综述：稳定同位素在揭示废水处理中污染物生物降解机制中的应用：综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Application of stable isotopes in revealing mechanisms of pollutants biodegradation in wastewater treatment: A review

稳定同位素技术在生物废水处理中的应用研究显示，其有效揭示了脱氮机制、难降解有机污染物降解途径及微生物群落功能，但多因素协同作用下的脱氮规律和污染物降解网络仍不明确，需结合单细胞测序和多同位素联用技术深化研究。

　　

姜冰倩|陈晓峰|田永兰|杨少霞|童彦斌|牛俊峰

华北电力大学环境科学与工程学院数学与物理学院水资源与水电工程系，北京102206，中国

摘要

基于文献计量分析，本文回顾了过去20年中稳定同位素在生物废水处理中的应用。稳定同位素主要用于研究氮传统和新兴有机污染物的去除过程，以及生物群落的功能机制。首先，稳定同位素技术为深入理解反硝化机制及其影响因素提供了透明的视角。迄今为止，在多种因素综合作用下的氮去除机制、碳源竞争和分配模式仍不明确。稳定同位素被用于重建和量化真核生物和后生动物参与的氮循环过程。其次，稳定同位素在研究由持久性有机化合物、抗生素和内分泌干扰物等新兴难降解污染物降解途径方面发挥着重要作用，这迫切需要多同位素组合、单细胞技术和定量稳定同位素检测方法。第三，稳定同位素核酸探针技术有助于理解生物群落的结构、功能和净化机制，特别是在污染物去除过程中的生物捕食机制。将稳定同位素与其他尖端生物技术结合使用，在研究温室气体减排途径、多种影响因素下的污染物去除机制、复杂生物群落相互作用以及污水处理厂中的微生物食物网构建方面展现出巨大潜力。本文旨在为废水处理技术的创新提供参考，例如新兴污染物的生物降解和转化网络，以及通过捕食作用增强原位剩余污泥减少的方法。

引言

随着城市化进程的不断加快以及废水收集和处理率的提高，中国的废水处理量和污泥产生量逐年增加[1]，[2]。2023年，共处理了939.7亿吨废水，产生了5333.2万吨污泥，比2022年增加了12%[1]，同时排放了约159.4亿吨二氧化碳（CO₂）当量的温室气体[3]。预计到2025年，废水处理量将增加到1022.2亿吨（图1），因此减少废水处理过程中的污染和CO₂排放成为当务之急。

至今，活性污泥工艺已应用了111年，仍是世界上大多数废水处理方法的核心[4]。当前关于生物废水处理过程的研究在工艺参数优化、微生物群落结构、某些污染物去除性能和降解途径等方面取得了显著进展[5]，[6]，[7]，[8]。然而，“重水轻泥”的传统观念尚未改变，对于复杂生物群落的协同净化机制和难降解有机污染物的降解途径仍缺乏了解。

稳定同位素技术作为一种分析元素循环途径和追踪关键功能物种的有效工具[9]，[10]，[11]，被广泛用于阐明废水处理过程和机制，特别是评估食物网的营养状况和碳通量[12]，[13]，[14]，[15]。刘等人[16]回顾了稳定同位素在分析抗生素自然丰度中的应用，并对湿地系统中抗生素的自然衰减提供了更深入的见解。Arshad等人[17]最近探索了废水样品的同位素测量方法及其在废水处理系统中的应用，通过促进微生物群落的分析，阐明了生物废水处理中有机物和营养物质去除的机制。这些综述强调了稳定同位素作为废水处理过程中表征工具的作用。然而，明确稳定同位素在广泛使用的生物废水处理厂中揭示污染物降解机制的应用至关重要。

本文旨在总结2004年至2024年间稳定同位素在污染物生物降解研究方面的进展和趋势。首先，通过文献计量分析研究了稳定同位素在废水生物处理中的应用进展和趋势。其次，分析了传统污染物和难降解有机污染物的生物降解机制，以及生物群落的结构、功能和处理机制。最后，提出了在生物废水处理中使用稳定同位素的局限性和挑战。该分析的目的是为生物降解机制研究和废水处理技术创新提供参考。

部分摘要

文献计量分析

文献计量分析基于Web of Science Core Collection数据库，数据来源为稳定同位素技术在生物废水处理中的应用。搜索内容设置为：Topic=((wastewater OR sewage) AND treat?) AND Topic=(stable isotope?) AND Topic=(biology? OR microb? OR protozo? OR metazo? OR bacter? or fung? or (food web?))。检索范围限定在2004年1月1日至2024年9月27日的文献。

利用稳定同位素研究污染物去除性能和机制

稳定同位素技术在污染物去除中的应用主要包括两大类：传统污染物和难降解有机污染物。前者关注去除效率及其影响因素，后者则侧重于降解途径和去除机制。对于这两类污染物，深入分析生物群落的结构和功能对于理解其背后的降解机制至关重要。

生物群落结构研究

参与生物废水处理的生物包括细菌、古菌、真核生物（真菌、藻类、原生动物和后生动物）以及病毒（如噬菌体），其中细菌被认为是废水处理系统中的主要功能微生物。

近年来，许多研究将稳定同位素与其他方法（如高通量测序、荧光定量等）结合，以分析生物群落结构及其

结论与未来展望

为了实现减少废水处理中的污染和碳排放的目标，并响应国家政策要求，人们正在努力解决废水处理领域的不足之处并加强薄弱环节。关于废水处理过程中生物降解机制的研究逐渐增多。总体而言，稳定同位素在阐明传统污染物的去除机制方面发挥了重要作用

作者贡献声明

牛俊峰：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹集。童彦斌：监督、项目管理、资金筹集。杨少霞：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。田永兰：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法学研究、资金筹集、概念构思。陈晓峰：监督、项目管理、资金筹集。姜冰倩：撰写 – 初稿撰写、数据可视化

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFE0135700）、四川省科技计划（编号2025YFHZ0266）、国家自然科学基金（编号52400035）和中央高校基本科研业务费（编号2025MS078）的支持。