《Bioresource Technology》：Sustainable bioprocess engineering for integrated inland water remediation and waste-to-product conversion
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内陆水域生物资源技术（BRTs）通过微生物、植物和藻类实现污染物去除与资源回收，兼具生态修复与循环经济价值。其优势包括多污染物协同治理、低碳可持续及生物质资源化潜力，但面临季节性波动、二次污染风险及经济可行性挑战。未来需优化微生物资源、整合电化学与合成生物学技术，并完善政策支持体系。
李江|严晓晓|王海军|何斌|严晓军|阮 Roger|程鹏飞
宁波大学土木与环境工程与地理科学学院，中国宁波 315211
摘要
内陆水域——重要的淡水资源和生态系统载体——正面临着来自富营养化、重金属和新兴有机污染物的日益严重的压力。生物资源技术（BRTs）利用微生物、植物和藻类来高效去除污染物，但由此产生的生物质既是一个挑战也是一个机遇。将这些生物质转化为增值产品将生态恢复与循环经济原则联系起来。本文综述了BRTs的双重功能：在净化内陆水域的同时生成有用的原料。主要挑战包括季节性变化、二次污染的风险以及平衡环境效益与经济可行性。技术经济分析和支持性政策对于确保长期可持续性至关重要。未来的研究方向将重点关注生物过程的优化和综合修复-回收系统，以推动循环生物经济的发展并支持碳中和的水资源管理。最终，BRTs将内陆水域的恢复不仅仅视为一种环境责任，而是一种战略性的资源机会，提供符合全球可持续发展目标的低碳、前瞻性的解决方案。
引言
内陆水域，包括自然和人工地表水体，如溪流、湖泊、河流和水库，不仅为人类生存、农业生产和生活提供不可或缺的淡水，还为多种物种提供栖息地，在气候调节、生物地球化学循环和维持生态系统多样性方面发挥着重要作用（Shen等人，2025年）。然而，随着社会经济的快速发展和人口增长，内陆水域因污染加剧而面临严重挑战（Staniszewski等人，2024年）。过量的营养物质（如氮（N）和磷（P））、有毒物质（包括重金属（例如砷、镉（Cd））以及新兴有机污染物（例如药品和个人护理产品（PPCPs）、农药、全氟和多氟烷基物质（PFAS）和微塑料）进入内陆水域（Wu等人，2025a；Wu等人，2025b；Jiang等人，2025a；Jiang等人，2025b）。这些物质破坏了水生生物多样性，损害了生态系统功能，并通过食物链对人类健康构成重大风险。内陆水域的破坏严重限制了生态环境和社会经济的可持续发展。
内陆水域的恢复对于保护水资源、控制污染和维持水生生态系统健康具有重要意义。各种修复技术被分为物理、化学和生物方法，选择方法取决于污染类型、水体特征、经济成本和环境条件（见补充材料）（Shen等人，2025年）。物理修复采用机械/工程手段（例如沉积物疏浚、覆盖、充氧、水力调节）来去除污染物。虽然这些方法在快速去除污染物方面有效，但存在高运营成本、不可逆的生态干扰以及对多样性和动态水体的适用性有限的问题（Dunalska，2025年）。化学修复依靠反应（例如沉淀、絮凝、氧化-还原）将污染物固定或转化为低毒衍生物。尽管效率很高，但它存在二次污染、残留毒性和对非目标生物的伤害等固有风险（Dash和Osborne，2023年）。
生物资源技术（BRTs）是一种绿色修复策略，利用微生物、植物、藻类、动物及其衍生物来降解、转化、吸收或固定内陆水域中的污染物。与传统物理和化学方法相比，BRTs的核心优势是多方面的。从环境角度来看，生物资源技术有可能同时去除多种污染物，减少环境干扰，并避免二次污染（Lea-Smith等人，2025年）。另一方面，BRTs具有可持续性，显著减少温室气体排放，促进物质循环和能量流动，从而有助于生态自我恢复和水生生态平衡的重建（Li等人，2025a；Li等人，2025b）。从经济角度来看，BRTs更具成本效益，比传统物理和化学方法便宜50-80%，同时能够实现令人满意的稳定污染物去除效果，满足水生态恢复的需求（Ayegba等人，2025年）。BRTs的原位特性降低了挖掘和运输成本，而生物过程减少了昂贵的化学品和设备的需求（Zhou等人，2024年）。此外，BRTs修复过程中产生的生物质具有资源回收的潜力，可以转化为生物能源或其他高价值产品（Yang等人，2025a；Yang等人，2025b）。因此，BRTs符合可持续发展和循环经济的原则，为内陆水资源的恢复提供了新的解决方案。
基于文献（见补充材料），本文旨在系统阐述BRTs在内陆水域修复中的多维机制和应用前景。结合生态修复和资源回收的角度，本文重点介绍了生物膜电子转移、根系-微生物相互作用、增强污染物转化和改性生物炭吸附等机制。本文探讨了微生物修复、植物修复、基于藻类的技术以及内陆水域修复综合系统的潜在优化路径和挑战。具体目标包括：（1）分类内陆水域修复中的主要BRTs类型；（2）分析典型应用场景和案例研究；（3）识别技术应用中的关键挑战和瓶颈；（4）提出未来研究重点。总体而言，这些目标倡导开发结合BRTs的内陆水域修复系统，以改善生态恢复。
部分摘录
功能性微生物
在内陆水域的修复中，具有多样代谢能力的功能性微生物群落可以增强污染物的转化和去除。根据修复功能，微生物被分为四大类：重金属去除、氮去除、有机污染物降解和极端环境适应微生物（表1）。
属于Halomonas、Bacillus、Pseudomonas和Acinetobacter属的重金属去除微生物可以净化水质
河水或流域管理
在所有BRTs中，CWs和生态EFBs应用最为广泛，在河流修复中表现出高效和稳定的修复性能。黎巴嫩利塔尼河沿岸的CW系统实现了87%的COD去除率和99%的粪大肠菌群去除率（Saab等人，2018年）。在中国杭州的长洪涧溪流中，CW在温暖季节的TN和TP去除率分别达到了45%和78%，主要通过大型植物吸收（Han等人，2017年）。在雨季，EFBs
技术效率瓶颈
环境因素，特别是温度和光照的季节性和区域性变化，是影响生物资源技术应用中生物修复性能稳定性的关键决定因素（图4）。温度驱动藻类群落的季节性动态。低温同时抑制了微生物的硝化和反硝化过程（Wang等人，2023a；Wang等人，2023b；Wang等人，2023c）。同时，太阳辐射的季节性变化
未来展望
内陆水域修复领域的未来创新将深入整合合成生物学、功能材料科学和电化学等前沿领域。为了推进实际应用，提出了四个具有明确目标的具体研究重点：
(1)开发功能性微生物资源。筛选和改造耐寒微生物（如反硝化菌、厌氧氨氧化菌），并将其与其他BRTs结合使用，以维持≥70%的最佳氮去除率
政策倡议
除了技术突破之外，BRTs的大规模应用还需要强有力的政策框架支持。为解决阻碍生物资源技术规模化部署的监管瓶颈，可以根据现有的政策倡议（如欧盟绿色协议、废物框架指令和美国清洁水法（CWA）等），在五个核心维度上寻求进展：
(1)通过更新水质标准和监测系统来优化标准
结论
生物资源技术（BRTs）在复杂内陆水域污染修复方面显示出独特的优势，具有可持续性、环保性和资源回收潜力。BRTs，包括微生物修复、植物修复、藻类生物技术和耦合系统，通过生物活动和物质增强实现污染物去除，从而促进生态系统恢复。基于分析，三个核心支柱推动了内陆水域修复中BRTs的发展：
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提高手稿的清晰度和语言表达。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
未引用的参考文献
Benhalima等人，2020年；Liu等人，2024年。
CRediT作者贡献声明
李江：撰写——初稿，可视化，方法论。严晓晓：方法论，调查。王海军：调查，正式分析。何斌：可视化，软件，调查。严晓军：撰写——审阅与编辑，概念化。阮Roger：撰写——审阅与编辑，监督，资源，概念化。程鹏飞：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了“创新 Yongjiang 2035”关键研发计划 - 国际科技合作项目（2024H002）、中国国家重点研发计划（2022YFE0135800）、国家自然科学基金（42007367）、宁波大学“One Health”科学研究所的“One Health”跨学科研究项目（NBUOH202502）、宁波市自然科学基金（2024J158）以及浙江-马来西亚联合研究实验室的支持
