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木质素及其降解物是造纸废水的重要成分之一,具有复杂的苯环结构,传统生物处理对其降解耗时长、去除率低。电-微生物系统作为一种前景广阔的技术,在难降解有机废水处理领域(造纸废水、芳香类物质、酚类物质等)已有广泛的应用,但目前鲜有其应用在促进木质素降解及有关微生物群落结构变化的报道。本论文以木质素废水为研究对象,系统考察电流强度、电场作用方式、电极材料等因素对电极生物膜-活性污泥反应器处理效果、电极生物膜电化学特性、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和群落结构的影响,研究结论如下:(1)研究了电流强度对活性污泥法处理木质素废水运行效果、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和群落结构的影响。30 mA时,电极生物膜-活性污泥反应器(R3,I=10～60mA,悬浮污泥)的木质素去除率最高(30.19%±0.47%),分别为活性污泥反应器(R1,无电流,悬浮污泥)和电极生物膜反应器(R2,I=10～60mA,无悬浮污泥)的2.01倍和1.46倍。分析R1、R3悬浮污泥发现,外加电流升高不改变悬浮污泥的活菌比,木质素去除率受木质素过氧化物酶(LiP)活性影响不大;与低电流(10～30 mA)相比,高电流(40～60 mA)下悬浮污泥中C15:0 anteiso的含量降低,长链磷脂脂肪酸(C19、C20)的相对含量增加;R3的悬浮污泥中Flavobacterium、Pseudomonas、Janthinobacterium等可降解木质素的菌属在外加电流的刺激下,其相对丰度均有所上升。在电极微生物方面,与R3相比,R2阴极微生物中具有反硝化能力的Methyloversatilis成为优势菌属,阳极微生物中存在更多具有电子传递能力的菌属(Pseudomonas、Ralstonia)。RDA 分析表明,悬浮污泥中Mycobacterium(降解木质素的好氧细菌)丰度与电流(I)显著正相关(p<0.05),与不饱和脂肪酸(UFA)显著负相关(p<0.05)。(2)研究了电场作用方式对活性污泥法处理木质素废水运行效果、电极生物膜电化学特性、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和群落结构的影响。连续电场(continuous ON)和间歇电场(12 h-ON/12 h-OFF、2 h-ON/2 h-OFF)的电极生物膜-活性污泥反应器均能够提高木质素去除率,是活性污泥反应器(对照组,无电流)的2倍。其中,2 h-ON/2 h-OFF电场作用方式下的出水分子量最小(76 Da,67.63%),电极生物膜电阻最小(97Ω,94Ω);脱氢酶(DHA)活性、电子传递系统(ETS)活性和三磷酸腺苷(ATP)的浓度最高,分别是对照组的1.48、1.28和1.47倍。不同电场作用方式均未影响活性污泥微生物的活菌比,但影响活性污泥微生物的细胞膜磷脂组成。2 h-ON/2 h-OFF电场作用方式下,C16:0脂肪酸含量最高,其电极生物膜中可降解木质素的菌属Pseudoxanthomonas的相对丰度上升,Micropruina含量最高。连续直流电场作用方式下,C15:0 anteiso含量最高,细胞膜流动性最好,其活性污泥中富集了具有木质素降解能力的菌属Mycobacterium。RDA结果表明,Micropruina相对丰度与COD去除率显著正相关(p<0.05),Gp6相对丰度与木质素去除率显著负相关(p<0.05)。(3)研究了电极材料对活性污泥法处理木质素废水运行效果、电极生物膜电化学特性、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和群落结构的影响。在不同电极材料的电极生物膜-活性污泥反应器中,平均木质素去除率为:泡沫镍电极反应器(72.44%±2.58%)>石墨电极反应器(41.46%±1.40%)>钛电极反应器(27.34%±1.85%)>不锈钢电极反应器(26.63%±1.29%)。但泡沫镍电极反应器的活性污泥活菌比仅为43.43%±2.70%,是石墨电极反应器的55.73%;出水中镍离子浓度随时间不断升高(9.26～50.73 mg.L-1),污泥中氢氧化镍吸附是木质素主要去除方式之一。石墨电极反应器电极生物膜电阻最小(163Ω,130Ω)、活性污泥中ATP含量最高、ETS和LiP酶活性最高。钛电极和不锈钢电极反应器则具有较高的SOUR和DHA含量。电极材料影响活性污泥中微生物群落结构,石墨电极、钛电极和不锈钢电极反应器活性污泥微生物中均富集了Microbacterium、Microlunatus和Mycobacterium等木质素降解菌,泡沫镍电极反应器活性污泥微生物中的优势菌属为Dechloromonas和Siedimnibacterium。在电极生物膜中,石墨电极反应器电极生物膜上具有更多能够降解木质素的菌属,包括 Microlunatus、Hydrogenophaga、Microbacterium 和 Mycobacterium等。泡沫镍电极反应器中电极生物膜上富集了 Tessaracoccus、Methylobacterium和Cupriavidus等既具有木质素降解能力、又可耐受高浓度镍离子的菌属。RDA分析显示,泡沫镍电极反应器与COD和木质素去除率呈正相关,但与各项活性指标均呈负相关关系。(4)分析了直流电场对各实验组的强化效果以及活性污泥生理生化指标和细胞膜磷脂组成的皮尔森(Pearson)相关性,并基于活性污泥微生物和电极微生物的高通量测序分析结果构建微生物生态网络。综合考虑木质素废水的处理效果、极板的电化学性能(电阻)、微生物电子传递速率等特征,优选外加电流为30 mA、2 h-ON/2 h-OFF为电场作用方式、石墨为电极材料的电极生物膜-活性污泥反应器。虽然泡沫镍电极反应器具有最高的COD和木质素去除率,但由于泡沫镍电极腐蚀速度快、出水中镍离子浓度高(50 mg.L-1),对环境造成了危害,未来有待进一步研究优化。外加电流下,活菌比和SOUR与C12-SFA、C12-AFA、C16-UFA显著负相关(p<0.05)。DHA 与 C20-UFA 显著正相关(p<0.05),C18-SFA 与 ATP 显著正相关(p<0.05)。Network分析表明,活性污泥微生物网络图中Zoogloea为中心节点,在苯的生物降解中发挥重要作用。阴极微生物网络图中Bradyrhizobium、Thauera、Brevundimonas被确定为关键物种,具有降解芳香族化合物的能力。阳极微生物网络图中Zoogloea、Ignavibacterium、Pseudonocardia、Porphyrobacter、Novosphingobium、Thauera、Sphingobium被确定为关键物种,其中,Ignavibacterium和Sphingobium均被报道为电活性菌。阳极生物膜微生物类群之间有更复杂和紧密的联系,阴极生物膜比活性污泥菌群微生物之间的相互作用更紧密。阴极微生物群落生态位分化最低,直流电场对活性污泥微生物群落结构的影响最大,对阳极微生物群落结构的影响最小。