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近年来,随着人们生活水平的提高,对海产品的需求量增大,工厂化循环水养殖蓬勃发展。在循环水养殖中,多采用生物方法去除有机物和氮盐等有害物质,其中生物膜法因其具有高效的微生态系统和强抗冲击能力等诸多优势而获得广泛应用,移动床生物滤器(MBBR)是循环水养殖系统水处理过程中的核心单元。地下海水水质良好且供水稳定,是我国海水工厂化养殖的重要水源之一,由于地下水还原性强,且具有较低的p H,使得地下水铁锰离子浓度远高于海水中铁锰离子浓度。水中铁锰离子的存在可能会刺激微生物产生应激反应,从而改变胞外聚合物组分特征,影响生物膜系统传质性和稳定性,进而影响生物滤器的运行效率。有数据显示很多地区地下海水铁离子浓度在8～10mg/L,个别达到30.05mg/L,部分地区锰离子浓度达到7～8mg/L。因此,本文通过动态测定人工模拟海水移动床生物滤器在不同铁锰离子浓度下水质处理效果,探究铁锰离子对海水移动床生物滤器生物膜成熟过程和运行效率影响;利用理化分析和高通量测序技术研究铁锰重金属离子对MBBR生物膜EPS组分、含量及微生物群落结构特征的影响,进而解析铁锰重金属离子影响生物滤器成熟和运行效率的生态学机制,以期为复杂水质条件下高效生物滤器的研制提供参考。本论文实验研究结果表明:(1)通过定期监测MBBR生物反应器在启动挂膜过程和成熟后水体中氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝酸盐氮(NO3--N)的含量变化,探究MBBR在不同浓度铁锰离子养殖废水环境下生物膜成熟过程和运行效率。试验结果表明,该实验系统能在PPC填料载体上成功培养出生物膜;在Fe3+实验组,养殖废水中三类无机氮盐的处理效果随着Fe3+浓度增加而增加,其中8mg/L Fe3+浓度组率先挂膜成熟,第7周期的第一天去除率达到79.5%,相较于空白组高出23%;在Mn2+实验组,5组系统自然挂膜稳定的时间分别为第10、6、10、9和11周期,且氨氮的周期降解实验结果说明,1mg/L Mn2+有助于生物膜的形成和提高废水处理效果,而8mg/L Mn2+明显抑制了生物膜的生长和活性。(2)填料挂膜成熟后24h水质连续监测结果表明:8mg/L Fe3+浓度组微生物降解活性最高,第18h NH4+-N即可完全去除,较空白组相同时间处理效率高35%;空白组、1mg/L Mn2+浓度组、8mg/L Mn2+浓度组NO2--N达到最高值的时间分别为18h、13h和21h,1mg/L Mn2+浓度组在第15h NH4+-N即可完全去除,去除率分别比空白组及8mg/L Mn2+浓度组高出31.64%和42.76%。(3)Fe3+和Mn2+可以通过影响微生物生理或者间接影响EPS组分对生物膜活性产生重要作用。生物膜EPS组分分析结果表明,Fe3+的浓度不同可显著提高生物膜的EPS总量,且随Fe3+浓度增加而增加,五组的EPS总量分别为155.7mg/g、167.45mg/g、184.44mg/g、195.70mg/g和212.06mg/g,Fe3+在8mg/L时最有利于EPS的形成;而在Mn2+实验组表现为低促高抑的趋势,低浓度(1～2mg/L)Mn2+会显著刺激黏附型EPS的大量分泌(P<0.05),这为微生物提供缓冲保护层,不仅有助于生物膜的形成还可以使得系统能在短时间内适应环境的变化,但是Mn2+在8mg/L浓度会对微生物产生显著的毒性效应,EPS分泌总量低于空白组36.89%。(4)通过分组对比空白对照组和8mg/L Fe3+浓度组、1mg/L Mn2+浓度组及8mg/L Mn2+浓度组中生物膜微生物群落的差异,进而解析铁锰离子影响生物滤器成熟和运行效率的生态学机制,结果表明,铁锰离子对MBBR中微生物群落结构有一定影响,其中8mg/L Fe3+浓度组OTUs数量比空白对照组高出20.10%,且Simpson指数、Shannon指数、Chao 1和ACE指数均高于空白对照组,所以Fe3+的投加使得生物膜具有更高的微生物群落多样性,另一方面,变形菌门(Proteobacteria)细菌和浮霉菌门(Planctomycetes)得到了显著富集,从而使其系统具有更强的抗外界干扰和环境的适应能力以及较高的氮代谢水平;1mg/L Mn2+浓度组菌群多样性指数高于空白对照组,且假交替单胞菌(Pseudoalteromonas)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌属(Genus of Nitrospiraceae)丰度较高,有利于生物膜结构的稳定和硝化反应的进行;而8mg/L Mn2+组多样性指数最低,且增加了弧菌属(Vibrio)、拟杆菌属(Bacteroides)等条件致病菌的丰度,不利于生物膜的结构和功能的稳定。Fe3+及低浓度Mn2+提高了微生物群落多样性,强化了MBBR高效的脱氮性能。实验研究表明,当ρ(Fe3+)<8 mg/L时,生物滤器不但没有受到抑制反而表现出更高的稳定性和高效性;Mn2+对生物滤器表现为低促高抑的趋势,当ρ(Mn2+)=1mg/L时,生物滤器水质处理效果最优,超过该浓度会对微生物产生毒性效应。