厌氧氨氧化细菌广泛存在于自然生态系统中,是一类重要的化能自养型微生物,通过亚硝酸盐作为电子受体将铵盐转化成氮气,并从中获得能量。厌氧氨氧化工艺已被成功应用于废水生物脱氮处理,并体现了良好的脱氮能力,总氮去除率高达9.5 kg m-3 d-1,且具有运行成本低、脱氮负荷高、产泥量低、无二次污染的优点。悬浮态的厌氧氨氧化细菌在实际工程应用中流失量较高,颗粒化的厌氧氨氧化细菌可保留的污泥量高,抗冲击负荷强。厌氧氨氧化颗粒污泥呈深红色,富含丰富的铁元素。成熟的厌氧氨氧化细菌因其含有丰富的细胞色素也呈现深红色,俗称“红菌”。然而含量丰富的铁元素在厌氧氨氧化细菌中的功能作用目前的研究还十分空缺。本论文以颗粒化及单个厌氧氨氧化细菌的结构和功能研究为基础,研究了厌氧氨氧化细菌内铁的调控机制。本论文的主要研究内容和结果如下:为研究厌氧氨氧化颗粒污泥内部的微观结构,采用硬X射线断层扫描技术和Feldkamp重构算法,对厌氧氨氧化颗粒污泥的三维结构进行了无损成像和解析。得到了厌氧氨氧化颗粒污泥的三维结构及内部的孔隙结构特征,并对不同生长阶段的颗粒污泥三维结构进行了解析,得到了不同生长时期颗粒污泥的结构特征和群落结构演替规律。耦合基于全变分的同步代数重构算法和同步辐射软X射线成像技术对含水状态下完整厌氧氨氧化单个细菌的超微结构进行了无损成像,检测到了厌氧氨氧化体内对软X射线高吸收的纳米粒子的存在,其平均线性吸收系数分别为0.460±0.001μm-1。对厌氧氨氧化体内软X射线高吸收组分的化学成分进行探索,发现高线性吸收系数物质的主要成分是蛋白、多糖,此外还存在大量的铁元素,初步确定铁元素是以三氧化二铁形式存在。采用双能成像技术得到了厌氧氨氧化体内的纳米粒子富含铁元素,并得到了该富铁纳米粒子在厌氧氨氧化体内的分布。对厌氧氨氧化体进行全蛋白检测,发现厌氧氨氧化体内有能存储大量铁原子的铁存储蛋白Q1Q315和Q1Q5F8的存在,进而阐明了富铁纳米粒子的生物学意义。通过X射线精细吸收谱学得到了该富铁纳米颗粒结构与α-Fe2O3拟合度很高,并得到了该富铁纳米粒子的局域原子结构模型。对铁元素在厌氧氨氧化过程中的调控机理展开研究。铁元素在厌氧氨氧化颗粒污泥中发挥着重要作用。缺铁条件下,厌氧氨氧化细菌的生长及脱氮性能都受到显著抑制,参与厌氧氨氧化过程的主要酶:亚硝酸盐还原酶（Nir S）,联合合成酶（HZS）以及联氨脱氢酶（Hdh）的表达量下降。外加铁纳米颗粒作用下厌氧氨氧化颗粒污泥的孔隙率和基质扩散系数增加,导致更多的基质能进入到厌氧氨氧化颗粒污泥内部,厌氧氨氧化细菌可利用的基质增加,厌氧氨氧化体内有更多含铁的蛋白合成,参与厌氧氨氧化反应的关键酶的表达量上调,厌氧氨氧化过程增强。此外,外加铁元素作用下,厌氧氨氧化细菌内铁存储蛋白的表达量上调,可存储更多的铁元素。存储的铁元素保障了厌氧氨氧化细菌在铁不足或铁需求的情况下充足的铁供给,从而保障了厌氧氨氧化细菌内与厌氧氨氧化反应相关的含铁蛋白,如Nir S,HZS,Hdh。基于此得到了以铁存储蛋白为中心的铁元素对厌氧氨氧化过程的动态调节机制。