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随着生物电化学技术的兴起,其环境功能的拓展也越来越多。微生物作为生物电化学系统的主角,其与生物电化学系统的环境学功能有着紧密联系。本论文通过二代高通量测序平台,结合生物信息挖掘,研究功能生物电化学系统的生物膜微生物群落系统。探讨了硫酸盐去除、硝酸盐去除、铵态氮去除生物电化学系统的微生物群落。为解释功能生物电化学系统中生物学过程提供了理论基础,为进一步强化生物电化学系统的环境功能提供了理论支持。本论文主要结论如下:1.通过454焦磷酸测序平台,全面探索了硫酸盐去除生物电化学系统在不同p H条件下生物膜的群落特征。在α-多样性方面,群落丰度和多样性指数随p H增加呈正相关。在分类操作单元(OTU)分析中,与D.butyrativorans,Desulfovibrio marrakechensis和Desulfomicrobium sp.匹配的OTU可能在去除硫酸盐过程中起作用。基于属水平的分析,在碱性条件生物电化学系统中的Desulfomicrobium促进硫酸盐去除,而Sulfuricurvum则不利于硫酸盐的去除。在中性和酸性条件下,Desulfovibrio促进硫酸盐去除,而Thiomonas削弱了硫酸盐的去除效果。以上结果讨论了p H条件是如何通过改变微生物群落,从而影响生物电化学系统的硫酸盐去除效果。2.研究结果显示,小外阻的微生物燃料电池提高了硝酸盐去除效率和产电能力。基于16S r RNA基因扩增子的焦磷酸测序表明反硝化生物阴极能维持一定量的Proteobacteria,Bacteroidetes,Chloroflexi和Planctomycetes。Alphaproteobacteria,Anaerolineae和Phycisphaerae的微生物可能有利于电流的产生和硝酸盐去除。29个主要的OTUs主导了反硝化生物膜微生物群落,并且自养反硝化菌和异养反硝化菌在生物阴极的硝酸盐去除过程中起到了重要作用,当微生物残体被异养反硝化菌利用时,其两者协同促进了反硝化过程。3.通过探索不同外阻下生物电化学系统非生物和生物去除铵态氮,研究结果显示铵态氮的非生物度电迁移与系统中电流大小正相关,电阻越小,电流越大,电迁移作用越强。阳极生物膜去除铵态氮与系统外阻成反比,高通量群落分析解析了阳极铵态氮去除生物协作群落。硝化细菌将废水中铵态氮转化为硝态氮;反硝化细菌接收电化学活性菌的电子或异养利用底物作电子供体,利用硝酸盐作电子受体,将硝酸盐转化为游离态氮;固氮微生物能将空气中游离态氮转化为含氮化合物,这将不利于生物膜群落对铵态氮的去除。电化学活性微生物促进生物膜菌群电子传递,提升了微生物氧化还原代谢的协作能力。