水热生物质处理，尤其是水热碳化（HTC）、水热液化（HTL）和水热气化（HTG），会产生富含溶解性有机碳、氮、磷及无机离子的水相。尽管该水相常因其高化学需氧量以及存在抑制性有机物而被视为问题性废液，但其同时也是一种适于生物强化利用的高浓度营养物流。因而，在水热水相中进行微藻培养已成为一种前景良好的策略，可在集成式循环生物炼制体系中实现废水修复与生物质生产的耦合。本综述综合了当前关于原料组成及水热过程严酷度如何调控水相化学组成的认识，尤其关注短链有机酸、铵态氮及含氮有机物、酚类以及呋喃类中间体的生成与归趋。文中对水热水相中的微藻培养研究进行了批判性评估，重点分析了藻株特异性耐受、稀释策略、营养盐与有机碳去除性能，以及与混合营养生长（mixotrophic growth）相关的生化响应。综合现有文献可见，成功培养最常发生于中等水相负荷条件下；在该条件下，抑制性化合物被充分削弱，同时营养供给仍足以维持与标准培养基相当的生长。在此情形中，体系通常可实现氮和磷的高效去除，并显著降低有机负荷，同时产出生物量，适于后续高值化利用。规模化扩展的主要障碍包括水相组成的波动性、酚类、呋喃类及含氮杂环化合物造成的残余毒性，以及限光、高离子强度培养基中的运行约束。新兴解决方案主要聚焦于过程优化与反应器设计策略，以实现解毒与生物量生产的高效耦合。总体而言，本综述建立了水热操作条件、水相化学特征与微藻生理之间的联系，为面向营养回收、出水深度净化及可持续生物质生产的水热—微藻集成平台提供了设计指导。
Introduction
本文首先从热化学转化技术的整体背景切入，指出其是现代生物质高值化与可持续能源生产的重要支柱。其中，水热过程因能够直接处理高含水生物质、避免高能耗干燥步骤而具有突出优势。在亚临界或超临界水条件下，水兼具溶剂、反应物与催化介质功能，其介电常数下降和离子积升高可促进水解、解聚与缩合反应，从而将废弃生物质转化为燃料、化学品和富碳固体。文章强调，这一体系能够把废弃物处理、营养回收和可再生燃料合成整合到同一生物炼制框架中。
随后，文章说明水热处理过程中不可避免地产生一股富含水溶性有机物和无机离子的水相。该液相中通常含有短链有机酸、醇类、酚类、呋喃类、氨、磷酸盐和痕量金属，其组成受原料类型与工艺严酷度显著控制：富蛋白、富氮原料往往形成偏碱性、含氮化合物丰富的水相，而木质纤维素类原料则更易形成酸性、含氧有机物占优的液相。正因如此，该副产液相既可能是有价值的营养源，也可能成为需要治理的污染负荷。
文章进一步引出微藻作为第三代生物质原料的优势，包括生长速率快、光合效率高、CO
2固定能力强，可在非耕地和非饮用水条件下培养，并可与废水处理和资源回收结合。相较于第一代和第二代生物质，微藻避免了“粮食—燃料”竞争，并在生物燃料、废水修复、CO
2封存及高值产品合成方面具有多功能性。基于此，作者指出，将水热水相直接作为微藻培养基来源，是连接热化学转化与生物转化的重要路径，可同步实现溶解性有机物、氮和磷的削减，以及富含脂质、蛋白质和碳水化合物的藻生物质生产。综述的总体目标则是系统评估不同水热技术产生的水相组成及其波动性，分析这些特性对微藻培养和循环生物炼制集成的影响。
Hydrothermal process of biomass
在该部分中，文章系统梳理了水热过程的热力学基础与技术分类。亚临界水是指在 100–373 °C 加压液态范围内的水，而超临界水则位于临界点以上，即 T
c = 373 °C、P
c = 22.1 MPa。温度与压力会共同调节水的介电常数、黏度和离子积，从而深刻影响反应路径。依据运行条件与目标产物，水热技术通常分为水热碳化（HTC，180–250 °C）、水热液化（HTL，250–370 °C）和水热气化（HTG，>400 °C）。这些路径均涉及水解、解聚、脱水、脱羧、缩合、芳构化与加氢等反应，最终形成固相（水热炭）、液相（生物油与水相）以及气相（CO
2、CH
4、H
2）。
文章强调，水热技术不仅是湿生物质转化手段，也是资源回收平台。其能够处理农业残余物、厨余垃圾、污泥以及微藻等多样原料，并在不预干燥的前提下实现碳、氮、磷等元素在不同相中的再分配。作者由此为后文铺垫：在传统研究更关注固相和油相产物的背景下，水相正逐渐从“副产废液”转变为具有再利用潜力的关键过程流。
Aqueous phases of hydrothermal treatment of biomass
本节概括了水热处理水相的来源、复杂性及其资源化方向。作者指出，水相组成高度依赖原料种类、反应温度、停留时间和目标工艺，因此表现出显著异质性。该相中不仅残留大量未完全转化的有机物，还富集了热化学过程中从生物质骨架中释放和重分布的杂原子元素，因此既是资源回收对象，也是环境管理难点。
文章列举了水相中常见的水溶性产物类型，包括甲酸、乙酸、乳酸等短链有机酸，糠醛、5-羟甲基糠醛等呋喃类化合物，酚类、醛酮类、含氮有机物以及低分子芳香族化合物；同时还包含 NH
4+、磷酸盐、K、Ca、Na 等无机营养元素。围绕这些组成特征，文中归纳了三类主要利用策略：一是将水相回流至水热过程以促进二次反应并提高转化效率；二是用于微藻培养，实现营养回收与生物量生产；三是通过吸附、催化氧化或营养盐沉淀进行化学升级。作者特别指出，不同工艺路线会显著重塑水相特征：HTC 水相通常酸性较强且富含短链有机酸；HTL 水相则常富集铵态氮与含氮杂环，pH 倾向中性至碱性；HTG 水相有机物含量较低，但无机营养元素仍有保留。由此可见，所选择的水热工艺将直接决定水相是否适合作为微藻培养介质。
Chemical composition of aqueous phase
这一部分对水相化学组成进行了更细致的归纳。文章指出，短链有机酸通常是最主要的有机组分，尤其是乙酸、甲酸、乳酸和丙酸，在多数研究中占已鉴定有机物的较大比例，常由糖类裂解、氨基酸脱氨和中间体转化产生。随着温度和停留时间增加，其浓度可明显升高。除此之外，二羧酸如丙二酸、琥珀酸、甲基琥珀酸和戊二酸也可能形成。
含氮化合物是另一类关键组分。较低温度下以氨为主，而较高温度则促进糖—氨基酸反应，生成吲哚、吡咯、吡嗪和氨基酚等含氮杂环。此类组分与原料蛋白含量密切相关，因此污泥和藻类来源水相中常出现较高 NH
4+-N。文中还指出，在碱性条件下，含氮杂环更稳定，而氨基酸中的硫则主要被氧化为 SO
42−。
对于含氧有机物，文章总结其主要来源于糖类裂解和木质素解聚，包括醇类、醛类、酮类、酚类及环状含氧化合物。糠醛和 5-HMF 是纤维素和半纤维素降解的重要中间体，也可能进一步聚合为水热炭前驱体。少量烃类亦可检测到，如脂质脱羧产生的长链烷烃与烯烃，以及由小分子含氧物缩合和芳构化形成的苯系物和多环芳烃。作者同时讨论了水相回流效应：对木质纤维素或低蛋白原料，回流可增强酸积累和碳转化；但对富蛋白原料，氨和含氮杂环累积可能抑制炭生成或改变表面官能团。总体上，水相组成由原料、温度、pH、水热路线及二次反应共同控制。
Physical properties of aqueous phase
本节从物理层面分析水相特性。文章指出，颜色、浊度、黏度、密度以及电导率（EC）不仅反映溶解与悬浮组分的状态，也直接影响其后续分离和微藻培养适用性。水相颜色可由浅黄至深褐变化。木质纤维素和富糖原料更易因腐殖样物质、聚合酚类和美拉德反应产物而形成深色液相；藻类或污泥原料则可能呈绿色或橄榄色，与叶绿素衍生物和含氮色素相关。HTC 体系中这类深色现象更为常见。
浊度主要受灰分、细胞壁碎片和微细颗粒影响。硅藻类原料可因二氧化硅壳结构而生成更浑浊液体，而较高工艺严酷度会通过强化水解与缩合释放细颗粒炭和胶体碳，进一步升高浊度。相比之下，HTG 水相往往因有机物转化更完全而浊度较低。黏度与密度则受溶解性有机物浓度和分子量分布影响：在亚临界条件下，有机酸和聚合中间体可使黏度略高于纯水，而更高温度下因解聚更彻底，液相黏度反而下降。EC 通常位于 3–35 mS cm
−1，富含矿物质的污泥或粪污原料、以及回流水体系，往往表现出更高导电性。
作者强调，这些物理性质并非仅是表征指标，而是直接影响后续利用的限制因素。例如，高浊度和深色会削弱光穿透，限制微藻光合作用；较高盐度和异常 pH 则会影响营养盐生物可利用性及细胞耐受。因此，理解物理性质与工艺之间的关系，是设计预处理、分离和培养流程的基础。
Microalgae cultivation in hydrothermal aqueous phases
这是全文的核心部分。作者指出，水热水相作为微藻培养介质不同于传统合成培养基或市政废水，其培养表现由溶解性有机碳、还原态氮、高离子强度及残余抑制物的综合作用所决定。特别是 HTL 来源水相，由于含有更多酚类、含氮杂环和还原性有机物，通常比 HTC 水相具有更强抑制性，因此更依赖稀释、营养平衡和预调理。
Growth behaviour and cultivation performance in hydrothermal aqueous phase
该小节总结了生长行为与运行窗口。文献普遍采用实验室尺度悬浮批式或半批式培养体系，并以稀释后的水热水相作为部分或唯一营养源。作者认为，影响培养性能的三个关键运行参数分别是稀释比、有机负荷和氮形态。对于相同原料，HTL 水相通常需要比 HTC 水相更高程度的稀释，原因在于前者富含更难降解且抑制性更强的含氮杂环和疏水性有机物。大量原始水相的化学需氧量（COD）可超过 100,000 mg L
−1，因此必须预先大幅稀释。综合现有研究，稳定培养通常出现在约 5–15%（v/v）以下的水相比例，而当比例升至 >20–30% 时，毒性、离子强度和光受限效应常导致生长抑制。
中等有机负荷可支持混合营养生长（mixotrophic growth）或异养-混合营养状态，尤其是当水相中含有易同化的乙酸和甲酸时，常有助于提高生物量生产；但有机负荷过高会引发耗氧、呼吸占优、滞后期延长和生长受阻。与此同时，深色液相还会压缩有效光照区，进一步限制光合效率。氮形态方面，铵态氮虽是易同化氮源，但浓度必须受控；低于约 100 mg L
−1 NH
4+-N 时通常更利于生长，而在碱性条件下若自由氨升高，则可能抑制光系统 II（PSII），降低光合活性和生物量积累。作者还提到，长期连续运行研究仍较少，主要担忧在于抑制物慢性暴露及难降解有机物积累，因此适应性驯化与真菌—微藻共培养被视为提升稳定性的潜在路径。
Biochemical and physiological characteristics of microalgae cultivated in hydrothermal aqueous phase
该小节讨论微藻在水热水相中的生化与生理响应。文章指出，在优化稀释条件下，部分研究观察到脂质含量提升，通常与较高碳氮比（C/N）及部分氮限制有关，而不宜简单归因于抑制物本身。相反，在某些 HTL 水相中，尽管可形成一定生物量，但脂质积累动力学被延缓，总体能量含量下降，表明毒性确可干扰代谢调控。另一些研究则显示，在低负荷 HTC 水相中，尽管生长速率下降，脂质、碳水化合物和蛋白质比例与标准培养基差异并不显著，这说明水相对生化组成的影响具有明显条件依赖性。
文章还指出，某些条件下脂肪酸组成会向更高比例的饱和与单不饱和链偏移，从而有利于生物柴油品质。色素方面，中等有机负荷有时与叶绿素和类胡萝卜素增加相关，但这种变化同样可能受营养状态与光利用效率影响。蛋白质含量在适度稀释下常较稳定，说明氮同化并不必然受损。总体上，作者强调必须区分“毒性诱导的应激反应”与“营养驱动的代谢重分配”，否则容易误判水热水相对微藻生化特性的作用机制。
Transformation of hydrothermal aqueous phase after cultivation
本小节聚焦培养后水相的转化。研究表明，微藻培养通常能显著改善出水质量，COD 与总氮（TN）去除率常在 60–95%，总磷（TP）去除率常超过 90%。氮去除主要依赖于 NH
4+ 和 NO
3− 被同化进入细胞生物量，磷则进入细胞内储存库或与胞外聚合物相关联。适度 CO
2补给、合适接种密度以及约一周培养期，往往有利于获得较高去除效果。同时，部分芳香族与呋喃类化合物可被部分氧化或固定，从而降低整体毒性，培养过程中的 pH 也常趋于中性。
但作者明确指出，营养盐去除并不等于完全解毒。培养后水相中仍可能残留酚类、酰胺、胺类、含氮杂环及某些重金属，因此后续回用或排放往往仍需辅助调理措施，如过量石灰法、吹脱、吸附、部分氧化或溶剂萃取等。若与厌氧消化联用，还可进一步回收甲烷，但残余抑制物可能限制消化性能。由此，文中将微藻培养界定为集成水热生物炼制中的“中间抛光步骤”，其价值在于高效营养回收与部分有机物转化，而非一次性彻底净化。
Challenges and future perspective
最后，文章总结了规模化应用面临的挑战与未来方向。首要问题是水相组成的高度波动性，这种波动源自原料异质性和水热操作严酷度差异，导致培养条件难以标准化，也使过程预测更加困难。因此，建立从水热参数到水相化学、再到生物响应的关联框架，是后续研究的重要基础。
藻株筛选与耐受性提升同样关键。尽管稀释和预处理可缓解毒性，但长期稳定运行仍依赖于对酚类、含氮有机物和高离子强度具有更强耐受性的微藻。适应性实验室进化和细菌/真菌共培养因此被认为具有应用前景。工艺设计方面，作者提出将解毒与生物量生产分离的分段式或混合式反应系统，可能更有利于提高水相利用率并维持生物量质量；同时，鸟粪石沉淀、膜浓缩等营养回收技术也可辅助降低抑制压力。
在工程和经济层面，高毒性导致的稀释需求会增加用水量和反应器体积，深色和高浊度会降低光生物反应器中的光利用效率，而收获环节仍是微藻系统的重要成本瓶颈。因此，生物絮凝、固定化培养和微生物联合体系被视为潜在降本路径。文章还补充了物理和生态约束，如大尺度体系中的混合、传质、CO
2供给不足，以及开放或半开放系统中的污染、竞争和捕食问题。最后，作者提醒应重视重金属与痕量元素在水相及藻生物量中的迁移累积，因为这将直接影响后续饲料、食品或材料化利用的安全性。展望未来，集成式、自适应的循环生物炼制平台，结合在线监测、数据驱动优化、稳健藻株构建、混合处理工艺，以及技术经济分析与生命周期评价，将是推动该领域由实验室走向工业应用的关键。
