百十华章，薪火相传；矢志创新，逐梦前行。值此河海大学建校110周年之际，365英国上市官方网站特别推出“百十科创”系列专栏，聚焦学院本科生、研究生科创团队，以“科创案例分享+科研思维解码+学术品格养成”三位一体模式，搭建深度交流平台，让科创传承从“单向灌输”变为“双向奔赴”，真正激活学院内部的学生创新生态，持续培育具有家国情怀与国际视野的创新型人才梯队。

本期让我们走进《底泥基载氧生物炭修复城镇黑臭河道的效果与机制研究》项目，见证材料学子如何以科技为刃、以匠心为魂，在百十河海的沃土上续写创新传奇，为“材料报国”注入青春力量！

项目名称

底泥基载氧生物炭修复城镇黑臭河道的

效果与机制研究

项目类别

2024年河海大学大学生创新创业训练计划（校级）

团队介绍

团队成员周颖、赛比热·约麦尔、叶里努尔·也勒波尔、赵学美来自365英国上市官方网站2022级材料科学与工程专业，成员扎实的专业背景为项目开展提供了有利条件。本小组依托的张弛副教授课题团队，长期从事水环境功能材料研发与应用等方面的研究，在绿色材料研发、水环境污染分析、微生物机制探究等方面获得了一系列的研究成果。为整个创训项目奠定了坚实有力的基础。

选题探索

数据显示，我国约有1/3的城市河道存在不同程度的黑臭现象，黑臭河道的总长度超过5万公里。已整治黑臭水体还易出现返黑、返臭，因此，打好城市黑臭水体治理攻坚战时间紧、任务重。

目前已知，通过加压环境向多孔材料充入氧气，使材料充当载体将氧纳米气泡输送至目标缺氧区域。将材料封盖、吸附污染物的作用和氧纳米气泡提高氧水平的作用有机结合，是一种经济高效、生态友好的新型缺氧水体修复方式。但现有研究选取材料多为天然矿物及相关改性材料，存在资源浪费、来源单一的问题。关于载氧材料修复过程中的微生物响应机制，也缺乏深入研究。我们的研究内容正是针对这两个局限展开。

我们思考了两个科学问题：一是如何基于废弃物资源化利用构建环境相容性生物炭作为氧纳米气泡的载体同时调控其理化性质，二是所构建的载氧生物炭是否可以改善水体缺氧并调控关键生源物质，其修复机理是什么样的。由此引出了本项目的两个创新点：1、我们的材料取之环境、用之环境，将取之污染系统的固废用于同一系统的修复，符合可持续的发展理念。2、性能稳定、深入机制，从材料表面特性、微生物群落结构演替等角度创新阐明了载氧生物炭对黑臭水体的长效修复机制。

实践经历

材料制备阶段：通过调控热解温度等制备参数，用高温热解法在多种温度下分别制备出底泥基生物炭。通过表征微观结构发现多孔材料的氧气负载能力与其比表面积和孔容积呈显著正相关，但其释氧性能可能取决于孔径分布，尤其是小直径介孔分布。具有最大的比表面积和孔容积且孔径分布以小直径介孔为主的SBC600能够负载大量氧纳米气泡并将它们缓速释放至表层底泥与上覆水，有助于水体的可持续修复。

其次，通过野外采集河道泥样、水样，项目成员完成了黑臭水体微宇宙试验系统的搭建。我们的载氧生物炭能够将水中溶解氧浓度快速提升至7.87 mg/L，并在28天的长期实验期间逐渐稳定维持在4.78 mg/L，且同时显著降低氮、磷等物质浓度。成功将底泥从营养源转变为营养汇。

对实验前后系统的水质进行检测发现：物理阻隔、理化吸附及氧纳米气泡释放等多重功能的协同耦合下，O-SBC能够改善泥-水界面的氧化还原环境，抑制底泥释放氮、磷，从而降低水中营养浓度。

对生物炭修复缺氧水体后的微生物进行研究时，我们发现处理体系中水生生物更加多样，好氧功能菌群丰度显著增大。

同时，参与氮、磷、硫元素代谢的多种功能基因的丰度都有所增加，说明通过营养盐调控实现了缺氧淡水生态系统修复的微生物机制。

该项目提供了一种利用载氧底泥基生物炭修复水体缺氧的新方法，实现了污染底泥的回收及水中营养污染物质的有效去除。证实了微生物分子机制在缺氧水体修复中的重要性，为绿色载氧材料应用于水环境治理和水生态修复等领域提供了理论指导和技术支持。该研究的局限性在于，材料的合成与释氧机制需进一步研究、材料来源单一，且生物炭理化性质与表面特性（如电子传递能力与官能团种类）对释氧行为的具体影响机制缺乏探究。

成果展示

周颖（第二作者），A novel struvite-modified planting concrete for sustainable slope protection and environmental restoration，Environmental Research，2025.2.25（Under Review）。

审稿人：辛绍权