水污染物的种类繁多，其中含氮排放物，特别是含硝酸根离子的废水，给人类健康、生态环境都带来了严重的威胁。自然表层水体中，硝酸根的含量一般低于1μmol/L，但在受到污染的情况下，这一数值会发生几个数量级的升高。在世界各地，自然水体硝酸根浓度过高导致饮用水中硝酸盐超标的情况时有发生。摄入体内的硝酸盐会在胃中转化为具有致癌性的亚硝胺，硝酸根也可以将血液中的血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，降低了红细胞的携氧能力。而环境水体中氮含量过高导致的富营养化、水体老化等现象也带来了严重的生态灾难，而且水环境的恢复更是极为困难与漫长。因此，含硝酸废水的处理一直是水处理领域的热点，也是难点和重点。微藻作为一种生物体，在生长的过程中需要吸收含氮物质作为营养。某些藻类具有从外界环境中吸收并固定硝酸根的能力。使用微藻对水体中的硝酸或硝酸盐进行处理，可以作为一种在对硝酸根进行脱除的同时将其转化为高价值微藻生物质的手段。因此，研究如何使用微藻转化工业排放硝酸并开发相应技术，具有十分重要的理论和实践意义。
1、含硝酸废水的现有处理方法
目前对含硝酸废水进行脱硝处理的方法主要有生物反硝化法、化学还原法与中和法等几种。应用为广泛的方法是生物反硝化法，这种方法利用反硝化细菌的反硝化作用，将硝态氮还原为氮气，释放到大气中。但由于反硝化细菌生长速度慢、反硝化效率低、对pH耐受范围窄等因素的限制，这种方法无法处理高浓度的含硝酸废水，需要用大量的水进行稀释，占地面积大，导致废水处理成本高。另外，生物反硝化法还存在不完全反硝化释放N2O污染以及活性污泥减量与处置的问题。化学还原法利用硝酸根离子的氧化性，使用化学还原剂或电化学手段将硝态氮还原为氮气或氨。这种方法需要投加大量药剂，可能会带来新的污染，还原产生的氨态氮也是严重的污染物，需要进行进一步处理，容易产生二次污染。中和法使用碱性物质对废水中的硝酸进行中和，再进行蒸发浓缩或稀释后排放。这种方法将硝酸转化为硝酸盐，实际只是解决了废水pH偏低的问题，并没有真正对含氮污染物进行清除。其他成熟的水处理方法，包括反渗透、离子交换、电渗析等，与中和法相似，都只是对污染物进行转移，未能实现从根本上清除硝态氮。可以看出，目前的技术还存在成本高、带来二次污染和氮元素资源化利用程度低等问题，缺少能够高效率处理含较高浓度硝酸废水的理想技术。
2、微藻处理含硝酸根废水的理论基础
2.1 微藻
微藻是一类个体微小、种类繁多、能进行光合作用的浮游植物。微藻可分为两类，一类是原核微藻，以蓝藻为主，又称为蓝细菌，包括螺旋藻、颤藻、念珠藻等种类。原核微藻细胞内含有光合色素，但不形成叶绿体，细胞结构与革兰氏阴性细菌相近。另一类微藻是真核微藻，属于真核生物，包括绿藻、硅藻、轮藻等诸多种类。真核微藻以单细胞或简单细胞组合的形式存在，没有明显的组织分化。微藻普遍存在于地球上的水环境中，从咸水到淡水，甚至潮湿的陆地表面，各种生态环境均发现有不同类别的藻类生长。与高等植物相比，微藻具有生长快、环境适应性强、能够以多种方式进行培养、单位质量的生物质含氮量高的特点。而与其他非光合微生物相比，微藻又具有能够利用光能进行光合作用的特点，能够降低培养过程的能耗。因此微藻是一种具有工业化应用前景的生物。
2.2 微藻的氮同化
生物体在生长过程中需要含有各种元素的营养物质，其中大量元素包括C、H、O、N、P、S等。微藻也不例外，生长过程中需要从培养环境中吸收营养物质。在自养条件下，微藻以溶于水中的CO2(包括HCO3-、CO32-等形式)作为碳源。在异养条件下，微藻以含碳有机物作为碳源，例如葡萄糖、乙酸、甘油等。在兼养条件下，上述两种方式同时发生。而在氮源方面，微藻可以利用的氮源包括无机氮源(硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐)和有机氮源(尿素、氨基酸等)。据估计，海洋中藻类生长所需的氮元素大约有20%来自水环境中的硝酸根。某些微藻可以以硝酸根作为唯一氮源生长，吸收培养环境中的硝酸根。因此，可以利用微藻对工业外排水中的硝酸根离子进行脱除。
微藻对不同含氮物质的摄取具有差异。由于NH4+本身处于还原态，能够通过转氨基作用直接形成氨基酸并同化成为微藻生物质，从能量角度上看更为划算，因此NH4+以及含有氨基的物质(例如氨基酸)通常是微藻所偏好的氮源。而对于硝态氮来说，微藻的同化能力则取决于具体的藻种。例如聚球藻(Synechococcusspp.)可以在NO3-或NO2-为唯一氮源的条件下生长，而绝大多数原绿球藻(Prochlorococcusspp.)则无法利用这两种氮源物质。从整体上看，铵态氮的存在对细胞同化硝酸根的过程具有抑制作用，反映了细胞对铵态氮的偏好性。尽管NH4+可以作为微藻生长的氮源，但过高浓度的NH4+具有细胞毒性，大多数微藻对NH4+的耐受阈值小于50mmol/L；而微藻细胞对高浓度硝酸根通常具有较好的耐受性，某些藻种可以在高达160mmol/L的NO3-浓度下正常生长。这一点表明，与处理氨氮废水相比，使用微藻处理较高浓度的含硝酸废水可能具有更好的可实现性。
2.3 微藻的硝酸同化
生物体对硝酸根的吸收、同化与利用是一个多步骤的过程。对于真核微藻，硝酸根离子通过细胞膜上的跨膜载体蛋白运输进细胞中，在硝酸还原酶的作用下还原为亚硝酸根并通过载体运输进入叶绿体，随后在亚硝酸还原酶的作用下逐步还原为铵根。铵根离子进入细胞基本代谢的氮代谢通路，通过转氨基作用形成氨基酸，终用于合成蛋白质。两次跨膜运输和多次还原组成了微藻对硝态氮进行同化的过程。
2.3.1 硝酸根/亚硝酸根的跨膜运输
硝酸根从细胞外跨膜运输进入细胞内是微藻同化硝酸根的步，而还原得到的亚硝酸根也需要跨膜运输至叶绿体中进行进一步的还原。硝酸根/亚硝酸根的跨膜运输过程受到了严密的调控，有许多不同类型的蛋白质参与其中，包括NRT1(nitratetransporter1，硝酸载体1)、NRT2与NAR1(nitrateassimilation-relatedcomponent1，硝酸同化相关组分1)。许多硝酸根跨膜运输载体表现出双功能性，对硝酸根和亚硝酸根都具有运输作用，在氮代谢的不同阶段发挥功能。部分NRT1载体具有可变的的硝酸根/亚硝酸根亲和性，受到环境硝酸根/亚硝酸根浓度的影响，且在不同类微藻中的分布具有较大差异。而NRT2则作为高亲和性的硝酸根/亚硝酸根载体，普遍存在于各类微藻中。NAR1载体对亚硝酸根的亲和性高于硝酸根，主要作为亚硝酸根的跨膜运输载体。
2.3.2 硝酸根的还原
硝酸还原酶使用还原型辅酶将进入细胞的硝酸根还原为亚硝酸根。真核微藻的硝酸还原酶通常由单基因编码，是一个多亚基的蛋白复合体。硝酸还原酶分子中含有FAD(flavinadeninedinucleotide，黄素腺嘌呤二核苷酸)、血红素以及钼原子作为发挥还原活性所需要的辅因子。硝酸还原酶除了将硝酸根还原为亚硝酸根外，还会将很少一部分亚硝酸根继续还原至一氧化氮(NO)。NO在细胞内是一种非常重要的信号分子，参与了多种生理活动的调节。例如，由于NO来自亚硝酸根，亚硝酸根水平的升高会导致NO浓度上升，硝酸跨膜载体以及硝酸还原酶的活性均受到NO介导的磷酸化的抑制，从而减少对细胞具有毒性的亚硝酸根的积累，形成硝酸还原代谢过程的转录后负调控。
2.3.3 亚硝酸的还原
亚硝酸还原酶催化的亚硝酸根还原为铵根的反应发生在叶绿体基质中，电子供体是光合电子传递产生的还原型铁氧还蛋白(光照条件下)或戊糖磷酸途径产生的NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)(黑暗条件下)。亚硝酸还原酶的活性位点具有[4Fe-4S]的铁硫中心结构。
由于NO3-的运输与同化都需要相应蛋白质发挥功能，而蛋白质的合成需要能量，因此细胞内的能量供应就尤为重要。对于能够进行光合自养的微藻来说，NO3-的利用依赖于光合作用提供能量，因此改善微藻细胞受光状况以及提升光能利用效率就能够有效提高微藻对NO3-的利用能力。而对于在兼养或异养条件下生长的微藻来说，以有机物，特别是以葡萄糖为底物的有氧呼吸提供的大量ATP就为NO3-的高效率吸收利用提供了能量基础。事实上，生物圈中有大约70%的氮同化是由水体中的浮游植物进行的。因此，利用微藻的特性对水环境中的硝酸进行脱除，具有科学上的合理性。
3、微藻转化工业排放硝酸的技术路线
由于微藻的氮同化是在藻细胞生长的过程中发生的，因此使用微藻处理排放硝酸从另一个角度来看，就是用工业排放硝酸作为微藻培养的营养物。由于微藻具有不同的生长方式与养殖模式，与之相应的也就有不同的硝酸处理技术路线。
