我国城市化进程日益加快,人居生活所产生的城市有机质废物已对生态环境造成了严重威胁。目前全球城市有机质废物年产量约13亿吨(人均1.2?公斤/天),迫切需要对城市有机质废物进行妥善的处理与处置。厌氧消化技术可通过微生物的分解作用将废物中的有机质部分加以回收利用,生成能源气体甲烷。该技术成本低,收益大,符合我国可持续发展理念,具有广泛的应用前景。但目前的相关研究也表明:(1)城市有机质废物的厌氧消化过程存在系统稳定性差、产气效率低下等技术难点;(2)系统中关键功能菌群的微生态原理不明;(3)伴随城市有机质废物产生的新兴抗生素污染对厌氧效果过程的影响研究不足。针对以上难题,本文针对代表性城市有机质废物(以厕所排泄物、污泥和餐厨垃圾为例),基于传统的厌氧消化技术,结合实地调研与实验室模拟,利用宏基因组学研究方法(包括针对特征片段的扩增测序技术和非扩增的宏基因组测序技术两种),同时借助生物信息学分析手段,重点研究了以下三方面内容:(1)探究了诸多厌氧消化工艺参数对反应器稳定性和产气效率的影响,包括接种物、有机负荷率、物料配比、水力停留时间、温度、氨氮等因素。通过富集一类嗜氢产甲烷古菌可以解除厌氧消化过程中的氨氮抑制现象;探究了添加纳米零价铁对消化底物水解-酸化过程的加速作用;利用“污泥+餐厨垃圾”的共消化模式改善了厌氧消化底物的营养配比;提出了一套能够快速稳定启动的高温厌氧消化技术。本文通过优化多组反应器工艺参数与运行条件,显著提高了有机质的去除率,并提升了甲烷的产量与纯度。(2)基于高通量测序技术揭示了不同厌氧消化条件与功能微生物群落动态变化之间的关系,探索了“环境因子——反应器运行效果——厌氧微生物群落结构”间的响应模式。研究发现优势菌群的相对丰度与多样性(如Firmicutes、Actinobacteria、Euryarchaeota、Proteobacteria)、功能基因的相对丰度、微生物的代谢通路(如嗜氢/嗜乙酸产甲烷途径)等的变化可用于指示反应器运行的健康状态;一些低丰度的微生物(如Hyphommicium、Gordonia、Methanospirillum)很可能是厌氧消化过程的关键驱动者;水力停留时间和有机负荷率对微生态共现性网络可形成不同的冲击力;高连接度的网络模块对于鉴定厌氧消化中的“核心微生物组”以及设计人工微生物共培养系统具有重要指导作用。(3)利用宏基因组学方法探究了长期抗生素选择性压力(以四环素和磺胺类药物为例)对厌氧消化过程的影响。发现抗生素的存在可对古菌菌群结构、嗜氢/嗜乙酸产甲烷途径和碳水化合物/脂肪酸的代谢过程均产生强烈影响,从而导致系统内挥发性脂肪酸的积累和甲烷产量的降低;特定抗生素的浓度与相应抗性基因的丰度含量和潜在宿主微生物间存在显著的正相关联系;抗生素压力增加了抗性基因亚型的多样性和丰度,增强了细菌的趋药性机制,促进了耐药菌与土著环境微生物间的基因交流;传统中温厌氧消化技术对于抗性基因的去除效果有限,高温条件有助于通过去除宿主菌群和I类整合子基因从而降低抗性基因丰度。本文认为,基于城市有机质废物厌氧消化过程的宏基因组学研究,可以从反应器、关键物种、功能基因三个层次深入解析厌氧功能菌群的微生物生态。研究结果可为开发新型厌氧消化强化工艺、理解有机物的厌氧生物代谢途径、发掘复杂系统内的关键菌群、管控新兴的抗生素耐药性传播风险等方面提出新见解。