变性淀粉作为人类的主食之一,其大量生产的同时也产生了巨量的变性淀粉生产废水(SPW,Starch Processing Wastewater)。SPW是利用物理、化学或酶法改变天然淀粉的特性生产变性淀粉过程中,在湿筛、洗涤和脱水环节产生的废水。燃料乙醇作为可再生的清洁能源,近年来也在全世界范围内广泛生产,因此,燃料乙醇生产废水(EPW,Ethanol Processing Wastewater)的污染问题也是人们关注的重点。EPW是以玉米、小麦、薯类等为原料生产燃料乙醇过程中产生的糊化、蒸馏、冷凝废水。AnaEG(An Advanced EGSB)反应器是一种无出水循环,依靠颗粒污泥自身产生的大量气体及均匀的布水系统实现颗粒污泥充分膨胀的新型EGSB反应器。该反应器具有节能、高效、环保、方便等优点。IC反应器作为第三代厌氧反应器的另一典型代表,近年来在工业废水处理中应用也较广泛。本研究主要对工程规模的AnaEG反应器中菌群的时空性分布,反应器在不同运行状态下的菌群响应特征进行了分析;同时比较了AnaEG反应器与IC反应器分别处理SPW和EPW时的厌氧颗粒污泥(AGS,Anaerobic Granular Sludge)及菌群分布的差异。首先,对一座处理SPW的工程规模AnaEG反应器的处理效果进行了362 d的监测,结果显示,即使是在进水水质波动较大的情况下,AnaEG反应器对SPW的COD、TOC以及VFA等的去除率始终能够保持在90%以上,反应器的垂直方向上并未发现污染物的梯度降解现象。对菌群结构的时空性分布的研究显示,AnaEG反应器中菌群结构在连续运行的15周内处于相对稳定的状态,其空间方向上也未呈现出菌群结构的垂直分布。包括绿弯菌门(Chloroflexi,16.4%),变形菌门(Proteobacteria,14.01%),厚壁菌门(Firmicutes,8.76%),拟杆菌门(Bacteroidetes,7.85%),Cloacimonetes(3.21%),Ignavibacteriae(1.80%),互营菌门(Synergistetes,1.11%),热孢菌门(Thermotogae,0.98%)和广古菌门(Euryarchaeota,3.18%)在内的优势菌构成了菌群的主要部分,它们决定了菌群的主要特征。反应器的菌群结构分布特征与处理效果表现出较高时空一致性。其次,AnaEG反应器暂停运行4周后可在短期内(1周)高效重启,但AGS的理化指标、形态特征及菌群结构在重启动后均发生了较大变化。当重启动后的反应器重新达到稳定状态时,AGS中的生物量平均由58 mg/L下降为38 mg/L,AGS粒径大小由850μm上升为950μm。反应器重启动阶段的菌群结构相对于连续运行阶段发生了明显的偏移,且这种菌群结构的改变在反应器重新达到稳定状态时被放大。反应器在重新达到稳定状态时,其多样性指数由平均6.5下降为6.1,但其物种丰富仍然高于同类研究报道的结果。AnaEG反应器中较高的微生物多样性以及优势功能菌群间的互补,使得一些低丰度和未鉴定物种得到快速增殖,并取代部分受到冲击的原有优势菌的功能,从而保证了反应器的功能稳定性。Bacteroidetes,Firmicutes和Proteobacateria等优势门的细菌对环境的变化较敏感,在不同阶段其相对丰度会出现波动;而Chloroflexi,Cloacimonetes,Synergistetes和Euryarchaeota等优势菌则对环境波动的耐受性较强。此外,对处理SPW的AnaEG反应器以及处理相同EPW的AnaEG与IC反应器的菌群结构进行了比较分析。结果显示,AnaEG反应器(900μm)中形成的AGS明显小于IC反应器(1200μm)。处理SPW的AGS表面由丝状菌和球菌组成,剖面主要是一些丝状菌和杆菌;而处理EPW的AGS表面则由丝状菌和杆菌组成,剖面可观察到大量的球状菌和杆菌组成的小生态。反应器的类型是造成样本间物种多样性差异的主要原因,AnaEG中的微生物多样性显著高于IC反应器,前者的Shannon指数为6.2,而后者为5.7。菌群结构的分布主要受底物类型的影响较大,同时反应器的类型也是影响原因之一。尽管两种废水中形成的优势菌群有所不同,但一些水解、产酸菌,例如Proteobacteria,Chloroflexi和Bacteroidetes等细菌成员在两种废水中均为主要优势类群。AnaEG反应器中菌群不存在明显的空间分布,而IC反应器中上部和底部的菌群组成则有明显不同。造成这种差异的原因可能与废水中有机物的复杂程度及反应器设计的特点有关。在处理SPW的污泥中,产甲烷古细菌则主要以甲烷丝状菌属(Methanosaeta)为主;而在处理EPW的污泥中,产甲烷古细菌的比例高于SPW的污泥,并主要以Methanosaeta和甲烷细菌属(Methanobacterium)为主。此外,在AnaEG反应器中检测到的尚未知微生物比例约为75%,而在IC反应器的比例为45%,AnaEG反应器的未知菌群中可能存在大量的潜在功能菌。总之,通过对AnaEG反应器在不同工程条件下形成的厌氧颗粒污泥的性状及菌群结构的全面分析,发现AnaEG反应器是一个可产生较小颗粒污泥,并具有较高物种多样性以及均一的内部生态系统的高效反应器,它可形成比例更高的潜在功能菌。因此,AnaEG反应器不但在未来的工业应用中具有广阔的前景,同时也为工业废水中功能基因以及种质资源的研究提供了良好素材。