随着经济的快速发展，水体氮素污染日益严重，并且近几年关于污水氮素排放标准逐渐严格，而生物脱氮为污水脱氮最为经济有效的方法。目前为止，生物脱氮工艺在完成污水脱氮时，仍存在着工艺较复杂、硝化速率和效率低等缺点，而生物脱氮主要由AOA（ammonia oxidizing archaea，AOA）、AOB(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、NOB(nitrite oxidizing bacteria, NOB)、DNB(denitrifyingbacteria,DNB)和anammox菌(anaerobic ammoniax oidization,anammox bacteria)等多种脱氮相关菌共同完成，研究脱氮工艺中具有脱氮功能的微生物，了解它们的群落结构和数量特征，将有助于优化工艺，并为污水高效脱氮提供重要理论依据。　　本研究采用多种分子生物学研究手段，如聚合酶链式反应(PCR)、克隆、测序、实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR，qPCR)、高通量测序技术(high-throughput sequencing)并结合稳定性同位素核酸探针技术(DNA-basedstable isotope probing，DNA-SIP)，对不同污水处理工艺中的脱氮相关的AOA、AOB、NOB、DNB和anammox菌进行丰度和多样性分析，并对环境因子与丰度和多样性的关系进行统计分析，以及研究了低氧氨氧化过程中的活性氨氧化微生物，研究了不同污水处理系统(wastewater treatment systems，WTSs)中脱氮功能微生物的微生态特征。　　1、基于亚硝酸盐还原酶编码基因nirK和nirS基因，研究了10个不同工艺的污水处理系统（包括6个市政污水处理厂、2个工业污水处理厂、1中试和1小试）中共计12个样品的反硝化菌(DNB)的丰度和多样性特征。qPCR结果说明nirK和nirS基因的丰度分别为4.28×107～2.86×109和1.01×107～8.84×109copies/g sludge，并且nirS/nirK的比率为0.24～11.45，平均值为4.21，说明nirS型DNB比nirK型DNB丰度更大。在6个市政污水处理厂中，nirK和nirS基因的丰度相对稳定。并且在2个anammox反应器和一个纯氧曝气处理工艺(UNOX工艺)污水厂中检测到DNB的存在。PCR、克隆和测序结果说明nirS型DNB比nirK型DNB更具多样性。nirK基因型DNB优势菌为a-Proteobacteria纲的Rhizobiales目的Ochrobactrum、 Rhodopseudomonas、 Bradyrhizobium和Hyphomicrobium属，而优势的nirS型DNB为β-Proteobacteria纲的Rhodocyclales和Burkholderiales目的Thauera、Dechloromonas、Leptothrix和Azoarcus属。总之，本文研究结果表明WTSs中nirS型DNB比nirK型DNB丰度更大并且多样性更丰富，应优先利用nirS型基因去研究WTSs的DNB。然而，为了更好和更全面的研究WTSs中的DNB，最好将nirK和nirS基因结合起来。　　2、对北京某市政污水处理厂（简写为YF）进行连续采样（每月采样1次，采样时间1年），共采集12个污泥样品。基于nirK和nirS功能基因对该厂污泥样品DNB进行定量和多样性分析。qPCR结果表明nirS基因数量为2.86×109±1.70×109～1.19×1010±3.41×109 copies/ drysludge，而nirK基因数量为2.82×108±5.49×107～3.39×109±3.27×108 copies/dry sludge，而且12个样品中有11个样品nirS基因数量高于nirK基因，并且随着季节变化，nirK和nirS基因的丰度均先上升、再下降以及最后再上升的变化趋势。PCR、克隆、测序以及系统发育结果表明，nirK型DNB主要为Bradyrhizobium sp.、Rhodopseudomonas sp.、Ochrobactrum sp.、 Mesorrhizobium sp.4FB11和Chelativorans sp.BNC1等属;nirS型DNB主要为Dechlormonas SP.、Sulfuritalea hydrogenlvor ans sk43H、Thauera sp.、Acidovorax sp.、 Cupriavidus pauculus、Bordetella petrii DSM、Azoarcus armaticum、Zoogloea sp.、Ideonella sp.和Leptothrix cholodnii sp-6等属，可知nirS型DNB群落结构比nirK型DNB更复杂。与此同时，季节和水质变化对DNB多样性产生了一些影响，Mesorrhizobium sp.4FB11、Chelativorans sp.BNC1、Thauera sp.、Acidovorax sp.、Cupriavidus pauculus和Bordetella petrii DSM等类群可能更适合在低温下生存。　　3、本文利用PCR、克隆、实时荧光定量PCR等分子检测技术，研究了2个CANON污水处理系统AOA、AOB、NOB、DNB和anammox菌这5种与脱氮有关微生物的数量和种属特征。而对这2个CANON系统中生物膜和絮体活性污泥中5种微生物数量进行比较，发现不同形态的污泥样品5种微生物的数量大小不同，可知:污泥形态（聚集状生物膜和絮体活性污泥）影响着AOA、AOB、anammox、NOB和DNB数量。原因可能是不同的污泥形态物理和化学特性不同，导致DO分布不同，最终对5种微生物生长产生影响。实时荧光定量PCR结果表明，两个系统中AOA、AOB、NOB、DNB和anammox菌的数量分别为2.67×105～1.26×107、9.87×108～3.12×1010、5.89×107～1.81×1010、1.03×108～3.53×108和2.70×109～3.99×1010 copies/g dry sludge。AOB和anammox菌是这2个系统优势菌，数量均值处于1010 copies/g dry sludge数量级，而NOB、DNB数量依次减少，分别在109和108copies/g dry sludge数量级上。由系统发育分析可知，AOA、AOB、NOB、DNB和anammox这5种微生物多样性不同，其中DNB的种属最丰富，出现了10多个属，共划分为5大簇;其次是AOA和anammox菌，AOA主要集中在Nitrososphaera cluster(Subcluster9、Subcluster8.1、Subcluster4.1和Subcluster1.1)和Nitrosopumilus cluster(Subcluster5.2)这5个类群，而anammox菌被划分为Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia2簇;再次是AOB，AOB主要集中在Nitrosomonas group中的N.europaea和N.eutropha2小簇;多样性最低的为NOB，NOB序列高度相似且OTU类型单一，仅属于硝化螺菌门（Nitrospirae）中的Nitrospira marine cluster一簇。　　4、利用DNA-SIP微宇宙培养实验，研究了2个CANON系统中氨氧化过程中的活性氨氧化微生物。分别供给42和84mg/L的NH4+-N以及12C-Na2CO3、13C-Na2CO3碳源，采用人工配水方式模拟实际污水处理系统的脱氮过程;并且为了更好的研究13C的标记效果，分别对2组样品进行了不同培养周期(1、4、7周期和1、2周期)的培养。对泥a和泥b这2组小试运行期间水质进行监测，发现泥a中42mg/L NH4+-N降解完大概需3～5h，氨氮降解速率约为6.86～11.95 mgNH4+-N/h;而泥b中进水中84mg/L的NH4-N降解完大概需要9～12h，氨氮降解速率约为6.07～8.49 mg NH4+-N/h。小试运行期间，脱氮稳定，出水水质良好。由分层样品的AOA和AOB的PCR和qPCR实验结果，即13C重层中仅检测到AOA而并未检测到AOB的存在，可知重层中仅AOA标记上了13C;而对分层后13C重层进行高通量测序，测序结果表明Nitrosopumilus属中pIVWA5以及CandidatusNitrososphaera属的3个种（分别为SCA1145、SCA1170和Nitrososphaera gargensis）为低氧氨氧化过程的执行者，即是参与低氧氨氧化的优势AOA类群。总而言之，本文研究表明低氧CANON的氨氧化的执行者为AOA而不是AOB，AOA可能为低氧污水处理系统的氨氮去除过程中主要代谢者。　　总之，本文利用DNA-SIP技术，并结合多种化学检测手段和先进分子生物学研究方法，基于不同的实验规模（包括大范围污水处理系统取样、实验室小试和微宇宙培养实验），研究了不同污水脱氮系统中的AOA、AOB、NOB、DNB和anammox菌的数量特征和群落分布，以及深入研究了硝化过程中关键步骤—氨氧化过程中的作用者。本文研究，可对不同工艺污水处理系统中的脱氮相关菌的丰度和多样性研究提供参考，并且可从微生物特性和微生物脱氮机理上来优化和改进污水脱氮工艺，使脱氮过程更高效、节能，更好的达到去除污水中氮素污染目的。