随着城市化进程的加快,河流中耗氧污染物氨氮超标现象在我国普遍存在,氮素污染已成为威胁我国水环境安全的一大隐患。微生物作为生物修复技术的核心主导者直接决定着修复效果,因此筛选环境适应性强、脱氮性能高且环境友好的微生物已成为近年的研究热点之一。生物膜技术是通过向水体中添加悬浮的载体以便于微生物附着生长形成生物膜,利用填料上所形成生物膜中微生物的吸附或降解作用对水体中的污染物进行净化,基于高效率、低成本、安全性能好等优势,生物膜技术在污染水体原位修复中展现出了巨大的应用前景。然而,将生物膜技术应用于河流的生态修复工程在国内尚属探索起步阶段。针对此现状本研究旨在筛选新型的具有易形成生物膜能力及高效降解氨氮特性的土著微生物,将其固定于载体填料,强化生物膜技术对污染水体氨氮的快速转化与脱除。本研究获得的主要结果:1.利用特定培养基从北京市凉水河上覆水体、底泥及生物膜中共筛选出116株具有好氧反硝化特性的可培养细菌,通过16S rRNA序列比对归类为14个属。Pseudomonas sp.在不同生境中均为优势菌群,Venn图及聚类分析显示OTU 1（Pm.mendocina）、OTU 2（Pm.stutzeri）及OTU 3（Pm.putida）在凉水河上覆水、生物膜及底泥中具有普遍存在性。PCA图反映了可培养好氧反硝化细菌在上覆水体、生物膜及底泥3种不同生境中的栖息偏好性。经初步鉴定OTU 2（Pseudomonas stutzeri）、OTU 4（unclassified Ochrobactrum sp.）、OTU 11（Gordonia malaquae）、OTU 13（Stenotrophomonas acidaminiphila）等8个OTUs代表菌株表现出了一定的异养硝化-好氧反硝化特性。2.基于以上结果,对在不同生境中具有普遍存在性及异养硝化-好氧反硝化特点的菌株Pseudomonas stutzeri W12进行深入研究。分子生物学手段鉴定Pm.stutzeri W12中存在反硝化酶系的编码基因napA、nirS、norB和nosZ,暗示菌株W12具有完成全程好氧反硝化过程的条件。脱氮性能实验结果表明,在第30 h时W12对NH₄⁺-N的去除率可达到90%,整个过程中NO₃^--N和NO₂^--N的浓度均低于0.5 mg/L;在24 h内对NO₃^--N的去除率达到了97.4%,且只有少量NO₂^--N累积。结晶紫染色实验表明Pm.stutzeri W12的成膜能力优于异养硝化-好氧反硝化模式菌P.denitrificans DSM413。3.通过实验室模拟装置Setup1（包含反应器Blank、Raw及PCC）初步探索不同营养条件及挂膜方式下生物膜反应器对氨氮污染水体的净化效果。利用T-RFLP技术和NMDS分析方法对生物膜反应器氨氮转化过程中微生物群落结构及其演替过程进行动态解析。Setup1运行结果显示,改变C/N=2:1后,Raw和PCC的NH₄⁺-N去除率均在95%以上;NMDS分析结果显示Raw与PCC的群落结构在C/N=2:1时具有较高的相似性,优势菌群主要为γ-变形菌纲（γ-Proteobacteria）、放线菌纲（Actinobacteria）和硝化螺菌纲（Nitrospira）,C/N是影响生物膜反应器氨氮去除效果及驱动生物膜反应器中细菌群落结构发生改变的重要因子;由于反应器系统中土著微生物的竞争性抑制作用,初始固定的外源微生物Paracoccus denitrificans PD1222的优势地位被取代,土著功能微生物的降解能力被放大。4.基于以上研究结果,利用细胞固定化技术将Pseudomonas stutzeri W12与生物膜技术相结合,通过实验室模拟装置Setup2（包含反应器Blank、Raw、DSM413及W12）探索土著微生物在强化的生物膜技术应用中的可行性;同时研究了C/N、DO及HRT对反应器运行效果的影响,并同步对反应器系统内微生物群落结构进行了动态解析。主要结论如下:（1）在C/N=2:1、DO 3-5 mg/L及HRT=20 h的参数下启动模拟装置Setup2,Raw、DSM413与W12运行稳定后对NH₄⁺-N的去除率分别为96.0%、97.07%和96.47%,均优于Blank;此外,生物膜反应器W12对TN的去除率显著优于Raw与DSM413。利用T-RFLP对菌株的固定效能进行研究得出,生物膜反应器运行稳定后固定化的Pseudomonas stutzeri W12与Paracoccus denitrificans DSM413均可在生物膜系统中稳定定殖,其在生物膜中的相对丰度分别为20.36%和6.0%,体现了土著微生物Pm.stutzeri W12在强化的生物膜技术应用中的优势,一定程度上克服了外源菌剂易流失以及与环境不兼容的问题。（2）不同C/N对生物膜反应器运行效果的影响表明,3个生物膜反应器在C/N为1:1和2:1条件下对NH₄⁺-N去除率均高于C/N=4:1条件;C/N为4:1时各反应器对TN的去除效率最高,且生物膜反应器W12对TN的去除效果优于Raw与DSM413。（3）分析不同DO浓度下反应器运行效果可知,生物膜反应器的最优DO浓度范围为3-5 mg/L,调节DO浓度至1-2 mg/L范围内时会同时对硝化作用与反硝化作用产生抑制。（4）不同HRT下反应器运行效果表明,在HRT 20 h时各反应器系统内硝化活性最高,生物膜反应器Raw、DSM413与W12对NH₄⁺-N的转化率均大于96%,当HRT为15 h和10 h时3组生物膜反应器对NH₄⁺-N的去除效果差异不大,HRT=10 h时各生物膜反应器的TN去除率最高,进一步缩短HRT至5 h时各反应器对NH₄⁺-N及TN的去除效率同步下降。综上可知,C/N、DO和HRT是影响生物膜反应器运行效果的重要因子。在C/N=2:1、DO 3-5 mg/L及HRT 20 h的运行参数下生物膜反应器的硝化活性最高,此时生物膜反应器Raw、DSM413及W12对氨氮的去除率分别为96.0%、97.07%和96.47%。（5）利用Illumina HiSeq高通量测序技术对反应器运行过程中微生物群落结构进行分析。结论如下:C/N、DO及HRT均是驱动生物膜反应器细菌群落结构发生改变的主要因子。不同运行参数下3个生物膜反应器生物膜中的微生物多样性显著高于水体。变形菌门（Proteobacteria）在反应器水体和生物膜中占绝对优势,α-变形菌纲（α-Proteobacteria）、β-变形菌纲（β-Proteobacteria）、γ-变形菌纲（γ-Proteobacteria）及放线菌纲（Actinobacteria）在生物膜中普遍存在且具有较高的丰度。不同运行条件下、不同反应器中微生物群落结构的演替规律表明,生物膜反应器中硝化作用主要由β-变形菌纲（β-Proteobacteria）和γ-变形菌纲（γ-Proteobacteria）的细菌完成,反硝化作用主要由α-变形菌纲（α-Proteobacteria）细菌完成。根据生物膜反应器运行效果与微生物群落结构推测本实验反应器系统中硝化作用可能由自养细菌和异养细菌协同完成,好氧反硝化可能是反硝化的主要形式之一。