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結(jié)合生物刺激和生物增強(qiáng)技術(shù)來促進(jìn)河流沉積物中有機(jī)物的降解并提高其抗污染能力：效果與機(jī)制

《Process Safety and Environmental Protection》：Combining bio-stimulation and bio-augmentation to drive enhanced organic matter degradation and pollution resilience in river sediments: Effects and mechanisms

【字體：大中小】 時(shí)間：2026年02月28日 來源：Process Safety and Environmental Protection 7.8

編輯推薦：

　　協(xié)同調(diào)控電子受體與鐵還原菌共生體修復(fù)有機(jī)污染河流沉積物研究

王斌|梁偉航|孫靜梅

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350，中華人民共和國

摘要

城市河流沉積物會積累由受污染的雨水和溢流排放物帶來的有機(jī)污染物，這常常引發(fā)反復(fù)出現(xiàn)的黑臭現(xiàn)象和持續(xù)的生態(tài)退化。然而，傳統(tǒng)的沉積物生物修復(fù)方法常常受到強(qiáng)還原環(huán)境、電子受體缺乏以及有機(jī)物質(zhì)生物可利用性低等限制，導(dǎo)致修復(fù)效果不穩(wěn)定。為了解決這些問題，我們提出了一種協(xié)同策略，通過添加電子受體來調(diào)節(jié)氧化還原微環(huán)境，并利用鐵還原菌群（IRB）進(jìn)行生物強(qiáng)化。我們從三條具有不同污染特征的城市河流中采集了表層沉積物，在厭氧條件下進(jìn)行了四種處理：對照組、添加電子受體（EA處理）、接種IRB處理以及先添加電子受體后接種IRB的處理（聯(lián)合處理）。聯(lián)合處理顯著加速了還原態(tài)物質(zhì)的氧化，酸揮發(fā)性硫化物（AVS）減少了89.66%–94.12%，F(xiàn)e(II)減少了超過85%，同時(shí)沉積物的氧化還原電位也顯著升高。總有機(jī)質(zhì)（TOM）的去除效率達(dá)到了17.31%–34.81%，聯(lián)合處理的效果超過了單獨(dú)使用EA處理和IRB處理的效果之和，表明存在協(xié)同效應(yīng)。在外源有機(jī)物質(zhì)沖擊負(fù)荷下，聯(lián)合系統(tǒng)抑制了AVS和Fe(II)的積累，從而減輕了黑臭現(xiàn)象。微生物分析表明，電子受體的添加緩解了強(qiáng)還原環(huán)境帶來的壓力，抑制了硫酸鹽還原相關(guān)過程，并使電子流動轉(zhuǎn)向以硝酸鹽還原和鐵還原為主導(dǎo)的途徑。IRB的接種進(jìn)一步增強(qiáng)了細(xì)胞外電子傳遞能力，這與c型細(xì)胞色素、菌毛和醌介導(dǎo)的電子傳遞相關(guān)功能特征的增多是一致的。重要的是，這種耦合方法建立了一個(gè)以Fe(III)/Fe(II)和NO??/N?為中心的強(qiáng)氧化還原緩沖框架，提高了微生物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和功能冗余性，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)在受到干擾時(shí)的抵抗力和恢復(fù)能力。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且生態(tài)恢復(fù)力的城市河流沉積物生物修復(fù)提供了機(jī)制基礎(chǔ)和可擴(kuò)展策略。

引言

作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，城市河流在調(diào)節(jié)水文過程、減輕洪水、改善水質(zhì)和提升人類居住環(huán)境方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用（Lespez等人，2025年）。然而，為了適應(yīng)快速的城市擴(kuò)張和防洪需求，大多數(shù)城市河流都經(jīng)歷了大規(guī)模的人工改造，導(dǎo)致其自然形態(tài)和水文狀況發(fā)生了深刻變化（Fletcher等人，2024年）。與自然河流相比，城市河流通常具有較低的流速、較差的連通性、不足的流體動力學(xué)和緩慢的水交換，從而導(dǎo)致其自凈能力下降（Cui等人，2024年；Liang等人，2025年）。盡管日益嚴(yán)格的水環(huán)境管理政策有效減少了點(diǎn)源污染，并基本消除了工業(yè)和生活污水的直接排放，但非點(diǎn)源污染（如地表徑流和雨水溢流）仍然將受污染的雨水引入河流（Ouyang等人，2025年；Xu等人，2019年）。因此，有機(jī)污染物在河流沉積物中積累，導(dǎo)致慢性生態(tài)退化和城市水道中黑臭現(xiàn)象的反復(fù)出現(xiàn)。

越來越多的證據(jù)表明，沉積物中的有機(jī)污染物是城市河流生態(tài)系統(tǒng)退化和黑臭現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)的主要內(nèi)部驅(qū)動因素（Liang等人，2021年；Wei等人，2023年）。過量的有機(jī)物質(zhì)對水生系統(tǒng)造成多重壓力：外部干擾（如水文波動和沉積物再懸浮）會觸發(fā)內(nèi)源性有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)鹽的釋放，其降解過程消耗大量溶解氧，并加速了從好氧到厭氧條件的轉(zhuǎn)變（Ma等人，2024年）。在逐漸還原的環(huán)境中，厭氧微生物主導(dǎo)了有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程（Ge等人，2020年）。在強(qiáng)還原條件下（Eh ≈ ?350至?300 mV），硫酸鹽還原菌利用有機(jī)底物作為電子供體將硫酸鹽還原為硫化物，而產(chǎn)酸菌則將多糖水解為低分子量有機(jī)酸（Wang等人，2014年）。這些有機(jī)酸隨后作為電子供體促進(jìn)鐵還原菌將Fe(III)還原為Fe(II)（Jing等人，2025年）。生成的硫化物容易與Fe(II)反應(yīng)形成硫化鐵（FeS），導(dǎo)致沉積物變黑并釋放氣味（Cao等人，2020年）。因此，增強(qiáng)沉積物中有機(jī)物質(zhì)的降解和穩(wěn)定是緩解黑臭現(xiàn)象和恢復(fù)城市河流系統(tǒng)自凈能力的前提。

目前用于有機(jī)污染沉積物的修復(fù)技術(shù)主要包括物理方法（如疏浚和曝氣）、化學(xué)處理（如化學(xué)鈍化）以及生物方法（如生物刺激和生物強(qiáng)化，Yang等人，2024年）。物理和化學(xué)技術(shù)可以快速減少污染物，但往往伴隨著高昂的成本、二次污染風(fēng)險(xiǎn)以及對沉積物結(jié)構(gòu)和底棲生態(tài)系統(tǒng)的不可逆干擾，從而無法從根本上恢復(fù)河流的生態(tài)功能（Valladares等人，2024年）。相比之下，利用微生物代謝潛力的生物修復(fù)策略因其環(huán)境兼容性和生態(tài)可持續(xù)性而受到越來越多的關(guān)注（Liang等人，2020年；Yin等人，2025年）。然而，有機(jī)污染沉積物中的生物修復(fù)常常受到不利微環(huán)境條件的限制，包括持續(xù)的缺氧、低氧化還原電位、電子受體供應(yīng)不足（Yang等人，2022年）以及有毒還原化合物（如硫化物）的積累。此外，沉積物中的有機(jī)物質(zhì)通常會強(qiáng)烈吸附在礦物表面或包裹在沉積物孔隙中，導(dǎo)致質(zhì)量傳遞受限，降低了微生物降解的生物可利用性（Yao等人，2023年）。這些因素共同限制了生物修復(fù)的效率。

為了克服這些限制，人們越來越關(guān)注旨在增強(qiáng)微生物驅(qū)動的有機(jī)物質(zhì)降解的生物刺激和生物強(qiáng)化策略（Bai等人，2020年）。生物刺激通常涉及添加電子受體或調(diào)節(jié)氧化還原條件以激活本地微生物的代謝（Bianco等人，2020年）。例如，釋放硝酸鹽或氧氣的化合物（如Ca(NO?)?和CaO?）已被廣泛用于提高沉積物的氧化還原電位、抑制硫化物積累并刺激本地異養(yǎng)和反硝化微生物的活性，從而緩解黑臭現(xiàn)象（Cheng等人，2023年；Zhang等人，2024年）。然而，生物刺激的效果往往受到本地微生物群落的代謝能力和功能多樣性的限制，以及外源電子受體的快速消耗。相比之下，生物強(qiáng)化則側(cè)重于引入具有特定代謝能力的外源功能性微生物，如細(xì)胞外呼吸或腐殖質(zhì)物質(zhì)還原，以直接增強(qiáng)有機(jī)物質(zhì)的礦化途徑（Xu等人，2024年）。鐵還原菌和其他具有細(xì)胞外電子傳遞能力的微生物顯示出擴(kuò)展電子傳遞網(wǎng)絡(luò)和促進(jìn)難降解有機(jī)化合物降解的強(qiáng)大潛力（Li等人，2025年）。然而，由于微生物存活、生態(tài)兼容性和在復(fù)雜沉積環(huán)境中的功能持久性等相關(guān)挑戰(zhàn)，生物強(qiáng)化的長期效果仍不確定（Li等人，2022年；Wang等人，2024b）。重要的是，生物刺激和生物強(qiáng)化都受到電子傳遞過程效率低下和本地微生物與引入微生物之間功能合作不足的限制。這些限制突顯了需要綜合修復(fù)策略，同時(shí)優(yōu)化沉積物微環(huán)境條件和加強(qiáng)關(guān)鍵微生物代謝功能。因此，將生物刺激與生物強(qiáng)化相結(jié)合是一種有前景的方法，可以克服每種策略的單獨(dú)缺陷，建立更加可持續(xù)和高效的微生物修復(fù)系統(tǒng)。

盡管人們對生物刺激和生物強(qiáng)化聯(lián)合方法的興趣日益增加，但對其長期修復(fù)效果、對污染干擾的抵抗力以及有機(jī)污染河流沉積物中潛在的微生物相互作用機(jī)制的系統(tǒng)研究仍然有限。特別是，沉積物氧化還原調(diào)節(jié)和鐵還原菌活性在增強(qiáng)有機(jī)物質(zhì)降解和生態(tài)穩(wěn)定性方面的協(xié)同作用尚未得到充分闡明。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種協(xié)同修復(fù)策略，將沉積物微環(huán)境改善與鐵還原菌增強(qiáng)的生物強(qiáng)化相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染河流沉積物的持續(xù)修復(fù)。具體來說，我們（i）通過追蹤氧化還原條件的變化和關(guān)鍵元素（C、N、S和Fe）的轉(zhuǎn)化來評估聯(lián)合修復(fù)下的沉積物有機(jī)物質(zhì)降解效率；（ii）通過外源有機(jī)物質(zhì)沖擊實(shí)驗(yàn)評估修復(fù)系統(tǒng)的抗污染能力；（iii）利用微生物群落和功能分析闡明增強(qiáng)有機(jī)物質(zhì)降解、自凈能力和生態(tài)功能冗余的微生物和功能機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)高效和可持續(xù)的城市河流沉積物生物修復(fù)策略提供了機(jī)制見解和理論支持。

部分摘要

沉積物采樣與表征

從中國天津的三條具有代表性的城市河流中采集了表層沉積物（0-20厘米），這些河流反映了高度城市化流域中常見的不同程度的有機(jī)污染和黑臭風(fēng)險(xiǎn)。采樣地點(diǎn)包括東昌蔭河（S2）、渭津河（S9）和月牙河（S16）（圖S1）。這些沉積物在有機(jī)物質(zhì)含量和硫化物積累方面存在顯著差異。具體來說，沉積物S2的特征是...

沉積物中的微生態(tài)改善

圖1a–c顯示了不同處理下AVS的時(shí)間變化。在S2地點(diǎn)，CK組和IRB處理組的AVS濃度在3000毫克/千克左右波動。在最初的45天微生態(tài)改善階段，EA處理組的AVS從3220毫克/千克下降到600毫克/千克，隨后略有回升，最終穩(wěn)定在大約1500毫克/千克。在聯(lián)合處理組中，AVS在同一時(shí)期從3375毫克/千克顯著下降到349毫克/千克，然后...

有機(jī)物質(zhì)降解的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制

本研究表明，電子受體調(diào)節(jié)與IRB生物強(qiáng)化的結(jié)合使得TOM的去除效果遠(yuǎn)超過單獨(dú)使用任一策略的效果，表現(xiàn)出顯著的協(xié)同（疊加）效應(yīng)（聯(lián)合處理 > EA處理 + IRB處理）。這種協(xié)同效應(yīng)表明，這兩種干預(yù)措施不僅僅是簡單的疊加，而是通過多層次相互作用重建了沉積物的微生態(tài)和代謝網(wǎng)絡(luò)。

在修復(fù)之前，所有沉積物都處于...

結(jié)論

本研究開發(fā)并評估了一種結(jié)合電子受體調(diào)節(jié)和IRB生物強(qiáng)化的耦合修復(fù)策略，用于有機(jī)污染的城市河流沉積物。在三種具有不同污染特征的沉積物中，電子受體調(diào)節(jié)顯著改善了氧化還原微環(huán)境，促進(jìn)了還原態(tài)化合物的氧化，AVS減少了89.66%–94.12%，F(xiàn)e2?減少了超過85%，同時(shí)抑制了...