多组学研究揭示了硫代硫酸盐驱动的硫-碳耦合反应及物质交换过程，这些过程促进了污水污泥中氯化有机磷酸酯的厌氧脱氯作用

《Water Research》：Multi-omics reveals thiosulfate-driven sulfur-carbon coupling and cross-feeding that enhance anaerobic dechlorination of chlorinated organophosphate esters in sewage sludge

　　

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摘要

硫循环与甲烷代谢、营养物质去除和铁循环密切相关，然而其在微生物脱氯过程中的作用仍不甚明了，尤其是在污泥厌氧发酵系统中。本研究开发了一种硫代硫酸盐辅助的生物刺激策略，并使用三(2-氯乙基)磷酸酯（TCEP）这种代表性的氯化有机磷酸酯来探究硫循环如何影响厌氧脱氯过程。结果表明，添加1000 mg/L的硫代硫酸盐后，20天内TCEP的降解率从26.7%提高到了59.6%。转化产物分析显示，TCEP经历了还原性转化和水解转化，通过还原脱氯生成BCEP，通过逐步水解生成MCEP和BCEP-OH。在水解和还原脱氯中的贡献比例从对照组的58.5%和28.4%分别变为S1000组的29.7%和46.3%，表明硫代硫酸盐更倾向于促进还原脱氯。模型底物实验表明，硫代硫酸盐增加了乙酸的生成（+44.3%）以及还原当量的水平（NADH，+24.6%；FADH?，+29.4%），这与黄素基电子分叉和能量生成的增强相一致。宏基因组分析发现，硫代谢菌（如MAG180）、发酵菌（如MAG1）以及Dehalococcoides相关菌系（如MAG190）在硫代硫酸盐存在下得到富集，形成了一个潜在的有机卤素呼吸共生体。

引言

《斯德哥尔摩公约》将传统溴化阻燃剂列入限制名单，对其生产和使用的限制加速了全球向有机磷酸酯（OPEs）的转型（Wang等人，2026年）。仅在中国，2020年OPEs的产量就超过了36万吨，年增长率达到15%，几乎是全球平均水平5.2%的三倍（Gu等人，2023年；Wang等人，2023年）。OPEs通常分为氯化OPEs（Cl-OPEs）、烷基OPEs和芳基OPEs。与非卤化类似物相比，Cl-OPEs具有更大的环境持久性、长距离传输潜力，以及神经毒性、生殖毒性、内分泌干扰效应和潜在的致癌性（Zhang等人，2024年）。值得注意的是，Cl-OPEs已被欧盟列为优先控制物质，成为日益令人关注的污染物（Rodgers等人，2023年；Su等人，2025年）。在市政污水处理厂中，OPEs通过静电相互作用、氢键和表面络合作用容易吸附在污泥上；污泥中的浓度范围为43.9至2160 μg/kg干重（Fu等人，2017年），这对污泥处置、土地应用和下游资源回收带来了重大挑战。因此，在污泥相关条件下开发高效实用的结构OPEs去除技术已成为当务之急。

微生物厌氧还原脱氯被广泛认为是Cl-OPEs解毒的关键途径（Araújo等人，2025年；Zu等人，2025年）。先前的研究通过富集专门的脱氯菌群或补充外源性电子供体（如零价铁、生物炭或有机酸）来增强Cl-OPEs的降解，以提高电子可用性和微生物代谢活性。例如，Zhu等人（2022年）从电子废物回收场富集了两个微生物群落，这些群落以乙酸盐和乳酸为碳源和电子供体，在10天内完全转化了78 μmol/L的三(2-氯乙基)磷酸酯（TCEP）和52.2 μmol/L的三(1-氯-2-丙基)磷酸酯（TCPP）。Wu等人（2023年）报告称，硫化纳米零价铁（S-nZVI）不仅作为直接电子供体用于还原脱氯，还促进了产生乙酸盐的共生细菌（如Desulfovibrio、Syntrophomonas）的生长，维持了脱氯菌群的存活。这些研究表明，电子供体和小有机酸的发酵产物（特别是乙酸作为优选的碳源和电子供体）对于维持有机卤素呼吸细菌（OHRB）和增强Cl-OPEs的厌氧脱氯至关重要。

硫代硫酸盐是一种易于获取、成本低廉且氧化还原性质灵活的物质，其中硫既处于+5价也处于-1价状态，因此可以充当电子供体或受体（Zhou等人，2025b）。在污泥厌氧发酵系统中，硫代硫酸盐可以促进污泥的水解和酸生成，并加速厌氧代谢过程中的微生物电子转移，从而促进小有机酸（如乙酸）的生成（Cheng等人，2023年）。鉴于乙酸可以改善脱氯细菌的生长和活性（Shen等人，2025年），硫代硫酸盐可能为刺激污水污泥中Cl-OPEs的降解提供一种潜在策略。然而，硫代硫酸盐驱动的硫转化是否能够与厌氧Cl-OPEs脱氯过程正向耦合尚不清楚。特别是，目前还不清楚硫代硫酸盐是否可以通过协调碳供应和电子可用性来增强厌氧脱氯。此外，硫代硫酸盐如何调节参与厌氧二氯化过程的功能菌群之间的复杂相互作用也尚未明确。解决这些问题对于理解和优化硫代硫酸盐改良的厌氧系统以去除Cl-OPEs至关重要。

本研究利用TCEP作为代表性化合物，探讨了硫代硫酸盐对污泥厌氧发酵过程中Cl-OPEs降解的影响。首先通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）评估了硫代硫酸盐辅助的TCEP去除及其转化途径和产物。然后通过监测硫物种、典型有机中间体（如葡萄糖、谷氨酸、丙酮酸和乙酸）以及细胞内还原当量，研究了硫代硫酸盐的转化及其与碳代谢和电子转移的关联。我们利用宏基因组分析重建了宏基因组组装的基因组（MAGs），鉴定出有机卤素呼吸细菌、硫和乙酸代谢细菌，并量化了参与这些过程的功能基因。同时，通过蛋白质组学分析表征了连接脱卤酶、硫和碳代谢以及电子传递系统的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络。本研究为基于硫代硫酸盐的生物刺激方法提供了机制基础，以修复受氯化污染的场地。

章节片段

废弃活性污泥和化学品

废弃活性污泥（WAS）来自武汉的一家污水处理厂。制备的WAS是通过将污泥通过0.6毫米筛网过滤并在4°C下浓缩24小时获得的。制备的WAS的理化性质列在表S1中。TCEP、三乙基磷酸酯（TEP）和双(2-氯乙基)磷酸酯（BCEP）以及其他分析级试剂均采用商业途径获得，详细信息见文本S1。

硫代硫酸盐驯化菌种的制备

一个1.0升的反应器中加入了750毫升...

硫代硫酸盐辅助的厌氧脱氯性能

为了评估硫代硫酸盐在有机卤素呼吸中的作用，我们监测了20天内TCEP的厌氧降解情况。在没有硫代硫酸盐的情况下（对照组），20天后只有26.7%的TCEP被降解（图1a）。这种有限的降解可能是由于污泥中其他内源性底物（如乙酸盐和H?）对电子供体的竞争。添加硫代硫酸盐显著增强了TCEP的去除率，在S500组中降解效率分别提高到了43.0%和59.6%

结论

本研究证明，硫代硫酸盐作为一种有效的生物刺激剂，能够增强污水污泥中TCEP的厌氧脱氯作用，20天内TCEP的降解率从26.7%提高到了59.6%。转化产物分析显示同时发生了水解和还原途径，分别生成了BCEP/BCEP-OH/MCEP和TEP。模型有机降解实验表明，硫代硫酸盐增加了乙酸的生成（+44.3%）以及还原当量的水平（NADH，+24.6%；FADH?...）

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程博毅：撰写——初稿编写、软件使用、方法学设计、资金筹措、数据分析、概念构思。蔡思颖：撰写——修订与编辑、软件使用、方法学设计、数据分析、概念构思。张宇：撰写——修订与编辑、软件使用、方法学设计、数据分析、概念构思。张紫薇：撰写——修订与编辑、软件使用、方法学设计、概念构思。周浩：撰写——修订与编辑、方法学设计、数据分析、概念构思。艾静：

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