高污染河水具有有机污染物、氮磷浓度高等特点,利用人工湿地对其处理具有处理效果好、能耗低以及环境友好等优点,已在国内外被广泛推广和应用,特别是垂直流人工湿地在处理高污染河水方面更加受到重视。目前,大部分相关研究主要集中在处理效果的分析研究上,对垂直流人工湿地内部微生物种群结构特征的研究相对较少,对湿地处理的内在本质特征缺乏足够的了解,有必要对湿地微生物群落结构特征与去污效果的相关关系进行深入研究。本项研究在分析垂直流人工湿地去除高污染河水中有机污染物和脱氮除磷的效果及其规律的同时,探究了微生物在湿地系统中的去污作用机理,除对垂直流人工湿地系统中进出水常规水质指标进行为期11个月的水质监测外,还采用PCR-DGGE技术对湿地微生物进行分析。使用通用引物(BAC 338F GC和BAC 805R)对16S r DNA V3~V5区基因片段进行扩增,研究了处理高污染河水垂直流人工湿地内部基质和根际微生物群落特性,并分析了湿地微生物群落结构特征与去污效果相关关系。研究结果表明:(1)垂直流人工湿地可有效去除污水中的有机污染物,其对COD、BOD5的去除率分别为72.59%~95.88%和85.00%~99.27%;湿地系统对COD的去除效果在夏秋季较好,春冬季较差,对BOD5去除效果较为稳定;湿地系统可高效去除污水中的SS,其年平均去除率为98.48%,最高可达100%,并可有效去除悬浮态的有机污染物。(2)垂直流人工湿地对TN和NH3-N的去除率分别为23.19%~91.95%和30.84%~99.59%,其去除效果随季节变化呈现先升高后稳定、再降低的趋势;温度和溶解氧是影响湿地系统内部脱氮效果的重要因素,其可直接影响微生物的氨化、硝化和反硝化过程。(3)湿地系统对TP和PO43--P的去除效果较好,其年平均除磷效率分别为88.28%和84.23%;春、夏、秋季时其去除率较为稳定,且处于较高水平,冬季湿地内部受芦苇收割的影响,其去除效果略有下降。湿地系统对磷的去除效果受温度变化的影响较小。(4)湿地系统中基质微生物群落多样性随基质深度的增加先增大后减小,根际微生物群落多样性逐层递减,同一垂直深度根际微生物群落多样性均高于基质微生物;根际微环境刺激了严格好氧菌Acinetobacter tjernbergiae(不动杆菌属)的出现,证明根系具有泌氧功能。(5)聚类分析表明湿地系统中微生物群落相似度较高,并随深度增加依次递减。测序结果表明湿地系统中拟杆菌门和变形菌门在系统发育树中分别显示出高度序列同源性,其中优势菌属为Flavobacterium branchiophilum(黄杆菌属)、Thiobacillus denitrificans(脱氮硫杆菌)和Uncultured Desulfuromonas sp.(除硫单胞菌属)。(6)湿地系统上、中层广泛分布着好氧菌Flavobacterium sp.(黄杆菌属)和Sporocytophaga sp.(生孢噬纤维菌属);湿地内部出现了大量的脱硫菌uncultured Thiobacillus sp.(硫杆菌属)、Thiobacillus denitrificans(脱氮硫杆菌)和Uncultured desulfuromonas sp.(除硫单胞菌属),表明湿地进水中富含硫化合物,其对湿地硝化具有抑制作用,并出现了大量的脱硫功能菌。