氨氧化作用作为硝化过程的第一和限速步骤，在氮素生物地球化学循环过程中一直倍受关注。长期以来，人们普遍认为隶属β-和γ-变形纲菌的氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria，AOB)和厌氧氨氧化细菌(Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria，Anammox)是氨氧化过程的主要驱动者。然而，近年来随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用，参与氨氧化过程的新的微生物类群氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea，AOA)逐渐被发现。全球最大的污水生化处理系统中AOA的分子生态学研究已经成为热点之一。与污水处理系统中的AOB研究相比，AOA的研究十分有限。目前对于AOA和AOB的丰度、多样性及其与环境因子之间的关系仍处于争议阶段，而对AOA和AOB对氨氧化过程的相对贡献的研究更少。　　为了研究氨氮浓度对AOA和AOB的影响，将同时含有AOA和AOB的活性污泥接种到三个氨氮浓度分别为14、56和140mg/L的序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)（分别命名为R1、R2和R3）中以富集培养。采用聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction，PCR)、克隆、测序和实时荧光定量PCR（Quantitative Real-Time PCR，qPCR）分子生物学技术分析不同培养阶段AOA和AOB的丰度和多样性变化。克隆结果表明经过140d培养，三个反应器中只有一种AOA种属即Nitrososphaera cluster占优势;而AOB的种群结构发生很大变化，在种泥、R1和R2中Nitrosomonas ureae cluster是优势AOB种属，Nitrosomonas europaea cluster在R3中占优势。并且高氨氮反应器中(R3) AOB多样性低于低氨氮反应器(R1和R2)，但任何反应器中AOB多样性要高于AOA。QPCR结果表明AOA丰度在不同阶段变化不大，种泥中AOA amoA与AOB amoA丰度之比为3.68×102，经过140d的培养，比值在三个反应器中分别增加到4.90×103，1.25×105和3.77×105，意味着在高氨氮反应器中AOB较AOA更具优势而在氨氧化过程中起主导作用。　　为了研究季节变化对污水处理厂（Wastewater Treatment Plants，WWTPs）中AOA和AOB丰度和多样性的影响，分别对两个污水处理厂(分别命名为Y和B)进行每月采样测定，时长分别为一年和半年。QPCR结果表明在两个WWTPs中AOB丰度随时间变化不大（两个污水处理厂中AOB amoA基因平均拷贝数分别为4.49×107和2.95×107拷贝数/g干泥），且所有样品中AOB丰度高于AOA。基于amoA基因发育树分析发现AOA和AOB的种群均发生了变化，在Y中，春夏两季尤其是夏季AOA种群最为丰富，Nitrososphaera subcluster4.1在冬季样品中消失，可能意味着该种属不适于低温环境生长，而冬季样品中一半序列属于Nftrosopumilus subcluster1.1，意味着Nitrosopumilus subcluster1.1可能适于生长在低温环境下。对于AOB， N.europaea cluster、N.oligotropha cluster、Nitrosomonas-like和Nitrosospira cluster这四个主要种属分别分布在Y污水处理厂的三季或四季样品中，而N.europaea cluster、Nftrosomonas-like和Nftrosospiracluster为B污水处理厂的春、夏季样品所共有。　　为了分析不同污水处理系统（市政污水处理系统、工业废水处理系统和混合废水处理系统）中AOA和AOB的丰度和多样性，选取中国不同地域的32个污水处理系统的35个样品，采用qPCR对AOA和AOB amoA基因进行定量分析。qPCR结果表明35个样品中AOA和AOB amoA基因平均丰度分别为5.06×107和7.98×106拷贝数/g干泥，且5/7的污泥样品中AOA amoA基因含量都高于AOB amoA基因，说明AOA广泛存在于所研究的污水处理厂中并且可能对氨氧化发挥主导作用。根据qPCR结果，分别选取三类样品:即AOA丰度大于AOB、AOA丰度小于AOB和二者丰度相当的样品，采用PCR、克隆和测序等分子生物学技术对这些代表性样品进行多样性分析。基于amoA基因序列的发育树分析发现Nitrososphaera cluster是AOA的优势菌群，而且可能在WWTPs中广泛分布，而Nitrosopumilus cluster和Nitrososphaera sister cluster在WWTPs中分布较少。活性污泥中的优势AOB菌群为Nitrosomonas cluster，其中N.europaea cluster和Nitrosomonas-like在WWTP中分布较广泛。　　为了研究AOA和AOB对氨氧化过程的相对贡献以及不同浓度的纳米材料Al2O3对AOA和AOB丰度和多样性的影响，分别采用0、lmg/L和50mg/L的Al2O3，并利用Na213CO3进行稳定同位素标记试验。同时，投加ATU抑制剂抑制氨氧化微生物，以进一步验证氨氧化的贡献者。为了更好的研究13C的标记效果，进行了不同培养周期和不同底物浓度的标记试验。水质监测结果表明短期培养内Al2O3对氨氮去除效果并无明显影响，20mg/L ATU抑制了氨氧化速率，投加10倍原位氨氮浓度也能达到很好的氨氮去除率。通过分层之后的定量结果和PCR扩增结果发现过短培养时间（4周期）、投加抑制剂和过高氨氮浓度(140mg/LNH4+-N)均导致13C被不充分标记，其中高氨氮可能导致了“交叉喂养”。在所有的标记结果中，AOB均未标记上13C。系统发育结果表明不同纳米粒子浓度、抑制剂和高氨氮浓度都引起AOA种群的改变，AOA种属主要从Nitrososphaerasubcluster7变为Nitrososphaera subcluster8.1，而不同纳米粒子浓度对AOB种属影响不大，N.oligotropha cluster和N.europaea cluster是AOB优势种属，并且前者主要存在于低氨氮环境中，而后者是抑制剂存在和高氨氮环境下的优势种属。总之，研究结果表明AOA和AOB可能都参与了氨氧化过程，而AOA是其主要执行者。