生物修復是一種通過改變環境條件以刺激微生物生長并降解目標污染物來處理包括水，土壤和地下物質在內的受污染介質的過程。在許多情況下，生物修復比其他修復替代方案更便宜，更可持續。生物處理是用于處理廢物的類似方法，包括廢水、工業廢物和固體廢物。

大多數生物修復過程都涉及氧化還原反應，在該過程中，要么添加電子受體（通常為氧氣）以刺激還原性污染物（例如碳氫化合物）的氧化，要么添加電子給體（通常為有機底物）以減少氧化的污染物（硝酸鹽、高氯酸鹽）、氧化金屬、氯化溶劑、炸藥和推進劑）。在這兩種方法中，都可以添加其他營養素、維生素、礦物質和pH緩沖液，以優化微生物的條件。在某些情況下，添加專門的微生物培養物以進一步增強生物降解能力。生物修復相關技術的一些示例是植物修復、mycoremediation、生物通風、浸出、土地耕作、生物反應器、堆肥、生物強化、rhizofiltration和生物刺激效應。

大多數生物修復過程都涉及氧化還原（Redox）反應，其中化學物質將電子（電子給體）提供給接受電子的不同物質（電子受體）。在該過程中，據說電子給體被氧化而電子受體被還原。生物修復過程中常見的電子受體包括氧氣、硝酸鹽、錳（III和IV）、鐵（III）、硫酸鹽、二氧化碳和一些污染物（氯化溶劑、炸藥、氧化金屬和放射性核素）。電子給體包括糖、脂肪、醇、天然有機物質、燃料碳氫化合物和各種減少的有機污染物。

有氧生物修復是氧化生物修復過程的最常見形式，其中氧氣被用作石油、聚芳烴（PAHs）、苯酚和其他還原性污染物的氧化的電子受體。氧氣通常是優選的電子受體，因為其能量產率更高，并且因為某些酶系統需要氧來引發降解過程。許多實驗室和現場研究表明，微生物可以降解多種碳氫化合物，包括汽油、煤油、柴油和噴氣燃料的成分。在理想條件下，低至中等重量的脂族，脂環族的生物降解率和芳族化合物可能很高。隨著化合物分子量的增加，抗生物降解性也隨之增加。

在地下水位上方提供氧氣的常用方法包括耕種，堆肥和生物通風。在耕作過程中，將受污染的土壤，沉積物或淤泥摻入土壤表面，并使用常規農業設備定期翻倒以給混合物充氣。堆肥通過將待處理廢物與填充劑混合，成堆并定期混合以增加氧的轉移，從而加速了污染物的生物降解。 生物排放是增加進入土壤不飽和區的氧氣或空氣流量的過程，這會增加目標碳氫化合物污染物自然就地降解的速度。

在地下水位以下添加氧氣的方法包括在處理區中循環充氣水，添加純氧氣或過氧化物以及鼓入空氣。再循環系統通常由注入井或集水井與一個或多個采油井的組合組成，在采油井中對提取的地下水進行處理，充氧，補充養分并重新注入。但是，該方法可提供的氧氣量受到氧氣在水中的低溶解度的限制（對于在典型溫度下與空氣平衡的水，溶解度為8至10 mg / L）。通過使水與純氧接觸或添加過氧化氫（H?₂?O?₂）到水上。在某些情況下，通過壓力將固體鈣或過氧化鎂漿液通過土壤鉆孔注入。這些固體過氧化物與水反應釋放H?₂?O?₂，然后分解釋放氧氣。空氣噴射涉及在地下水位以下的壓力下注入空氣。空氣注入壓力必須足夠大，以克服水的靜水壓力和對通過土壤的空氣流動的阻力。

厭氧生物修復可用于處理各種氧化污染物，包括氯化乙烯（PCE、TCE、DCE、VC）、氯化乙烷（TCA、DCA）、氯甲烷（CT、CF）、氯化環烴，各種高能物質（例如，高氯酸鹽、RDX、TNT）和硝酸鹽。

該過程涉及向以下物質添加電子供體：

1）耗盡背景電子受體，包括氧氣、硝酸鹽、氧化鐵、錳和硫酸鹽；

2）促進氧化污染物的生物和/或化學還原。 六價鉻（Cr [VI]）和鈾（U [VI]）可以還原為活動性和/或毒性較小的形式。同樣，硫酸鹽還原為硫化物（硫化物生成）可用于沉淀某些金屬（例如鋅、鎘）。基質的選擇和注入方法取決于污染物的類型和在含水層中的分布，水文地質和修復目標。可以使用常規的井裝置，直接推技術或通過開挖和回填（例如可滲透反應性屏障（PRB）或生物墻）添加基質。由食用油或固體底物組成的緩釋產品往往會留在原位，以延長治療時間。可溶性底物或緩慢釋放底物的可溶性發酵產物可能通過平流和擴散遷移，從而提供了更寬廣但壽命更短的處理區域。首先將添加的有機底物發酵成氫（H ₂）和揮發性脂肪酸（VFA）。VFA，包括乙酸鹽、乳酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，為細菌代謝提供碳和能量。

包括鎘、鉻、鉛和鈾在內的重金屬是元素，因此不能被生物降解。但是，生物修復工藝可以潛在地用于降低這些材料在地下的流動性，從而減少人類和環境暴露的可能性。某些金屬（包括鉻（Cr）和鈾（U））的遷移率隨材料的氧化態而變化。微生物可通過將六價鉻Cr（VI）還原為三價Cr（III）來降低鉻的毒性和遷移率。鈾可以從流動性較高的U（VI）氧化態還原為流動性較低的U（IV）氧化態。在此過程中使用微生物是因為除非通過微生物相互作用催化，否則這些金屬的還原速度通常很慢也在研究通過增強金屬對細胞壁的吸附來從水中去除金屬的方法。該方法已被評估用于處理鎘、鉻、和鉛。植物提取過程將污染物濃縮在生物質中，以便隨后去除。

在生物刺激的情況下，添加限制營養以使環境更適合生物修復的營養，可以向系統中添加諸如氮、磷、氧和碳等營養，以提高治療效果。

許多生物過程對pH敏感，并且在接近中性的條件下最有效地發揮作用。低pH值可能會干擾pH的穩態或增加有毒金屬的溶解度。微生物可以消耗細胞能量來維持體內平衡，或者細胞質狀況可能會因pH的外部變化而改變。通過改變碳和電子流量，細胞形態，膜結構和蛋白質合成，某些厭氧菌已適應低pH條件。

生物修復可用于完全礦化有機污染物，部分轉化污染物或改變其遷移率。?重金屬和放射性核素不能被生物降解，但是可以被生物轉化為流動性較低的形式。在某些情況下，微生物無法使污染物完全礦化，可能會產生毒性更大的化合物。例如，在厭氧條件下，三氯乙烯的還原性脫鹵作用可能會產生二氯乙烯（DCE）和氯乙烯（VC），這是可疑或已知的致癌物。但是，微生物脫鹵球菌可以進一步將DCE和VC還原為無毒產物乙烯。需要進一步的研究來開發方法，以確保來自生物降解的產品比原始污染物具有更少的持久性和毒性。因此，必須知道目標微生物的代謝和化學途徑。此外，了解這些途徑將有助于開發可以處理污染物混合物分布不均的站點的新技術。

同樣，為了發生生物降解，必須存在具有降解污染物的代謝能力的微生物種群，具有適合微生物生長條件的環境以及適量的養分和污染物。這些微生物使用的生物過程具有高度特異性，因此，許多環境因素也必須予以考慮和調節。因此，必須根據受污染地點的條件專門進行生物修復過程。而且，由于許多因素是相互依賴的，因此通常在受污染的地點進行該程序之前要進行小規模的測試。但是，可能難以將小規模測試研究的結果外推到大型現場操作中。在許多情況下，生物修復比其他方法（例如，填埋和焚燒）要花費更多的時間。