近年来,含氮污染物逐渐凸显为主要水体污染物,去除硝酸盐和亚硝酸盐(氧化态污染物)势在必行。全国实施“控源减排”后,水体有机污染得到有效控制,水体中C/N比大幅降低,对此常规硝化反硝化工艺已显乏力。生物阴极可直接提供电子弥补废水反硝化过程中碳源不足的问题,并避免投加碳源带来的二次污染。本论文通过研发新型生物电极脱氮工艺,破解了低碳氮比废水生物脱氮困局;通过发掘新的菌种资源,揭秘了新的微生物营养类型;通过探明生物电极脱氮机理,推动了治污产电的理论创新。主要结论如下:1)培育了嗜电脱氮菌群,探究了其呼吸性能,获得了生物电极脱氮工艺的优质菌源。以异养反硝化菌作为接种物,通过逐步减少外源有机物的方式成功富集培育了可以利用电流作为电子供体的嗜电脱氮菌群,菌群颜色呈红色。对微生物群落结构分析发现,在富集培育嗜电脱氮菌群的过程中,微生物的多样性和均一性均有明显提升。Thauera丰度明显下降,Acholeplasma丰度显著上升,Acholeplasma成为嗜电脱氮菌群的优势微生物。进一步对嗜电脱氮菌群的呼吸性能研究发现,当电流作为唯一电子供体时,嗜电脱氮菌群的硝酸盐呼吸活性与电流密度呈正相关关系;嗜电脱氮菌群可以利用电流电子合成ATP,支持微生物的生长代谢。2)探究了基质浓度对生物电极脱氮工艺性能的影响,优化了工艺的营养条件,探明了工艺潜能。以富集培育的嗜电脱氮菌群为阴极微生物,启动运行生物电极脱氮工艺。通过反应动力学的研究发现,对于生物电极脱氮工艺,基于硝氮的动力学方程为r= 74.17 ×([S]-500)/(1894.03+[S]);基于电流的动力学方程为 r = 47.02/(1+1.99/[S]+[S]/158.71)。最适进水硝氮浓度以及电流大小分别为1500 mg/L与20 μA。嗜电脱氮菌群的反硝化功能基因会对基质浓度变化产生响应,在最适基质浓度下,功能基因的相对含量会显著上调,但在基质浓度过高而产生基质自抑制时,则会显著下调。3)探究了接种物对生物电极脱氮工艺性能的影响,优化了接种物选取策略,解析了内在的微生物机理。研究发现,以全程反硝化污泥、短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥作为接种物均可启动生物电极脱氮工艺。总氮去除速率分别为101.79 mg/L·d、47.31 mg/I·d和100.04 mg/L-d,输出功率分别为24.01 mW/m2,14.11 mW/m2 and45.93 mW/m2。基于不同接种物的生物电极脱氮工艺具有不同的性能。以废水脱氮为主要目的时,最适接种物是全程反硝化污泥;同时兼顾废水脱氮与能源回收时,最适接种物是厌氧氨氧化污泥。接种物提供的微生物种群以及电流电子对阴极微生物的选择性富集,是导致生物电极脱氮工艺性能差异的主要原因。Pseudomonas stutzeri是潜在的嗜电脱氮微生物,可以直接利用电流电子进行反硝化作用,并合成ATP支撑细胞生长。4)探究了嗜电脱氮菌群胞外电子传递方式,揭示了外源电子介体对生物电极脱氮工艺性能的影响,明晰了嗜电脱氮菌群功能基因的响应特征。通过对生物电极脱氮工艺阴极液电化学分析及代谢物分析发现,嗜电脱氮菌群可以分泌电子介体,传递电子的主要功能基团为含杂氮环或苯环,Nedifloramide是潜在的分泌物。电子介体传递是嗜电脱氮菌群胞外电子传递的重要方式。通过刺激应答实验发现,添加外源电子介体绿脓菌素,可以显著增强生物电极脱氮工艺的脱氮性能,且嗜电脱氮菌群的反硝化功能基因和与电子传递相关的细胞色素基因对其有正响应。5)探究了嗜电脱氮菌群微生物学特性,确定了嗜电脱氮微生物功能特征,推定了胞内胞外电子传递路径,探明了生物电极脱氮机理。长期运行试验发现,生物电极脱氮工艺可以耐受高浓度硝酸盐废水,并且具有稳定的脱氮性能。生物电极脱氮工艺的容积负荷为0.1kgN/m3.d,硝氮去除速率为100mg/L·d,亚硝氮积累速率为8.33mg/L·d,亚硝氮生成量占硝氮去除量的7%。Stappia indica是潜在的嗜电脱氮微生物。对嗜电脱氮菌群脱氮产能功能基因分析发现,NarG是嗜电脱氮菌群的特征性硝酸盐还原酶,与ATP分解和合成直接相关的无机焦磷酸酶、磷酸盐激酶含量显著高于化能营养型脱氮菌群。综合基因组与蛋白组的分析结果,推测嗜电脱氮菌群的电子传递方式可能有两种,一是利用TonB依赖型受体蛋白将分泌的电子介体传递至周质空间,进而通过LIV-I系统将电子介体传递至细胞膜内,电子最终传递至辅酶Q;二是利用TonB依赖型受体蛋白将电子介体传递至周质空间后,经甲酸脱氢酶将电子直接传递至周质空间的细胞色素c,或甲酸脱氢酶通过多种细胞色素将电子传递至辅酶Q。