废水生物处理法已成为控制水污染的主要手段，废水生物反应器的稳定性和效率在很大程度上取决于微生物群落的结构和功能。在本研究中，以好氧悬浮填料生物膜和厌氧颗粒污泥为实验对象，应用变形梯度凝胶电泳(DGGE)指纹分析、荧光原位杂交技术(FISH)和环境扫描电镜(ESEM)研究不同环境条件下微生物形态、微生物群落结构与硝化细菌的相对丰度。　　采用ESEM技术表征厌氧颗粒污泥和悬浮填料生物膜的微生物群落形态，并与传统的扫描电镜(SEM)结果进行了比较分析。结果表明，ESEM观察悬浮填料生物膜的适宜观察条件为:滤纸吸去样品表面水分，样品台温度5℃，样品室汽压5.91×102 Pa，相对湿度75％，加速电压15.00 kV。由于样品经过脱水和干燥处理后容易变形，并且喷金镀膜的不均匀性导致生物膜内部的致密菌群导电性不佳，从而影响SEM照片的清晰度。因此在合适的观察条件下，ESEM与SEM更能真实地表征原始的生物膜微生物群落形态。研究也显示不同基质浓度形成的生物膜具有不同的微生物形貌特征，高基质浓度下形成紧密的薄生物膜，低基质浓度下形成的生物膜中存在大量的丝状菌，从而导致生物膜松散、厚度大。　　ESEM观察厌氧颗粒污泥的适宜观察条件为:滤纸吸去样品表面水分，样品台温度0℃，样品室汽压7.00×102 Pa，相对湿度100％，加速电压10.00 kV。颗粒污泥在ESEM的入射电子束的轰击下易收缩变形，故ESEM直接观察时难以得到其真实形貌，而通过锇酸或者戊二醛等固定剂进行化学固定，并且降低加速电压，缩短观察时间可获得其原始形貌的照片。ESEM与SEM的结合运用可为厌氧颗粒污泥提供互补的微生物形态信息。　　同时，本文利用16S rRNA基因片段PCR产物的DGGE技术分析了厌氧产甲烷反应器小试装置中不同运行状态下厌氧颗粒污泥微生物群落结构。不同取样位置的厌氧污泥微生物群落分析结果表明，上层和中层污泥的微生物群落结构更为相似。从间歇式到连续式进水方式的改变不会对古细菌群落结构产生明显变化，但进水方式的改变明显影响了细菌群落结构，尤其是底层污泥。随着反应器运行温度的降低和运行时间的延长，细菌群落结构相对于古细菌群落更为稳定，可见细菌群落对低温环境条件的适应性更强，而古菌群落则对其相对敏感。　　厌氧颗粒污泥中细菌群落多样性明显高于古细菌群落。将古细菌DGGE图谱中9个条带切胶测序，结果表明本研究中的小试厌氧产甲烷反应器内，古细菌的主要种类有甲烷食甲基菌属（Methanomethylovorans），甲烷绳菌属（Methanolinea），Methanoregula boonei，巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）和亨盖特甲烷螺菌（Methanospirillum hungatei），其中与氢营养型产甲烷菌Methanospirillum hungatei相似的菌种占优势地位。　　其次，本文利用16S rRNA基因片段PCR产物的DGGE技术研究了进水水质特性对好氧悬浮填料生物膜反应器中微生物群落结构的影响。好氧悬浮填料移动床生物膜反应器可高效去除COD(92.0-98.5％)，并保持较高的同时硝化反硝化效率(＞90.0％)。进水碳氮比同为20时，各反应器出水氨氮(NH4-N)浓度随着运行时间逐渐降低，氨氮氧化率与其进水NH4-N浓度成正比。碳氮比为4.5-13.4时，好氧MBBR反硝化效率几乎达到100％，但硝化效率为41.1％-72.4％，无亚硝酸盐积累，并且硝化效率随着碳氮比降低而逐渐下降。　　好氧悬浮填料移动床生物膜反应器中进水基质变化会引起相应的微生物群落结构变化，但微生物群落能够在一定程度上适应进水水质变化从而保持相对稳定的反应器性能。进水碳氮比相近条件下形成的生物膜具有相似的微生物群落结构，进水碳氮比为8.9-13.4时，生物膜菌群种类数量最多、多样性最高。好氧悬浮填料生物膜细菌DGGE图谱中条带切胶测序，结果表明本研究中小试好氧生物膜反应器内细菌的主要种类有Zoogloea，Hydrogenophaga，Lactococcus，Spirosoma,Rhizobium, Runellalimosa, Dokdonella,Acidovorax,Agrobacterium tumefaciens和Sphaerotilus等，其中与Zoogloea，Hydrogenophaga，Rhizobium，Runella limosa和Acidovorax相似的菌种占明显优势地位。DGGE条带序列分析结果显示了反硝化细菌Hyphomicrobium spp.，Agrobacterium tumefaciens和Rhizobium sp.的存在，这意味着生物膜可能同时存在好氧反硝化和缺氧反硝化作用，因此推测生物膜内溶解氧浓度梯度和好氧反硝化细菌的存在可能为好氧悬浮填料生物膜反应器同时硝化反硝化作用的发生机制。　　最后，本文利用荧光原位杂交技术(FISH)对好氧移动床生物膜反应器内硝化细菌进行了定量分析，结果表明合理控制碳氮比来优化微生物群落结构有利于提高同时硝化反硝化效率，从而使脱氮性能最佳化。FISH分析结果显示悬浮填料生物膜上细菌主要由α-，β-和γ-变形菌纲的变形菌门细菌组成，其中β-变形菌为优势菌群。β-变形菌纲AOB数量百分比与进水氨氮浓度成正关联，然而氨氮和亚硝酸盐浓度对Ⅳitrospira属NOB细菌相对丰度有着负影响。随着氨氮浓度增加，生物膜内硝化细菌的相对丰度增加，硝化作用也增强。B-变形菌属AOB和Nitrospira属NOB在总细菌数量中的相对丰度随着碳氮比降低而升高。这与氨氮负荷不变的情况下COD负荷降低造成微生物生长所需的碳源减少，异养细菌数量相应减少，从而使得硝化细菌在生物膜微生物群落中的比例增加有关。推测氧气消耗以及传质阻力引起的异养细菌与硝化细菌之间的溶氧竞争，以及高氨氮负荷导致的高浓度游离氨对硝化细菌的抑制作用，是硝化细菌相对丰度升高，硝化效率反而降低的原因。