畜禽养殖废水已成为一个重要的污染源,由于重金属作为饲料添加剂被广泛运用于畜禽养殖行业,重金属含量高是养殖废水的重要特征。镉离子作为一种在养殖废水中检出率较高的重金属对生物脱氮系统会造成严重破坏,但目前的研究局限于其medicinal cannabis对于生物脱氮性能的影响,研究的浓度梯度不够全面,且未深入到分子生物学层面探究机制,而生物脱氮酶和Ipatasertib核磁功能基因与生物脱氮性能具有密切联系,酶和功能基因的变化影响了生物脱氮过程。因此,通过向SBR反应器中投加不同浓度的镉离子(0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L),利用化学方法和分子对接模拟技术分析镉离子对生物脱氮酶活性和结构的影响,利用q PCR技术测定镉离子对于生物脱氮系统中氮转化功能基因的影响,并采用相关性分析、冗余分析、主坐标分析等分析镉离子胁迫下功能基因与生物脱氮的相互关系。主要结论如下:(1)通过测定各形态氮的变化表征镉离子对生物脱氮性能的影响。当镉离子浓度为5 mg/L以下时对氨氮的去除没有显著影响,而亚硝氮积累量增加。镉离子浓度大于5 mg/L时,亚硝氮的积累量下降,同时出水氨氮浓度上升,表明低浓度镉离子首先会抑制亚硝酸盐氧化过程,而高浓度镉离子作用下氨氧化过程会受到更加显著的抑制。出水COD浓度和好氧末端硝氮浓度随着镉离子浓度的升高而不断上升。(2)采用化学方法测定生物脱氮酶的活性。镉离子对于生物脱氮酶的活性具有显著抑制作用。当镉离子浓度大于10 mg/L时氨单加氧酶受到严重抑制,线性回归分析表明氨单加氧酶与氨氧化量具有显著的线性关系,R~2=0.93。亚硝酸盐氧化酶活性在镉离子浓度为1 mg/L时开始下降,线性回归分析表明亚硝酸盐氧化酶与硝化量具有线性相关性,R~2=0.76。硝酸盐还原酶与亚硝酸盐还原酶在镉离子浓度为1 mg/L时其活性开始下降,其活性分别在镉离子浓度为80 mg/L和40 mg/L时降至最低,线性回归分析表明硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶与反硝化量具有显著线性关系,R~2值分别为0.76和0.89。(3)采用分子对接模拟分析镉离子对生物脱氮酶结构的影响。分子对接模拟结果显示,氨单加氧酶、亚硝酸盐氧化酶、硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶均能够与镉离子产生自发结合,镉离子通过金属复合体键与生物脱氮酶的氨基酸残基相结合,形成金属-蛋白质复合体,破坏酶的蛋白质构象,影响蛋白质的功能,并且阻断底物进入酶活性中心的通道,使酶活性降低。(4)采用qPCR方法测定氮转化功能基因的丰度。结果表明氮转化功能基因的丰度随着镉离子浓度的升高而下降。当镉离子浓度为0.5 mg/L时,amo A的丰度开始受到抑制;当镉离子浓度为3 mg/L时,nos Z丰度开始出现下降,当镉离子浓度为5mg/L时,16S r RNA、nar G、nir K和nir S的丰度开始出现下降;当镉离子浓度为10 mg/L时,nap A的丰度开始降低;当镉离子浓度为40 mg/L时nxr A和nor B的丰度开始降低。其中在镉离子胁迫下nos Z是受抑制程度最高的基因,nor B是受抑IACS-10759溶解度制程度最低的基因。(5)采用统计学方法研究镉离子胁迫下功能基因与生物脱氮之间的关系。相关性分析表明在镉离子胁迫下,16S r RNA、好氧末端硝酸盐氮与各功能基因呈正相关性,出水氨氮、出水COD与各功能基因呈负相关性。冗余分析表明好氧末端硝氮、出水硝氮、镉离子是解释率最高的化学指标,与功能基因之间具有显著的相互关系。主坐标分析表明低、中、高三种浓度镉离子的作用下,功能基因具有明显的差异性。功能基因网络分析表明在中浓度镉离子的作用下,功能基因的网络复杂度降低,而在高浓度镉离子作用下,功能基因的网络复杂度显著提高。(6)采用线性回归方法分析镉离子胁迫下功能基因的关键驱动因素。nxr A/amo A与出水氨氮的浓度具有显著的线性关系,对于氨氮的去除,nxr A/amo A是最重要的驱动因素;在去除三个最高浓度的实验组时,nxr A/细菌16S r RNA与出水硝氮浓度具有显著的线性关系,nxr A/细菌16S r RNA是亚硝氮积累量的重要驱动因素;nos Z/nar G与反硝化过程中硝氮的去除量具有显著的线性关系,nos Z/nar G是反硝化过程中硝氮去除的重要驱动因素。图[42]表[11]参[120]