缺氧是城市污染河流水质持续恶化的关键诱因。本研究利用醇-水替换法将氧纳米气泡负载到膨润土、凹凸棒石和白云母矿物表面开发了氧纳米气泡改性矿物材料，并在室内开展了城市污染河流沉积物柱芯增氧除磷试验研究。结果表明，投加氧纳米气泡改性矿物材料使沉积物-水界面溶解氧含量快速提升，最高达7.0 mg/L以上，沉积物表层1.0 cm转变为好氧状态。与对照组相比，实验组柱芯上覆水体总磷含量降低90%以上。沉积物-水界面溶解氧的提升提高了表层沉积物氧化还原电位，抑制硫酸盐还原和还原态S^2-的形成，增加了沉积物铁氧化物对磷酸盐的固持能力。16S rRNA分析表明，投加氧纳米气泡改性矿物材料抑制了Longilinea和Syntrophomonas在表层沉积物中的生长，促进了Thermomonas的富集，微生物群落的变化显示了底栖生物生存环境的改善。Acidovorax和Acinetobacter丰度增加也反映了增氧过程中，硝酸盐还原亚铁氧化菌和聚磷菌对磷下降的作用。氧纳米气泡改性矿物材料能快速提升沉积物-水界面含氧性，有效抑制沉积物磷的释放，在城市河流水质改善和内源污染原位控制方面具有良好的应用前景。