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活性污泥法是目前世界上普遍采用的废水生物处理方法之一,然而由于活性污泥中微生物组成非常复杂,从分子生物学角度研究活性污泥系统净水功能与微生物菌群结构变化之间关系的报道还较少。本文研究了序批式反应器(SBR)和缺氧/好氧(A/O)反应器内活性污泥系统中Cu的分布特点和Cu毒性冲击对生物硝化功能的影响,利用Illumina测序和q-PCR等技术研究了全细菌和硝化菌菌群结构以及硝化功能基因的动态变化。定量分析了硝化功能基因的转录与硝化菌生理代谢的关系。研究了污泥旁路回流技术强化A/O工艺脱氮及改善污泥特性的效果和微生物特征。通过静态试验研究发现,细胞内部的Cu对硝化菌呼吸速率的抑制符合饱和型生物毒性模型。SBR间歇式Cu浓度梯度投加试验发现:氨氧化功能基因(amoA)和亚硝酸盐氧化功能基因(nxrB)对Cu的毒性非常敏感,并且分别与氨氧化呼吸速率和亚硝酸盐氮呼吸速率正相关。主成分回归模型模拟结果显示细胞内部的Cu是抑制硝化菌活性的主要因素。Illumina测序结果显示,当Cu的生物量浓度达到13.0 mgCu/g·MLVSS时,SBR中微生物的多样性都被降低,菌群结构发生较大变化。Zoogloea,Thauera和Dechloromonas是SBR中对Cu耐受性最高的属,且均属于β-proteobacteria纲下的Rhodocyclaceae目。门分类下的未知菌群(Unclassified)随着Cu浓度的增加而急剧增加。本地建立的硝化菌16S rRNA数据库有效提高了硝化菌的分辨率,并发现Nitrosomonas和Nitrospira分别是SBR中主要的氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)。A/O反应器的Cu连续投加试验结果表明amoA、反硝化功能基因nirS、napA和nosZ基因的转录水平在生物硝化受抑制及恢复过程中均是先增加后减小,而nxrB和反硝化功能基因nirK基因转录水平持续降低。各种微生物在Cu毒性条件下的变化规律与SBR试验不同。相比于没有Cu投加的情况,当总Cu浓度为16.50 mg/L时,AOB的丰度明显降低,而NOB的丰度却明显增加。受到Cu的强烈抑制之后,AOB种群的恢复能力要强于NOB。在污泥旁路回流工艺系统功能和微生物方面的研究中,发现该系统在低温环境下能强化硝化菌的硝化作用,并且有效抑制污泥膨胀现象。