素和果胶多糖组成，在剪切应力下提供结构刚性的同时允许灵活性；而丝状蓝藻具有基于肽聚糖的细胞壁。种间变异也影响了丝状藻在常规营养物去除之外的代谢能力，如光合碳浓缩机制(CCMs)、碳分配和储存代谢的差异。这些差异直接影响碳捕获速率、胞外聚合物(EPS)等代谢副产物以及有机碳转化途径。某些分类群通过EPS释放大量溶解性有机碳，刺激异养微生物群落，而其他分类群则优先将固定碳以淀粉、脂质或结构碳水化合物形式储存。此外，由于具有异形胞的丝状蓝藻能够提供固氮酶活性所需的微氧环境，氮和硫的同化途径也存在差异。EPS基质在化学上很复杂，含有能够结合金属和有机化合物的多糖、蛋白质和官能团，从而扩展了丝状系统的功能范围，包括结合抗生素或内分泌干扰物等新兴污染物(ECs)。

　　种间差异在塑造丝状藻去除镉、铅、铬和砷等重金属的能力方面也起着关键作用。厚且多层、富含多糖和羧基、氨基及羟基等官能团的细胞壁通过离子交换和络合作用促进生物吸附。不同分类群的金属耐受阈值、再生潜力和收获后金属回收选项不同，这对于选择合适的藻株进行针对性生物修复至关重要。丝状藻在光合作用过程中原位产氧，可减少对机械曝气的需求，同时在生物膜和藻垫内产生陡峭的氧气和氧化还原梯度。这些梯度支持硝化、反硝化甚至深层的产甲烷等厌氧途径，从而在单一反应器配置内实现多过程同时处理。

　　对可持续、低能耗废水处理系统的需求推动了丝状藻在传统池塘修复之外的新型应用，包括连续流藻类草皮洗涤器(ATS)、重金属和新兴污染物去除、藻-菌-真菌生物膜系统，以及在寒冷气候或高氨条件下的处理。

　　ATS是一种附着生长技术，通过在倾斜表面上流过浅层连续废水，使附着的藻类群落形成密集的草皮。丝状藻在ATS应用中的适用性归因于其坚固的附着能力、快速生长、高效的营物同化和易于生物质回收。ATS利用附着生长克服了生物质分离和反应器不稳定的限制。丝状形态特别适用于ATS环境，因为它们细长的多细胞结构促进了坚固的表面附着和抗水力剪切能力，减少了生物质流失。这种密集的垫层还增加了营养物和有机物在生物膜基质中的停留时间。ATS系统在优化的条件下，7天内氮和磷的去除效率可超过90–99%。连续流配置可通过生物吸收、吸附、光降解和微生物相互作用的组合，同时去除悬浮固体、有机碳、病原体和微量污染物。反应器参数的优化可创造促进丝状藻优势的条件并最大化生物质生产。与悬浮藻类培养相比，ATS系统的主要优势在于生物质收获简单，可通过机械收获降低收集的能源和成本。

　　随着废水处理向循环和多目标框架演变，对超越常规营养物污染的污染物的关注日益增加。丝状藻可通过生物吸附、生物积累、沉淀和络合机制去除重金属。生物吸附通常被认为是主导和最快的机制，细胞壁上的官能团与溶解的金属离子发生静电或化学相互作用。丝状结构的高比表面积增加了结合位点的可用性，而分泌的EPS进一步提高了吸附能力。除了细胞壁结合外，金属还可以通过代谢转运过程在细胞内积累，被区隔化到液泡中或转化为毒性较小的形式。收获富含金属的生物质可用于金属回收或安全固定化。

　　丝状藻通过生物吸附、生物降解、光转化和与相关微生物群落的共代谢相互作用去除ECs。对于疏水性化合物，吸附在细胞壁和EPS基质上尤为重要。光合作用产生的氧化酶和活性氧有助于染料、酚类和内分泌干扰物的降解。此外，开放系统中的阳光照射促进了某些化合物的光降解。抗生素和抗生素抗性基因(ARGs)的去除可通过胞外DNA吸附、氧化应激诱导降解等途径实现。丝状藻还在合成染料和微塑料的修复中显示出潜力，可通过物理缠绕和生物膜形成捕获微塑料颗粒。

　　包含丝状藻的移动床系统利用附着在悬浮载体上的生物膜，通过藻类、细菌和真菌之间的互补相互作用改善营养物转化、污染物降解和过程稳定性。丝状藻在这些群落中发挥着骨架作用，其细长的结构促进了载体表面的快速定殖，并为细菌和真菌菌丝的附着创造了三维基质。真菌具有广泛的胞外酶系统，能够降解染料、酚类和木质纤维素等顽固有机污染物。细菌呼吸产生CO2为藻类生长提供燃料，真菌将复杂有机物矿化为简单的化合物。这种相互依赖的代谢网络支持了同时处理碳、氮、磷和复合污染物的动态微环境。水动力运动通过选择强力附着的生物体和促进生物膜更新，在塑造群落结构方面发挥着关键作用。

　　寒冷气候条件对废水处理构成了实质性挑战，因为低温和短日照抑制了微生物代谢和藻类光合活性。然而，耐冷的丝状藻在接近冰点的温度下仍能维持光合活性。其密集的形态在生物膜内创造了缓冲热冲击的微环境。附着生长系统可防止生长减缓期间生物质的冲刷。高氨条件因毒性、pH失衡和游离氨积累而抑制许多微生物。丝状藻能够直接同化氨作为首选氮源，将其转化为可收获的生物质。与硝化细菌不同，藻类通过同化代谢将氨直接转化为氨基酸和蛋白质，与资源回收目标一致。水力停留时间和氮负荷率是控制基于丝状藻的废水处理系统性能的关键操作参数。

　　从用于废水处理的丝状微藻中回收资源是一种可持续方法，可同时解决环境污染、可再生材料生产和循环生物经济目标的问题。丝状藻生物质天然富含碳水化合物、蛋白质和脂质等有价值的生化成分，其宏观形态便于通过简单筛选或过滤进行收获。同时，由于丝状藻会积累重金属和其他污染物，因此应根据废水的质量和预期用途评估生物质是否可用于下游应用。

　　为废水生长的丝状藻最有前景的价值化途径之一是提取和利用纤维素生产基于纤维素的生物塑料、生物复合材料和特种纸张。特别是刚毛藻的纤维素表现出极高的结晶度、高拉伸强度和高度有序的微原纤维结构，且不含木质素，这避免了陆地生物质所需的广泛脱木质素过程。因此，可以使用相对温和的化学处理从丝状藻中提取纤维素。藻类纤维素已被成功掺入聚乳酸(PLA)、淀粉基聚合物和聚羟基脂肪酸酯(PHAs)等生物降解聚合物基质中，增强了农业数字化拉伸强度、热稳定性和阻隔性能。这使其成为包装材料、薄膜和特种纸张的极具吸引力的原料，通过工业共生概念实现了废水处理的闭环经济。

　　水产养殖对传统饲料资源的压力促使人们寻找替代和可持续的蛋白质来源。丝状微藻在废水系统中培养，可实现废水修复与富含蛋白质的生物质生成。丝状藻含有相对较高的蛋白质含量、必需氨基酸谱，并含有脂质、碳水化合物、色素和具有抗菌或免疫刺激作用的生物活性多糖。虽然富含蛋白质，但其富含纤维素的细胞壁限制了细胞内蛋白质对消化酶的可及性，需通过机械破碎、酶水解或发酵提高蛋白质可用性。主要的安全问题包括通过生物积累作用在藻类生物质中富集重金属，这要求严格监控生物质质量并遵守饲料安全法规。

　　丝状藻将废水中的氮、磷和其他污染物转化为富含有机碳、矿物质和生物活性物质的生物质，是连接废水修复与可持续农业的重要生物中介。与快速释放并容易流失的可溶性合成肥料不同，藻类生物质在土壤中缓慢分解，实现了营养物的控制释放。这种缓释特性减少了通过浸出、挥发和径流造成的营养流失。富含纤维素的丝状结构通过充当物理粘合剂促进土壤团聚并改善持水能力。此外，藻类还为土壤微生物群提供可生物降解的碳源，刺激固氮菌和解磷微生物的生长，增强营养物循环。它还含有可促进植物生长和抗逆性的植物激素和抗氧化剂，可作为生物刺激素应用。

　　暗发酵是在没有光照的情况下，通过厌氧微生物转化将有机底物转化为氢气、挥发性脂肪酸和其他中间代谢物的过程。由于丝状藻积累大量纤维素和储存多糖，这些碳水化合物为产氢细菌提供了发酵底物。且藻类生物质中木质素的缺乏显著降低了顽固性，从而降低了预处理 severity。碳素养生物质在暗发酵中通常产生更高的氢气产量。为了破坏细胞壁结构并提高水解效率，暗发酵前通常需要进行热、酸、碱或酶预处理。除能源回收外，暗发酵还有助于温室气体减排，因为生物产生的氢气是一种低碳能源载体，可与废水处理和碳封存相结合，实现部分碳中和处理途径。

　　尽管证据不断增加，但一些挑战限制了丝状藻的大规模应用。最显著的限制之一是在受控条件下使用合成废水进行的实验室规模研究占据主导地位。未来研究应优先考虑使用真实废水在季节和气候变异性下进行长期中试和示范规模研究。数字孪生技术可通过集成过程模型与实时数据支持这一转变。不充分的分类学表征也是一个限制，应结合多组学方法识别与特定资源回收途径相关的功能特征。维持稳定的长期性能是一项操作挑战，未来研究应结合人工智能和机器学习用于预测过程控制。下游处理的经济障碍要求优先考虑标准化污染物监测和安全的预处理技术，并制定基于科学的监管框架。此外，未来的研究应从过程开发的早期阶段就集成技术经济分析(TEA)和生命周期评估(LCA)。这些挑战相互关联，应采用综合系统方法加以解决。

　　丝状藻日益被认为是一种多功能生物资源，能够将废水处理从去污染物过程转变为资源回收平台。文献证明，这些生物能够同时支持营养物和污染物去除，并产生可转化为生物能源、生物肥料和生物材料的生物质。这种多功能性突显了其在将环境修复与可持续生产系统相结合方面的巨大潜力。将丝状藻定位在废水管理、生物技术和可持续资源利用的交汇处，将有助于未来的低碳、资源高效和气候适应型废水处理系统的发展。