反应器接种策略调控滑石粉增强培养中链霉菌形态与次级代谢产物生产的创新研究

本研究针对丝状微生物链霉菌在生物反应器中培养的复杂性，探索了孢子与预培养物两种接种方式下滑石粉增强培养(MPEC)对Streptomyces rimosus形态特征及次级代谢产物（如oxytetracycline、rimocidin等）生产的影响。结果表明，接种策略是决定MPEC效率的关键因素，孢子接种结合7 g L-1滑石粉使rimocidin产量提升17倍，且显著减小菌体聚集体尺寸。该研究为工业规模链霉菌高效培养提供了重要的形态工程策略和理论依据。

　　

链霉菌作为重要的工业微生物，能够产生多种具有生物活性的次级代谢产物，包括抗生素、抗真菌剂及其他生物活性化合物。然而，由于其丝状生长的特性，链霉菌在发酵过程中易形成大型菌丝聚集体，导致培养液黏度增加、氧传递效率下降以及营养物质扩散受限，从而影响目标产物的合成效率。尽管在摇瓶规模中已有研究表明通过添加滑石粉等微颗粒可有效调控微生物形态并提升代谢产物的产量，但在生物反应器中进行相关研究的数据仍较为缺乏，限制了该策略向工业规模的推广。

为此，Anna Scigaczewska及其团队在《Microbial Cell Factories》上发表了一项研究，系统探讨了在5升搅拌式生物反应器中，采用孢子直接接种和预培养物接种两种策略下，添加不同浓度滑石粉微颗粒对Streptomyces rimosus ATCC 10970的形态特征和次级代谢产物生产的影响。研究不仅评估了包括氧四环素(oxytetracycline)、雷莫霉素(rimocidin)及其衍生物在内的多种代谢物的产量变化，还通过数字图像分析量化了菌体聚集体的形态参数，为MPEC技术在反应器规模的应用提供了重要依据。

在研究过程中，作者主要采用了以下几项关键技术方法：利用5升搅拌式生物反应器进行不同接种策略下的批次培养；通过添加不同浓度（2.5–10 g L^-1）的滑石粉微颗粒实施MPEC；借助光学显微镜与图像分析软件（OLYMPUS cellSens）对菌体形态进行定量分析，包括投影面积、粗糙度及形态学数值(Mo)等参数；采用超高效液相色谱(UPLC)与高分辨率质谱(HR-MS)对代谢产物进行定性与定量分析；通过统计方法计算增强因子(EF)评价微颗粒对产物合成的促进效果。

研究结果

次级代谢产物在MPEC中的生物合成

在孢子接种的实验中，滑石粉的添加显著改变了多种代谢物的产量。例如，rimocidin在添加7 g L^-1滑石粉时产量增强了17倍，而雷莫霉素27位乙基衍生物也在同一条件下产量提升14.5倍。相反，在预培养物接种的实验中，滑石粉的添加对多数代谢物产量提升不明显，甚至产生抑制效应。结果表明，接种策略是影响MPEC效果的关键因素之一。

形态学分析

添加滑石粉显著减小了S. rimosus聚集体的投影面积。在孢子接种对照组中，最大聚集体面积达2.1×10⁴ μm²，而在MPEC（10 g L^-1滑石粉）中降至1.1×10⁴ μm²。预培养接种对照组中聚集体尺寸更大，达到1.0×10⁵ μm²，MPEC则普遍降至3.5×10⁴ μm²以下。形态学数值(Mo)分析表明，预培养接种并结合中高浓度滑石粉更容易形成规则 pellet 形态（Mo > 0.5），而其他条件下多为不规则聚集体。

葡萄糖浓度与摄取速率的时间变化

两种接种策略下葡萄糖消耗存在显著差异。预培养接种实验中葡萄糖利用更充分，最终残留浓度可低至2.2 g L^-1，而孢子接种组残留浓度较高（7.5 g L^-1）。滑石粉的添加对葡萄糖消耗影响不显著，说明其促进代谢产物合成并非通过改变碳源利用效率实现。

生物反应器中溶解氧与pH变化曲线

孢子接种实验中，添加滑石粉提高了初期摄氧率，使溶解氧(pO₂)下降更快；而预培养接种实验中，MPEC条件下的摄氧率反而低于对照组。pH曲线在两组接种策略中均出现局部极小值，滑石粉的添加对pH变化影响较小，但在预培养组中使pH极小值降低0.2–0.5单位。

生物量浓度的时间变化

滑石粉的添加显著提高了孢子接种实验中的生物量浓度，在7 g L^-1滑石粉条件下24小时生物量达5.1 g L^-1，高于对照组的2.4 g L^-1。预培养接种实验中，生物量增长幅度较小，说明微颗粒对生长的影响高度依赖于接种策略。

结论与讨论

本研究首次在生物反应器规模系统评价了滑石粉增强培养(MPEC)对Streptomyces rimosus形态与代谢的综合影响。主要结论包括：接种策略是决定MPEC效果的关键，孢子接种下添加7 g L^-1滑石粉可显著提升rimocidin等代谢物产量；微颗粒添加普遍减小菌体聚集体尺寸，改善培养体系传质效率；形态学参数变化受接种方式调控，预培养接种更易形成规则pellet；葡萄糖消耗与氧传递行为因接种策略不同而呈现显著差异。

该研究的重要意义在于将MPEC技术从摇瓶规模扩展至生物反应器，为工业放大提供了关键实验依据。通过优化接种与微颗粒添加策略，可实现链霉菌形态的精准调控，进而高效生产具有重要应用价值的次级代谢产物。未来研究可进一步结合基因表达分析与代谢通量分析，深入探索微颗粒影响微生物代谢的分子机制。