炼油废水作为主要的工业废水之一,具有生物降解难度大、毒性强等特点。在污水处理厂运行过程中,随着原油重质化、劣质化情况日益加剧,下游生化处理单元冲击风险加大,且在受到冲击后无法快速恢复其废水处理功能,造成污水处理厂无法长周期稳定运行。据此,本研究以两个典型污水处理厂炼油废水进水和不同处理单元出水为研究对象,综合评价废水的生物毒性,结合毒性鉴定评估方法（Toxicity Identification Evaluation,TIE）开展关键致毒物质识别工作,同时探讨关键毒性物质与微生物群落的响应关系,揭示在污水处理厂运行过程中各因素对微生物群落的影响机理。（1）综合评价污水处理厂处理工艺对实际炼油废水的污染物去除效果,并以费氏弧菌和鼠伤寒沙门菌作为测试菌种,考察了炼油废水处理过程中急性毒性和遗传毒性的变化。结果表明,西北某石化企业炼油废水处理系统生物毒性削减效果整体呈下降趋势。生物急性毒性去除规律表现为:进水A＞一级气浮池C＞调节池B＞二级气浮池D＞A/O池E;生物遗传毒性表现为:A＞D＞B＞C＞E。其中,调节池对废水生物急性毒性和生物遗传毒性削减效果最好。东北某石化企业生物急性毒性去除规律表现为:进水O＞401中试装置P＞调节池Q＞一级气浮池R＞二级气浮池S＞A/O池T;生物遗传毒性表现为:O＞P＞Q＞S＞R＞T。两个污水处理厂废水在进入生化处理系统前其急性毒性仍为微毒,因此,有必要改进废水预处理工艺从而加强毒性削减处理。（2）针对炼油废水毒性变化情况,结合TIE技术鉴别主要毒性物质种类。结果显示,非极性有机物是造成各单元废水急性毒性的重要因素,部分毒性来源于挥发性、可滤型物质和金属离子。（3）采用高通量测序方法对沿程废水微生物多样性和群落结构组成进行研究。结果显示,西北某石化企业进水微生物多样性显著低于各单元处理出水,而东北某石化企业进水与各单元处理出水微生物多样性差异不大。两个污水处理厂进水经处理后,各单元出水优势菌组成结构均发生变化。（4）微生物对环境因子及毒性物质的响应表明,两污水处理厂均显示COD、NH3-N显著影响微生物群落结构,Na与大部分菌属之间具有较强正相关性。西北某石化企业废水中与石油烃显著相关的菌属有5种,分别为陶厄氏菌属（Thauera）、Syner-01、弓形杆菌（Arcobacter）、食酸菌属（Acidovorax）和水小杆菌属（Aquabacterium）,东北某石化企业显著相关的菌属为管道杆菌属（Cloacibacterium）和Tepidiphilus。（5）同时,两个污水处理工艺处理后的样本中与“外源化合物生物降解”相关基因丰度升高,但在二级气浮池出水中多环芳烃、二噁英等外源化合物生物降解基因相关丰度明显降低,可能是遗传毒性削减下降的原因。