自然系统和人为活动均会产生水体硒污染。水体中的硒主要存在形态为六价的硒酸盐(SeO₄^2-)和四价的亚硒酸盐（SeO32-）。这两种硒盐具有极强的水溶性和生理毒性。相反,元素态硒（Se0）不溶于水,可以通过离心或者过滤去除。Se042-的微生物还原是一种简单有效的水体硒污染控制方法,在该生物还原过程中,微生物会利用不同电子供体,将SeO₄^2-还原为SeO32-,并进一步将SeO32-还原为Se0。氢气（H₂）和甲烷（CH₄）作为水体厌氧生物处理中间产物,价格低廉,近年来被广泛地应用水污染生物修复研究。该过程中,微生物利用H₂和CH₄为电子供体,氧化态污染物为电子受体,驱动污染物的生物还原。膜生物反应器（Membrane biofilm reactor,MBfR）是一种去除废水中SeO₄^2-的理想工艺,H₂或CH₄可以通过中空纤维膜传输给附着在膜上的微生物,从而供给充足的电子。本文研究了 H₂/CH₄-MBfR还原Se042-的微生物学过程,探究了不同负荷条件下NO₃^-和SeO₄^2-的还原动力学及还原过程相互作用;通过设计特异性硒酸盐还原菌（Selenate-reducing bacteria,SeRB）引物,进一步研究了不同条件下的SeRB微生物生态结构,阐明了 H₂/CH₄-MBfR中,SeO₄^2-生物还原的过程机理,揭示了NO₃^-对SeO₄^2-还原的影响机制。主要结论如下:1)H₂/CH₄-MBfR中Se042-生物还原过程H₂-MBfR中主要由氢自养型SeRB或反硝化菌（Denitrifying bacteria,DB）以H₂作为电子供体驱动SeO₄^2-的还原。SeRB如Thauera selenatis能通过特异性的硒酸盐还原酶驱动SeO₄^2-的还原。DB可以通过硝酸盐还原酶将SeO₄^2-经SeO32-最终还原为Se0。首次证实了微生物能够以CH₄作为唯一的电子供体驱动SeO₄^2-的生物还原。CH₄-MBfR中SeO₄^2-生物还原过程包括好氧甲烷氧化耦合硒酸盐还原（Aerobic oxidation of methane couple to selenate reduction,AOM-SeR）和厌氧甲烷氧化耦合硒酸盐还原（Anaerobic oxidation of methane couple to selenate reduction,AOM-SeR）。OM-SeR可能由好氧甲烷氧化菌与SeRB协同作用完成,也可能由好氧甲烷氧化菌独立进行CH₄氧化和SeO₄^2-的还原。AOM-SeR则由古菌和细菌的协同作用完成:古菌如ANME通过逆向产甲烷途径活化CH₄,将电子传递给SeRB,SeRB 驱动 SeO₄^2-的还原。利用扫瞄电子显微镜-X射线能谱（SEM-EDS）和X射线光电子能谱（XPS）分析发现,SeO₄^2-还原的终产物是纳米态的Se0。该纳米态硒为直径300-500nm的球状颗粒,具有极好的光学特性,在纳米科技行业具有一定的应用前景。2)H₂/CH₄-MBfR中NO₃^-和SeO₄^2-还原相互作用在H₂-MBfR中,当SeO₄^2-为唯一电子受体时,进水中40%的SeO₄^2-被还原为Se0;进水含高负荷的NO₃^-（10mgN/L）时,H₂供给受限,SeO4O-的还原被严重抑制,NO₃^-也未能全部被还原。进水NO₃^-负荷重新为零时,SeO₄^2-的还原率很快恢复并随后增加至60%。之后,低负荷的NO₃^-（<5mgN/L）未能改变SeO₄^2-的还原率（稳定在60%）,NO₃^-还原率为100%。在CH₄-MBfR中,当SeO₄^2-为唯一电子受体时,进水中100%的SeO₄^2-被还原为Se0；进水含一定负荷的NO₃^-（2.2mg/LNO₃^--N）时,SeO₄^2-仍能被完全去除,但<25%的SeO₄^2-不能被彻底还原为Se0,此时NO₃^-还原率为100%。进水含高负荷的NO₃^-（10mgN/L）时,CH₄供给受限,SeO₄^2-和NO₃^-仍同步被还原,但SeO₄^2-去除率降至60%,NO₃^-的去除率降至70%。3)基于硒酸盐还原酶基因的硒酸盐还原菌定量及微生物生态结构通过文献检索比对,基于Dechloromonas sp.A34（GeneBank accession ACV70151）和Thauera selenatis（Q9S1H0）菌硒酸盐还原酶基因（selenate reductase gene,serA）,设计了特异性引物以检测SeRB。该引物序列为serAF（5’-CCGCTCAAGTCCTATCCCTAC-3’）与 serAR（5’-ATACTCGCTCACCTGCTCCTC-3’）利用该引物对H₂-MBf 生物膜做 PCR扩增,成功扩增出了ser 目的条带。通过构建克隆文库,发现serA基因扩增序列与 SeRB Thauera selenatis、DB Dechloromonas 的serA序列非常相近。利用该基因对serA基因进行荧光定量PCR扩增,发现这两类微生物是H₂-MBfR生物膜中负责SeO₄^2-还原的主要微生物。进一步通过高通量测序分析发现,在H₂-MBfR中,氢自养反硝化菌Hydrogenophaga与NO₃^-的通量密切相关。高丰度的Hydrogenophag功表明其可能在氢自养型Se042-还原过程中起到了重要作用。此外,高负荷NO₃^-的引入显著并长期地改变了膜上微生物群落。在CH₄-MBfR中,Methylomonas（γ-Proteobacteria）在生物膜中占主导,由于Methylomonas在低氧条件下具有独立执行CH₄氧化和NO₃^-还原的能力,并考虑到硝酸盐还原酶具有还原SeO₄^2-的功能,推测出第一种机制:Methylomonas独立执行CH₄氧化和SeO₄^2-的还原;由于在膜上同时检测出SeRB如Comamonadaceae和Azospira,提出第二种机制:甲烷氧化菌如Methylomonas活化CH₄,将电子以中间代谢产物的形式传递给SeRB,从而驱动SeO₄^2-还原。