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排水管道作为城市排水系统重要的组成部分,担负着城市废水的收集与输送功能。近期研究表明,排水管道类似于生化反应器,在其中发生着众多的生物化学反应,也就出现了生物降解、H2S和CH4等气体的产生以及排水管道腐蚀等现象。排水管道中的生物膜是生化反应发生的主要场所,生物膜的结构组成及反应特性决定了上述现象的发生。而排水管道内特殊的水力条件及基质成分也即排水管道壁面剪切力与基质浓度是影响生物膜生长的主要因素。为此,本文通过搭建排水管道生物膜培养装置,研究不同基质浓度和剪切力条件下生物膜生长特征及结构特性,采用微电极测试技术测试生物膜厚度并分析生物膜密度和胞外聚合物,结合454高通量分子生物学技术对不同剪切力条件下成熟生物膜中微生物群落结构进行分析,从宏观角度和分子生物学角度探讨剪切力和基质浓度对生物膜生长过程及生物膜结构的影响,为今后的实际应用提供理论依据和基础资料。研究得出的主要结论如下:①在生物膜生长过程中,生物膜厚度随时间逐渐增加,之后达到最大生物膜厚度,随后生物膜厚度有一定程度的减小,最终趋于稳定;生物膜密度逐渐增加并达到最大值,随后生物膜密度逐渐减小并最终达到稳定值;生物膜胞外聚合物(EPS)含量也逐渐增加,当EPS含量达到一定的峰值之后,会出现一定程度的减小并最终趋于稳定状态。研究结果表明:当生物膜生长达到平衡状态时,不同剪切力条件下的生物膜厚度大小依次为:L(F=1.29pa)>L(F=1.12pa)>L(F=1.45pa);生物膜密度(TS)的大小关系为:TS(F=1.45pa)>TS(F=1.29pa)>TS(F=1.12pa);生物膜EPS含量大小依次为:EPS(F=1.29pa)>EPS(F=1.12pa)>EPS(F=1.45pa)。②高通量测序结果表明,排水管道生物膜中细菌多样性较高。不同剪切力条件下成熟生物膜中共同的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和Candidate_division_TM7。研究结果表明,剪切力对生物膜微生物群落结构、脱氮功能菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等的数量影响较大。③在一定范围内,随着剪切力的增大,生物膜的厚度和EPS都呈现先增大后减小的趋势,而生物膜TS逐渐增大,生物膜厚度与EPS变化趋势一致。不同剪切力下成熟生物膜中EPS主要成分均为蛋白质、腐殖质和多糖,其中蛋白质和腐殖质含量明显高于多糖含量。④对于稳定状态的生物膜,在剪切力相同条件下增加基质浓度或者同时增加剪切力和基质浓度,生物膜厚度变小,生物膜密度逐渐变大,生物膜胞外聚合物也变小。⑤建立了排水管道流体动力学与生物膜生长动力学耦合模型并对模型进行了验证,结果表明模型具有较高的准确性。该模型对试验具有积极指导作用。通过研究剪切力和基质浓度对排水管道生物膜生长过程的影响,采用高通量测序手段分析成熟生物膜中微生物群落结构,并建立排水管道流体动力学与生物膜生长动力学耦合模型,为排水管道作为反应器这一理念的进一步推广以及今后的实际应用提供了理论依据,具有重要的学术意义和应用前景。