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国内外很多地区地下水存在锰浓度超标的问题,生物滤池除锰是地下水净化中的一项重要工艺。生物滤池生物膜微生物组在除锰过程中发挥重要作用,进水水质、运行参数以及滤料特征等因素会影响生物膜形成及锰去除效能。该工艺在实际运行中已经比较成熟,但依然面临一些问题待优化,例如生物滤池启动初期,生物膜形成所需时间较长;生物滤池稳定运行阶段可能出现进水浓度波动,会影响生物滤池的稳定性。因此探究寡营养环境中生物滤池生物膜微生物群落的演替过程及如何快速、长期维持锰氧化性能显得十分重要。本文利用高通量测序手段及宏基因组学方法,结合生态网络分析,探究了生物滤池对锰负荷的自适应机制,解析了滤料类型对生物膜微生物群落演替的影响,深入挖掘了影响微生物群落多样性、功能多样性及种群互作关系的关键因素,揭示了氮锰共去除的生物学机制。具体研究内容及取得成果如下:首先,解析了生物滤池稳定运行期的生物膜微生物群落对持续增加锰（Mn（II））负荷的自适应机制。当进水Mn（II）浓度从2 mg/L增加到4 mg/L,生物滤池的Mn（II）去除效率仍保持在99.8%,但随着滤速的升高,Mn（II）去除率显着降低（50.1–58.5%）。微生物群落的典范对应分析（CCA）表明,局部Mn（II）浓度和生物滤池深度会影响生物膜微生物群落组成。生物膜的优势物种表现出明显的分层,滤池下层的微生物种间关系比上层更为复杂。假定的锰氧化细菌Hypomicrobium和Pedomicrobium在不同滤层深度处均为优势物种,其相对丰度未因进水Mn（II）浓度或滤速升高而发生明显改变。微生物共现网络结果表明生物滤池生物膜微生物组主要通过调节微生物的相互作用来抵抗Mn（II）负荷产生的干扰,锰负荷升高导致与锰浓度显著相关的模块特征基因数量下降。稀有物种Candidatus Entotheonella palauensis被鉴定为模块中心,这意味着低丰度物种在维持生态系统稳定中起重要作用。此外,通过对锰氧化细菌的富集培养,发现营养条件是影响功能微生物组成的重要因素。与填料共培养的实验表明生物作用促进了锰氧化物的形成,而锰氧化物的积累可以增强生物滤池对锰负荷冲击的耐受力。因此,优化滤料和锰氧化微生物共培养的适配性是强化生物滤池除锰的一个重要策略。进一步分析了滤料类型（磁铁矿和锰砂）对反应器启动初期的除锰效能及生物膜微生物群落形成的影响。锰砂滤料具有较强的物理化学作用,初始阶段锰砂反应器的Mn（II）去除率在40%-91.2%之间,磁铁矿反应器没有Mn（II）去除。虽然锰氧化物在锰砂反应器中的积累量远高于磁铁矿反应器,但在反应器运行至32天,随着磁铁矿反应器内功能微生物富集,其对锰的去除率高于锰砂反应器。反应器稳定运行80天后,两者具有相似的Mn（II）去除率（94.13%和99.16%）。锰砂反应器不同滤层深度处的Mn（II）去除率随运行时间发生明显变化,上层滤料对Mn（II）氧化的贡献逐渐增加。随着反应器运行,两个反应器微生物群落中共有的OTU数量增加,微生物群落结构逐渐趋同,上层滤料的群落结构尤为相似。丰度较高的锰氧化微生物包括:Pseudomonas,Hyphomicrobium,Pedomicrobium及Leptothrix。其中,Hyphomicrobium和Pseudomonas分别是锰砂和磁铁矿反应器中的优势物种。共现网络分析表明锰砂反应器生物膜微生物种间互作关系比磁铁矿反应器更复杂,意味着滤料实质上影响了生物滤池生物膜微生物组形成。因此,磁铁矿和锰砂混合的生物滤池可能是快速启动除锰滤池的最佳方法。再次探究了氨氮浓度对生物滤池除锰效能及微生物组演替的影响,基于宏基因组结果解析了氮锰共去除机制。氨氮加入前后,磁铁矿反应器中Mn（II）去除率在38.18%-88.08%之间波动。未加入氨氮前,锰砂反应器锰去除率为99.05%,进水氨氮浓度为3.5 mg/L左右时,锰去除率降至57.38%,相关性分析表明出水锰浓度与进水氨氮正相关,与p H负相关。硝化作用是生物滤池中氨氮转化的主要途径。在氨氮转化的过程中存在氮损失,磁铁矿和锰砂反应器氮的最高去除率分别达到33.89%和35.32%。厌氧氨氧化细菌的富集暗示厌氧氨氧化过程是氮损失的主要原因。除硝化细菌和厌氧氨氧化细菌外,生物滤池中存在高丰度的完全氨氧化细菌属（comammox）,其氨单加氧酶蛋白全部属于clade A分支,研究表明磁铁矿更利于comammox微生物的富集。锰砂滤池可以实现Mn（II）和低浓度氨氮同步去除,Hyphomicrobium spp.是生物滤池中丰度较高的假定锰氧化菌,其相对丰度随反应器运行时间延长而降低。锰氧化细菌Leptothrix与反应器运行时间成正相关,进水氨氮造成的环境压力可能是Leptothrix富集的主要因素。宏基因组分析表明生物滤池中存在丰富的锰氧化蛋白,在注释到的十种已知锰氧化蛋白中,Mox A、Cue O和Cot A蛋白酶的丰度相对较高,滤层深度处无明显差异,且未受氨氮浓度影响。以上研究结果表明生物滤池生物膜微生物组通过改变微生物群落多样性及复杂的种间关系来响应环境变化。此外可以利用滤料类型的特征差异对功能微生物组进行定殖调控。