结合生物刺激和生物增强技术来促进河流沉积物中有机物的降解并提高其抗污染能力：效果与机制

协同调控电子受体与铁还原菌共生体修复有机污染河流沉积物研究

　　

王斌|梁伟航|孙静梅

天津大学环境科学与工程学院，天津300350，中华人民共和国

摘要

城市河流沉积物会积累由受污染的雨水和溢流排放物带来的有机污染物，这常常引发反复出现的黑臭现象和持续的生态退化。然而，传统的沉积物生物修复方法常常受到强还原环境、电子受体缺乏以及有机物质生物可利用性低等限制，导致修复效果不稳定。为了解决这些问题，我们提出了一种协同策略，通过添加电子受体来调节氧化还原微环境，并利用铁还原菌群（IRB）进行生物强化。我们从三条具有不同污染特征的城市河流中采集了表层沉积物，在厌氧条件下进行了四种处理：对照组、添加电子受体（EA处理）、接种IRB处理以及先添加电子受体后接种IRB的处理（联合处理）。联合处理显著加速了还原态物质的氧化，酸挥发性硫化物（AVS）减少了89.66%–94.12%，Fe(II)减少了超过85%，同时沉积物的氧化还原电位也显著升高。总有机质（TOM）的去除效率达到了17.31%–34.81%，联合处理的效果超过了单独使用EA处理和IRB处理的效果之和，表明存在协同效应。在外源有机物质冲击负荷下，联合系统抑制了AVS和Fe(II)的积累，从而减轻了黑臭现象。微生物分析表明，电子受体的添加缓解了强还原环境带来的压力，抑制了硫酸盐还原相关过程，并使电子流动转向以硝酸盐还原和铁还原为主导的途径。IRB的接种进一步增强了细胞外电子传递能力，这与c型细胞色素、菌毛和醌介导的电子传递相关功能特征的增多是一致的。重要的是，这种耦合方法建立了一个以Fe(III)/Fe(II)和NO??/N?为中心的强氧化还原缓冲框架，提高了微生物网络的复杂性和功能冗余性，从而增强了系统在受到干扰时的抵抗力和恢复能力。这项工作为实现高效、稳定且生态恢复力的城市河流沉积物生物修复提供了机制基础和可扩展策略。

引言

作为城市生态系统的重要组成部分，城市河流在调节水文过程、减轻洪水、改善水质和提升人类居住环境方面发挥着关键作用（Lespez等人，2025年）。然而，为了适应快速的城市扩张和防洪需求，大多数城市河流都经历了大规模的人工改造，导致其自然形态和水文状况发生了深刻变化（Fletcher等人，2024年）。与自然河流相比，城市河流通常具有较低的流速、较差的连通性、不足的流体动力学和缓慢的水交换，从而导致其自净能力下降（Cui等人，2024年；Liang等人，2025年）。尽管日益严格的水环境管理政策有效减少了点源污染，并基本消除了工业和生活污水的直接排放，但非点源污染（如地表径流和雨水溢流）仍然将受污染的雨水引入河流（Ouyang等人，2025年；Xu等人，2019年）。因此，有机污染物在河流沉积物中积累，导致慢性生态退化和城市水道中黑臭现象的反复出现。

越来越多的证据表明，沉积物中的有机污染物是城市河流生态系统退化和黑臭现象反复出现的主要内部驱动因素（Liang等人，2021年；Wei等人，2023年）。过量的有机物质对水生系统造成多重压力：外部干扰（如水文波动和沉积物再悬浮）会触发内源性有机物质和无机盐的释放，其降解过程消耗大量溶解氧，并加速了从好氧到厌氧条件的转变（Ma等人，2024年）。在逐渐还原的环境中，厌氧微生物主导了有机物质的转化过程（Ge等人，2020年）。在强还原条件下（Eh ≈ ?350至?300 mV），硫酸盐还原菌利用有机底物作为电子供体将硫酸盐还原为硫化物，而产酸菌则将多糖水解为低分子量有机酸（Wang等人，2014年）。这些有机酸随后作为电子供体促进铁还原菌将Fe(III)还原为Fe(II)（Jing等人，2025年）。生成的硫化物容易与Fe(II)反应形成硫化铁（FeS），导致沉积物变黑并释放气味（Cao等人，2020年）。因此，增强沉积物中有机物质的降解和稳定是缓解黑臭现象和恢复城市河流系统自净能力的前提。

目前用于有机污染沉积物的修复技术主要包括物理方法（如疏浚和曝气）、化学处理（如化学钝化）以及生物方法（如生物刺激和生物强化，Yang等人，2024年）。物理和化学技术可以快速减少污染物，但往往伴随着高昂的成本、二次污染风险以及对沉积物结构和底栖生态系统的不可逆干扰，从而无法从根本上恢复河流的生态功能（Valladares等人，2024年）。相比之下，利用微生物代谢潜力的生物修复策略因其环境兼容性和生态可持续性而受到越来越多的关注（Liang等人，2020年；Yin等人，2025年）。然而，有机污染沉积物中的生物修复常常受到不利微环境条件的限制，包括持续的缺氧、低氧化还原电位、电子受体供应不足（Yang等人，2022年）以及有毒还原化合物（如硫化物）的积累。此外，沉积物中的有机物质通常会强烈吸附在矿物表面或包裹在沉积物孔隙中，导致质量传递受限，降低了微生物降解的生物可利用性（Yao等人，2023年）。这些因素共同限制了生物修复的效率。

为了克服这些限制，人们越来越关注旨在增强微生物驱动的有机物质降解的生物刺激和生物强化策略（Bai等人，2020年）。生物刺激通常涉及添加电子受体或调节氧化还原条件以激活本地微生物的代谢（Bianco等人，2020年）。例如，释放硝酸盐或氧气的化合物（如Ca(NO?)?和CaO?）已被广泛用于提高沉积物的氧化还原电位、抑制硫化物积累并刺激本地异养和反硝化微生物的活性，从而缓解黑臭现象（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谢能力和功能多样性的限制，以及外源电子受体的快速消耗。相比之下，生物强化则侧重于引入具有特定代谢能力的外源功能性微生物，如细胞外呼吸或腐殖质物质还原，以直接增强有机物质的矿化途径（Xu等人，2024年）。铁还原菌和其他具有细胞外电子传递能力的微生物显示出扩展电子传递网络和促进难降解有机化合物降解的强大潜力（Li等人，2025年）。然而，由于微生物存活、生态兼容性和在复杂沉积环境中的功能持久性等相关挑战，生物强化的长期效果仍不确定（Li等人，2022年；Wang等人，2024b）。重要的是，生物刺激和生物强化都受到电子传递过程效率低下和本地微生物与引入微生物之间功能合作不足的限制。这些限制突显了需要综合修复策略，同时优化沉积物微环境条件和加强关键微生物代谢功能。因此，将生物刺激与生物强化相结合是一种有前景的方法，可以克服每种策略的单独缺陷，建立更加可持续和高效的微生物修复系统。

尽管人们对生物刺激和生物强化联合方法的兴趣日益增加，但对其长期修复效果、对污染干扰的抵抗力以及有机污染河流沉积物中潜在的微生物相互作用机制的系统研究仍然有限。特别是，沉积物氧化还原调节和铁还原菌活性在增强有机物质降解和生态稳定性方面的协同作用尚未得到充分阐明。在这项研究中，我们提出了一种协同修复策略，将沉积物微环境改善与铁还原菌增强的生物强化相结合，以实现有机污染河流沉积物的持续修复。具体来说，我们（i）通过追踪氧化还原条件的变化和关键元素（C、N、S和Fe）的转化来评估联合修复下的沉积物有机物质降解效率；（ii）通过外源有机物质冲击实验评估修复系统的抗污染能力；（iii）利用微生物群落和功能分析阐明增强有机物质降解、自净能力和生态功能冗余的微生物和功能机制。这些发现为开发高效和可持续的城市河流沉积物生物修复策略提供了机制见解和理论支持。

部分摘要

沉积物采样与表征

从中国天津的三条具有代表性的城市河流中采集了表层沉积物（0-20厘米），这些河流反映了高度城市化流域中常见的不同程度的有机污染和黑臭风险。采样地点包括东昌荫河（S2）、渭津河（S9）和月牙河（S16）（图S1）。这些沉积物在有机物质含量和硫化物积累方面存在显著差异。具体来说，沉积物S2的特征是...

沉积物中的微生态改善

图1a–c显示了不同处理下AVS的时间变化。在S2地点，CK组和IRB处理组的AVS浓度在3000毫克/千克左右波动。在最初的45天微生态改善阶段，EA处理组的AVS从3220毫克/千克下降到600毫克/千克，随后略有回升，最终稳定在大约1500毫克/千克。在联合处理组中，AVS在同一时期从3375毫克/千克显著下降到349毫克/千克，然后...

有机物质降解的协同增强机制

本研究表明，电子受体调节与IRB生物强化的结合使得TOM的去除效果远超过单独使用任一策略的效果，表现出显著的协同（叠加）效应（联合处理 > EA处理 + IRB处理）。这种协同效应表明，这两种干预措施不仅仅是简单的叠加，而是通过多层次相互作用重建了沉积物的微生态和代谢网络。

在修复之前，所有沉积物都处于...

结论

本研究开发并评估了一种结合电子受体调节和IRB生物强化的耦合修复策略，用于有机污染的城市河流沉积物。在三种具有不同污染特征的沉积物中，电子受体调节显著改善了氧化还原微环境，促进了还原态化合物的氧化，AVS减少了89.66%–94.12%，Fe2?减少了超过85%，同时抑制了...

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52270162）和国家科技重大专项（2025ZD1204600）的支持。

CRediT作者贡献声明

王斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，正式分析。孙静梅：监督，项目管理，资金获取。梁伟航：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学。

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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52270162）和国家科技重大专项（2025ZD1204600）的支持。