生物蜡修复重度污染河流的微生物群落结构响应与环境因子驱动机制研究

《Journal of Hazardous Materials Letters》：Changes in Microbial Community Structure and Responses to Environmental Factors in Heavily Polluted Rivers Remediated by Bio-Wax

本研究针对重度污染河流生态修复难题，创新性地应用生物蜡（bio-wax）作为生物刺激载体，系统评估了其对武汉巡司河水质的改善效果及微生物群落结构的调控作用。研究发现，生物蜡能显著降低COD、NH3-N、TP等指标，使水质从Ⅳ类提升至Ⅰ-Ⅱ类；并通过富集硝化螺菌（Nitrospira）、鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）等功能菌属，抑制不动杆菌（Acinetobacter）等病原菌，重塑微生物群落。该研究为污染河流的微生物驱动修复提供了新技术路径和理论依据。

　　

随着城市化进程加快，大量生活污水直排入河，导致许多城市河流出现严重富营养化，水质恶化，生态系统受损。武汉巡司河作为典型的城市纳污河道，长期接纳周边区域生活污水，由于缺乏配套污水处理设施，河水氨氮（NH₃-N）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）等指标严重超标，水体生态系统功能退化，亟需有效的生态修复技术。传统的物理化学修复方法成本高且易造成二次污染，而生物修复技术因其环境友好、成本较低等优势受到广泛关注。在众多生物修复技术中，微生物固定化技术显示出良好应用前景，但其操作复杂、大规模应用困难。生物蜡（bio-wax）作为一种新型生物复合材料载体，能够缓慢释放生物促进因子，富集和激活水体中的土著微生物，形成生物膜，从而促进水质净化。然而，目前关于生物蜡在自然水体中对微生物群落结构的影响及其与环境因子的耦合关系尚不明确。

针对这一科学问题，长江科学院流域水环境研究部的董雷、林丽、徐全喜等研究人员在《Journal of Hazardous Materials Letters》上发表了最新研究成果。该研究以武汉巡司河为示范区，通过7个月的现场监测，系统探究了生物蜡修复对水质指标和微生物群落结构的影响，并揭示了关键环境因子对微生物群落的驱动作用。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：在武汉巡司河武泰闸段设立示范区，布设生物蜡载体并进行定期采样；采用国标方法监测COD、NH₃-N、TP、总氮（TN）等水质参数；通过0.22微米滤膜过滤水样收集微生物，并利用16S rRNA高通量测序技术分析微生物群落结构；运用主坐标分析（PCoA）、典型对应分析（CCA）、方差分解分析（VPA）等多元统计方法解析微生物群落与环境因子的关系。

3.1. 生物蜡修复效果

水质监测结果表明，生物蜡处理能显著改善巡司河水质。参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），处理组氨氮（NH₃-N）浓度在前5个月达到Ⅰ类水质标准，最后2个月为Ⅱ类；总磷（TP）浓度主要维持在Ⅱ类水质；化学需氧量（COD）在多数月份保持Ⅰ类水质。与对照组相比，处理组的水质指标明显改善，表明生物蜡能有效降低水体富营养化程度。

3.2. 微生物群落结构变化

微生物群落分析显示，虽然处理组（W.TWC）和对照组（CK）的微生物α多样性指数（Chao1指数和Simpson指数）无显著差异，但生物蜡显著改变了属水平微生物群落组成。变形菌门（Proteobacteria）是所有样品中的优势菌门，其相对丰度为34.5%-84.6%。在属水平上，处理组中硝化螺菌（Nitrospira）平均相对丰度为4.8%，成为优势菌属；而对照组中下水道杆菌（Cloacibacterium）和脱氯单胞菌（Dechloromonas）各占6.9%。值得注意的是，处理组中不动杆菌（Acinetobacter）和Limnohabitans的相对丰度下降，而鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）和脱氯单胞菌（Dechloromonas）增加，反映了生态系统恢复力的增强。

3.3. 对环境因子的响应

相关性分析发现，化学需氧量（COD）和总氮（TN）是驱动微生物群落变化的主要环境因子。方差分解分析（VPA）表明，COD单独解释率为18%，TN为9%，TP为6%，NH₃-N为3%。不动杆菌（Acinetobacter）与NH₃-N呈显著正相关，Limnohabitans和脱氯单胞菌（Dechloromonas）与TN呈正相关，而鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）与TN、TP均呈负相关。

3.4. 指示微生物筛选与分析

研究人员筛选出不动杆菌（Acinetobacter）、Limnohabitans、脱氯单胞菌（Dechloromonas）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）作为水体生态评估的指示微生物。生物蜡处理降低了与污染相关的不动杆菌和Limnohabitans的相对丰度，增加了具有降解功能的脱氯单胞菌和鞘氨醇单胞菌的比例，表明生物蜡可通过调控微生物群落结构来改善水体生态环境。

研究结论表明，生物蜡修复技术能有效改善污染河流水质，并通过调控微生物群落结构增强水体自净能力。生物蜡不仅降低了COD、NH₃-N、TP等污染指标，还促进了有益功能菌群的富集，抑制了潜在病原菌的生长。该研究建立了生物蜡材料、指示微生物和环境因子之间的耦合关系，为污染河流的生态修复提供了新的技术途径和科学依据。未来研究可结合宏基因组学、宏转录组学等多组学技术，进一步阐明生物蜡调控微生物代谢功能的内在机制，并在不同污染场景下验证该技术的适用性。