Artificial consortium demonstrates emergent properties of enhanced cellulosic-sugar degradation and biofuel synthesis  

人工聯(lián)合體展示出增強(qiáng)纖維素糖降解和生物燃料合成的涌現(xiàn)特性  

來(lái)源：npj Biofilms and Microbiomes, 2020, volume 6, article number 59  

《npj生物膜與微生物組》2020年第6卷第59期  

 

摘要內(nèi)容

該研究通過(guò)理性設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)由C. phytofermentans（初級(jí)資源專家）和E. coli（次級(jí)資源專家）組成的人工聯(lián)合體，在浮游和生物膜培養(yǎng)條件下均表現(xiàn)出超越單培養(yǎng)物總和性能的涌現(xiàn)特性，包括細(xì)胞二糖分解提升240%、甘油分解提升102%、乙醇產(chǎn)量提升837%及生物量生產(chǎn)力提升121%。其協(xié)同機(jī)制包括交叉喂養(yǎng)、正反饋、壞死物質(zhì)分解和空間分工。  

 

研究目的

開(kāi)發(fā)基于聯(lián)合體的生物處理策略，通過(guò)模擬自然互作機(jī)制提升纖維素衍生糖向生物產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化效率。  

 

研究思路：  

1. 選擇生理兼容的野生型菌株（C. phytofermentans為厭氧纖維素分解菌，E. coli為兼性厭氧多功能菌）  

2. 設(shè)計(jì)分工體系：C. phytofermentans降解纖維素糖，E. coli利用副產(chǎn)物和甘油  

3. 通過(guò)壞死物質(zhì)循環(huán)和代謝互作增強(qiáng)碳通量  

4. 利用生物膜空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氧梯度調(diào)控和穩(wěn)定性提升  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 光學(xué)密度和生物量（圖1a，表1）：聯(lián)合體生物量顯著高于單培養(yǎng)總和，證明協(xié)同生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)  

 

 

2. pH值（圖1b）：聯(lián)合體pH更低反映更高代謝活性和酸性副產(chǎn)物積累  

3. 底物消耗（圖1c,d）：細(xì)胞二糖和甘油消耗量顯著提升，證明協(xié)同降解能力  

4. 產(chǎn)物形成（圖1e,f,h）：乙醇、乙酸、甲酸產(chǎn)量大幅增加，表明代謝通量重新分配  

5. 生物膜O2微電極剖面（圖3）：揭示E. coli消耗O2創(chuàng)造厭氧區(qū)，支持C. phytofermentans存活  

 

6. 物種空間分布（圖4,5）：垂直分層證明空間分工（頂部E. coli為主，底部C. phytofermentans為主）  

 

 

7. 細(xì)胞數(shù)量與生物量濃度（圖2,5）：量化生物膜中種群動(dòng)態(tài)和生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)  

 

結(jié)論：  

1. 人工聯(lián)合體通過(guò)交叉喂養(yǎng)、正反饋和壞死物質(zhì)分解實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的底物降解、乙醇生產(chǎn)和生物量合成  

2. 生物膜培養(yǎng)結(jié)合厭氧-好氧轉(zhuǎn)換策略（AOS）進(jìn)一步提升生物量產(chǎn)量達(dá)153%  

3. E. coli消耗葡萄糖解除C. phytofermentans的纖維酶抑制是關(guān)鍵機(jī)制  

4. 空間分工和氧梯度調(diào)控使聯(lián)合體具備抗擾動(dòng)能力  

5. 為基于多菌群的纖維素生物處理提供設(shè)計(jì)范式  

 

Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)詳細(xì)解讀：  

使用25μm直徑O2微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部O2濃度的空間分布（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)：  

1. AOS培養(yǎng)策略產(chǎn)生最厚生物膜（275-475μm），O2在距氧化界面50μm處低于檢測(cè)限，形成大面積厭氧區(qū)支持C. phytofermentans生長(zhǎng)  

2. 完全氧化條件下生物膜最?。?7-34μm），全程保持高氧狀態(tài)  

3. 厭氧培養(yǎng)10天的聯(lián)合體生物膜接觸氧氣后，15分鐘內(nèi)即在100μm深度將O2降至檢測(cè)限以下，證明E. coli即使長(zhǎng)期未接觸O2仍保持呼吸酶表達(dá)能力  

4. 通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證O2消耗為生物學(xué)過(guò)程主導(dǎo)（實(shí)際耗時(shí)15分鐘）而非單純擴(kuò)散（預(yù)測(cè)僅需14-25秒）  

研究意義在于：  

? 直接證實(shí)生物膜內(nèi)O2消耗的生物學(xué)基礎(chǔ)  

 

? 量化E. coli的氧清除能力對(duì)維持厭氧環(huán)境的關(guān)鍵作用  

 

? 為AOS策略提供機(jī)理依據(jù)：通過(guò)時(shí)序控制氧暴露可誘導(dǎo)C. phytofermentans壞死并促進(jìn)E. coli生長(zhǎng)  

 

? 證明空間分區(qū)代謝的可行性：好氧層處理副產(chǎn)物，厭氧層維持發(fā)酵代謝