《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Targeted disruption of sulfur metabolism by monofluorophosphate enabling persistent suppression of sulfidogenesis in sewer biofilms
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•MFP完全抑制了污水生物膜中的硫化物生成。•即使在不同的C/S比条件下，硫化物抑制作用仍然有效，且不会增加碳消耗。•MFP干扰了硫酸盐的活化过程及其相关的能量代谢。•长期暴露诱导了微生物群落的重构和代谢重编程。引言生物硫酸盐还原是全球硫循环中的一个关键过程，在厌氧环境中起着重要
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MFP完全抑制了污水生物膜中的硫化物生成。
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即使在不同的C/S比条件下，硫化物抑制作用仍然有效，且不会增加碳消耗。
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MFP干扰了硫酸盐的活化过程及其相关的能量代谢。
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长期暴露诱导了微生物群落的重构和代谢重编程。
引言
生物硫酸盐还原是全球硫循环中的一个关键过程，在厌氧环境中起着重要作用。在污水管网中，定植在管道壁生物膜中的硫酸盐还原菌（SRB）利用有机底物作为电子供体，硫酸盐作为最终电子受体，生成硫化物[1]。在典型的污水条件下，硫化物主要以溶解的H?S和HS?形式存在，并随着硫酸盐还原反应的进行而不断积累。一旦释放到污水空气中，H?S会散发出严重的气味，并因其毒性和易燃性而带来职业健康风险[2]。此外，在有氧和潮湿的条件下，H?S可以被硫氧化菌生物氧化，产生硫酸，加速污水管道和废水基础设施中的混凝土腐蚀[3]。H?S引起的腐蚀及相关安全事件给全球带来了巨大的经济负担，估计每年损失达数百亿美元，并且这一趋势仍在上升[1],[2],[3]。因此，从源头上抑制硫化物的生成对于维持城市污水管网的完整性和可持续运行至关重要。
已经开发了多种方法来减少污水管网中的硫化物生成。与在管道末端去除已形成的硫化物的方法相比，源控制方法通常更具吸引力，因为它们直接干扰硫酸盐还原过程并防止H?S的形成。在这些方法中，硝酸盐投加是应用最广泛的方法[4],[5]。硝酸盐促进了异养硝酸盐还原菌（hNRB）的繁殖，这些细菌通过竞争电子供体和生态位来抑制SRB的活性。然而，这种间接抑制机制伴随着大量的有机碳消耗，因为硝酸盐还原严重依赖于可生物降解的有机底物[6]。过量的碳消耗可能对下游废水处理厂的生物 nutrient 去除过程产生不利影响。此外，硝酸盐的效果高度依赖于废水的组成，在有机负荷较高的情况下，所需的投加量通常会增加，从而导致运营成本上升[7]。其他化学物质，包括游离亚硝酸（FNA）、高铁酸盐和CaO?，也被研究用于硫化物控制[8],[9],[10]。这些方法主要依赖于广谱毒性来抑制微生物活性。它们通常需要相对较高的投加量，并且由于对SRB的特异性不足，其性能也可能受到废水特性的强烈影响。因此，缺乏代谢特异性仍然是现有硫化物控制技术的主要限制。
从代谢角度来看，硫酸盐还原由硫酸盐活化启动，这一过程由硫酸盐腺苷酰转移酶（SAT）催化[11]。在此过程中，硫酸盐被转化为腺苷-5′-磷酸硫酸盐（APS），同时消耗ATP，从而使得随后由腺苷酰硫酸盐还原酶（APR）和异化亚硫酸盐还原酶（DSR）介导的还原反应成为可能。作为硫酸盐还原的第一步，硫酸盐活化是一个潜在的代谢瓶颈，也是调节硫代谢的一个有吸引力的目标。与基于微生物竞争或非特异性毒性的方法相比，有针对性地干扰关键酶反应可能提供了一种更有效的抑制硫酸盐还原的方法，同时将对非目标微生物的不利影响降到最低。
单氟磷酸盐（MFP）是一种环境友好的无机化合物，数十年来一直被广泛用作口腔护理产品中的防龋成分[12]。由于其与硫酸盐的结构相似性，MFP可以作为底物类似物并与SAT发生相互作用。Carlson等人[13]证明，在纯培养条件下，MFP抑制了模型SRB菌株Desulfovibrio alaskensis G20的硫酸盐还原。然而，污水生物膜是高度复杂的微生物生态系统，其中硫酸盐还原与多种碳转化和共生微生物共同作用。MFP是否能够在这种复杂社区中扰乱硫代谢，以及微生物群落和代谢功能如何应对长期暴露，目前尚不清楚。
因此，本研究建立了实验室规模的污水反应器，以系统地研究MFP介导的硫化物抑制的性能和机制。具体目标包括：（1）评估MFP在不同C/S比条件下的硫化物控制效果和稳定性，并确定其对有机碳消耗的影响；（2）通过研究酶活性、细胞内能量代谢和电子传输过程，阐明MFP诱导的硫酸盐还原抑制的生理机制；（3）通过整合宏基因组和宏转录组分析，揭示微生物群落和代谢途径的长期响应。这项工作为底物类似物介导的硫代谢调节提供了新的见解，并有助于开发针对污水管网中硫化物管理的靶向和可持续策略。
章节片段
反应器配置和操作
构建了两个实验室规模的污水反应器，以模拟厌氧上升主管道条件（图1）。每个反应器的工作体积为3.5升，内径为15厘米，高度为20厘米，提供了大约0.09平方米的内部表面积。该设计修改自Gutierrez等人[14]报告的反应器配置。每个反应器内部安装了四根不锈钢棒，并在这些支撑物上固定了绳状纤维载体，以促进生物膜的生长
在不同C/S比条件下MFP对硫化物控制的性能
R1反应器运行了290天，以评估MFP在不同C/S比条件下的硫化物控制性能和稳定性。在第一阶段，大约90天后建立了稳定的硫酸盐还原系统（图2a）。平均出水硫化物浓度达到50.0 ± 1.0毫克/升，伴随着完全的硫酸盐消耗和200 ± 15毫克/升的出水COD浓度。典型的循环分析进一步显示，硫化物生成速率为4.23毫克/升·小时
结论
MFP在不同C/S比条件下实现了对污水生物膜中硫化物生成的完全且稳定的抑制，同时没有增加化学投加量，也没有显著改变整体有机碳消耗。机制研究表明，MFP作为硫酸盐类似物发挥作用，干扰了SAT介导的硫酸盐活化过程，可能增加了ATP的需求，并影响了电子传递和与硫酸盐还原相关的能量代谢。
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