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近年来,随着社会经济的进步和农业生产的发展,水污染问题突出,水体富营养化严重,影响了人类的生产和生活。氮素过多是引起水体富营养化的因素之一。人工湿地是一种有效去除水体中氮素污染的生态技术,探索人工湿地最佳运行参数,降低运行成本,对于人类的生存和发展具有重要意义。溶解氧是影响人工湿地有效去除水体中氮素污染的一个重要因素。现有的研究多针对于稳定运行的人工湿地系统,对溶氧频繁变化后系统中新稳态的形成与原稳态的恢复过程研究较少,造成人工湿地尺度转换的困难。因此本研究以人工湿地中有氧稳态（SS-AE）和厌氧稳态（SS-AN）对DO波动的动态响应过程为总体目标,改变了传统的固定性的周期性曝气,来探索溶解氧变化的扰动和恢复动力学的机理,改善人工湿地中氮去除效率和确认其中的微生物机制,拓宽人工湿地的应用。研究中通过构建两种类型的实验室规模的人工湿地系统（CWs）,包括受短期曝气停止影响的长期曝气人工湿地（AE-D）和受短期曝气影响的长期不曝气人工湿地（AN-D）,持续检测曝气和停止曝气（Ae和As）扰动1天、7天和14天条件下两个系统中的DO值、氨氮（NH4+-N）和硝氮（NO3--N）浓度以及基因amo A和nir S的RNA拷贝数,来量化溶解氧、氨氮和硝氮去除效率（RE）以及RNA水平上关键氮循环功能基因amo A和nir S活性方面的稳态形成与恢复过程。本研究结果表明,随着曝气和不曝气之间的转换,溶解氧、NH4+-N和NO3--N去除效率以及amo A、nir S的RNA丰度的新临时稳态的形成以及原始稳态的恢复都可以通过逻辑函数很好地被模拟。1.在Ae和As之间的转换之后,DO中稳态的形成和恢复可以在0.56-7.75 h内完成。在AE-D和AN-D中,DO从厌氧稳态到好氧稳态的转换都比从好氧稳态到厌氧稳态的转换快,并且在As扰动后,从SS-AEDO到达SS-ANDO的时间与过去30天的曝气天数有显著的相关性。在到达SS-ANDO时,DO值的波动幅度在5.60-10.96 mg/L之间,在到达SS-ANDO时,DO值的范围为0.00-0.77 mg/L。AE-D和AN-D中都形成了好氧-厌氧交替体系。2.NH4+-N和NO3--N去除效率新稳态的形成以及从曝气或者不曝气扰动中的恢复速度均显著低于DO。在氨氮和硝氮的去除效率中,Ae和As转换后形成新的临时稳态需要30.7-52.3 h,恢复到原始去除效率稳态时,NO3--N比NH4+-N需要更长的时间。在AE-D和AN-D中,Ae和As扰动一天后,恢复时间分别为8.1-31.0 h;与为期一天的扰动相比,AE-D和AN-D为期7天的Ae和As扰动所花费的恢复时间增加了5.0%至115.5%。表明,Ae和As扰动的时间越长,则需要更长的时间来恢复到NH4+-N和NO3--N去除效率的原始稳态。相较于AE-D系统,AN-D系统在曝气或者停止曝气后恢复到NH4+-N和NO3--N去除效率的原稳态时需要更长的时间。AE-D和AN-D系统都表现出了较高的NH4+-N去除效率,AE-D和AN-D的NH4+-N去除效率分别为76.5-98.1%和61.9-95.9%,表明系统不固定性的周期性好氧-厌氧转换有利于硝化反应的进行。NO3--N的去除效率波动很大,AE-D和AN-D反应器中的NO3--N去除效率波动范围分别为-25.6-46.5%和-9.2-97.3%。在大多数非曝气时期,NO3--N的去除效率较高。相反,在大多数曝气阶段,NO3--N的去除效率较低。3.采用q PCR对AE-D和AN-D中硝化和反硝化的关键功能基因amo A和nir S进行分析检测,结果表明基因amo A和nir S活性均对曝气或者停止曝气敏感,曝气能够增强硝化基因amo A活性,抑制反硝化基因nir S活性。在基因amo A中,AE-D使用了60.8 h在As期形成了一个新的临时稳态,此时基因amo A的RNA拷贝数减少了88.5%。在Ae时期,AN-D花费了287.2 h形成新的稳态,而在此期间,基因amo A的RNA拷贝数增加了36.4倍。在基因nir S中,Ae和As转化后新稳态的形成花费了75.2-85.8 h。在7天的Ae和As扰动后,AE-D和AN-D中基因amo A活性的恢复分别需要218.7 h和27.0 h,而基因nir S活性的恢复需要38.2-58.2 h。表明,长期稳定的好氧条件对于保持反应器中生物膜的高amo A活性很重要,而生物膜的高nir S活性可以在稳定的好氧和厌氧条件下形成。因此,通过Ae和As转化导致的临时稳态的形成和恢复速度在DO、NH4+-N和NO3--N的去除效率和amo A和nir S基因的活性之间是不同步的,它们可以分别在数十分钟到几小时内、几个小时到几十个小时,以及几十个小时到几百个小时完成。