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本研究通过在实验室模拟典型污水处理系统,分别研究Cu2+、Hg2+、Ag+三种重金属在短期冲击、长期冲击和恢复条件下对系统常规污染物处理性能、关键性微生物酶活、胞外聚合物分子量与组分以及微生物多样性和群落结构等的影响。拟从多水平和多角度阐明反应器处理效能与微生物驱动反馈机制之间的密切关系。研究主要得出以下结论:(1)短期冲击实验结果表明,Cu2+、Hg2+、Ag+三种重金属在低浓度(<0.08mM)时对SBR系统的处理效率无显著影响。但随着冲击浓度的增加,DOC、NH4+-N、PO43--P的去除率逐渐降低,其中Hg2+对系统性能的影响更明显。活性污泥比耗氧速率和微生物酶分析数据表明微生物脱氢酶活性sDHA和三磷酸腺苷ATP含量变化与DOC去除率有相关性;重金属影响系统脱氮能力的原因与生物脱氮关键酶受抑制有关。较高浓度的重金属(>0.11mM)冲击后会对细胞造成氧化损伤,但微生物细胞表面的完整性未受到明显破坏。综合短期冲击数据,选取Cu2+、Hg2+、Ag+三种重金属长期冲击浓度分别为0.05mM、0.01mM和0.02mM。(2)长期冲击对反应器常规污染物处理性能的影响实验结果表明,从冲击第3d开始,反应器DOC、NH4+-N、PO43--P去除率逐渐降低。典型周期内水质变化情况表明,Cu2+对系统DOC去除率影响最为严重。Cu2+、Hg2+对氨氮氧化过程有明显的抑制,而Ag+主要抑制亚硝酸盐氧化过程。Cu2+对释磷和吸磷过程都有抑制作用,Hg2+、Ag+的影响不明显;冲击恢复期的数据显示,停止投加重金属60d后,系统对DOC和PO43--P的去除性能完全恢复,受Hg2+冲击的反应器NH4+-N处理性能基本恢复,但Cu2+和Ag+冲击反应器的脱氮能力逐渐恢复,仍未完全恢复到冲击前水平。(3)长期冲击对活性污泥胞外聚合物的影响实验结果表明,Cu2+、Hg2+、Ag+三种重金属冲击后胞外聚合物有机碳含量均有所升高,在分子量分布变化上,SMP中大分子生物聚合物含量增加,EPS中腐殖质类物质和Building blocks类物质增加。不同重金属对SMP及EPS中组分的影响不同。三维荧光光谱分析结果显示,Cu2+对SMP影响最严重,Hg2+对EPS的影响最明显。恢复期活性污泥系统胞外聚合物组分与水平逐渐恢复,在恢复60d时基本恢复至与对照组相似水平。(4)长期冲击对微生物活性与细胞毒性相关酶活的影响实验结果表明,Cu2+、Hg2+、Ag+长期冲击使微生物脱氮相关的酶活受到了不同程度地抑制,其中Cu2+的影响最显著。表征细胞毒性的酶活结果表明,随着持续冲击条件下重金属离子的累积,细胞ROS水平持续增长,尤其是Cu2+和Ag+冲击组表现更明显。同时抗氧化应激酶活性随ROS水平相应升高。受Cu2+冲击30d后,细胞LDH释放量明显增加,即细胞表面完整性受到损伤。对活性污泥形貌进行SEM扫描电镜观察分析发现,冲击前污泥表面完整紧密,以球菌为主。受到重金属离子冲击后,细胞表面变粗糙,菌团变得松散,以杆菌、丝状菌居多。随着重金属在系统中的积累,Cu2+和Hg2+冲击恢复15天时,仍能观察到细菌表面凹凸不平,部分细胞有明显破裂。(5)长期冲击对微生物多样性和群落结构的影响实验结果表明,Cu2+冲击组在冲击15d和30d时,样品中操作分类单元OTU数明显减少;Alpha多样性分析结果显示Chaol指数、ACE指数、Shannon指数明显减小,说明Cu2+使系统微生物群落丰富度及多样性明显降低,而恢复期,多样性逐渐恢复;Beta多样性分析结果显示,Cu2+冲击15d、30d和Ag+恢复60d样品物种组成与其他组差异性较大;基于OTU丰度的主成分分析也发现,Cu2+冲击组样品在冲击前后群落组成变化最大,且在冲击15d和30d时变化最显著。同时,重金属长期冲击后微生物群落结构发生了显著的变化。在门分类水平上,样品中主要以变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)为主,在冲击恢复60d时冲击组中优势菌门相对含量明显减少,而放线菌门(Actinobacteria)细菌含量增加。而在属的分类水平上,冲击15d时,重金属冲击组优势菌菌胶团(Zoogloea)明显减少,且在冲击15d和30dCu2+冲击组线虫共生菌(Candidatus_Xiphinematobacter)属和拟衣藻属(Dechloromonas)含量增多。