微藻-细菌共生体系突破非致病菌生物表面活性剂低产瓶颈：一种提高糖脂产量的创新策略

《Microbial Cell Factories》：Solution towards low yield biosurfactant production from bacteria, a novel approach using microalgae–bacteria consortium

本研究针对传统细菌源生物表面活性剂存在的产量低或病原菌安全问题，创新性地采用微藻-细菌共生体系（Bacillus subtilis-Desmodesmus perforatus consortium）进行糖脂生产。通过优化培养参数，将糖脂产量从纯细菌培养的0.0207 g/100mL显著提升至0.7109 g/100mL，证实了该策略在提高非致病菌生物表面活性剂产量方面的巨大潜力，为替代石油基表面活性剂提供了可持续解决方案。

　　

在当今工业领域，表面活性剂因其能够降低流体间表面张力而形成胶束的特性，成为清洁剂、制药和石油等行业不可或缺的化学品。然而，目前大多数表面活性剂的原材料仍来自石油基化合物，尽管现有石油储量尚能维持年度消耗，但石油作为不可再生资源，亟需可持续的替代品。近年来，研究人员将目光转向微生物源的生物表面活性剂，但面临两大困境：要么产量过低，要么源自病原菌，前者推高生产成本，后者带来安全隐忧。以常见生产菌株为例，芽孢杆菌属（Bacillus sp.）虽非致病但产量低，如Bacillus aryabhattai SPS1001的糖脂产量仅0.43 g/L；而假单胞菌属（Pseudomonas sp.）如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）虽产量高（可达5.72 g/L），却是耐药性病原体，应用风险大。这一矛盾促使科学家寻找新途径，既能保证安全，又能提升产量。

微藻-细菌共生体系近年崭露头角，在废水处理、生物修复、生物能源和农业肥料生产等领域展现出协同增效潜力。例如，小球藻（Chlorella vulgaris）与活性污泥共生可完全去除废水中的铵离子，而藻菌联合对铅、镉离子去除效率提升30-33%。受此启发，研究人员思考：能否利用微藻与细菌的共生关系，突破非致病菌生产生物表面活性剂的产量限制？为此，发表在《Microbial Cell Factories》的一项研究探索了枯草芽孢杆菌ATCC6633（Bacillus subtilis ATCC6633）与穿孔链藻（Desmodesmus perforatus）共生培养生产糖脂（glycolipid）的新策略，并通过系统优化，实现了产量的飞跃。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过细菌预培养（37°C过夜孵育）制备高浓度菌悬液（7.5×10⁹ CFU/mL）；利用改性AF6和BG11培养基分别培养不同微藻；建立共生体系（100mL营养肉汤共培养96小时）；采用酸沉淀法提取糖脂（离心、HCl调pH=2、二氯甲烷萃取）；通过FTIR分析功能性团；并进行了参数优化（微藻种类、接种量、培养基浓度和体积等）和1L规模放大实验。所有实验在生物安全柜内操作，避免污染，且设三重重复确保可靠性。

研究结果通过多维度优化揭示了共生体系的增产效应：

Effects of microalgae species on glycolipid yield

比较穿孔链藻、普通小球藻（Chlorella vulgaris FSP-E）和Monoraphidium sp.与枯草芽孢杆菌共生时的产量，发现穿孔链藻效果最佳（0.5825 g/100mL），而小球藻反因竞争营养反而减产（0.0722 g/100mL差异）。ANOVA分析证实物种选择对产量影响显著（P=0.011），推测因穿孔链藻能上调脂肪酸合成基因，下调降解基因，促进脂质积累。

Effects of microalgae volume on glycolipid yield

微藻接种量显著影响产量，4mL时达峰值（0.5825 g/100mL），过量则因微藻克服抗菌效应而减产。统计验证接种量变化影响显著（P<0.05），表明营养竞争诱导细菌分泌抗菌糖脂以抑制微藻，从而自我防御性增产。

Effects of medium concentration on glycolipid yield

营养肉汤浓度优化显示13 g/L为最优，稀释至10 g/L或8 g/L会因子缺减产，增至18 g/L则因高渗透压和代谢转移而减产（P=0.0085），表明营养平衡对维持共生和代谢至关重要。

Effects of initial bacteria concentration on glycolipid yield

细菌接种浓度试验揭示22.5×10⁹ CFU/mL时产量最高（0.6640 g/100mL），过低则增产不显，过高（如37.5×10⁹ CFU/mL）会因营养耗尽和微藻抑制而减产（P=0.0484），凸显细菌主导会削弱共生优势。

Effects of medium volume on glycolipid yield

培养基体积增加线性提升产量（y=0.052x+0.4639, R²=0.9741），250mL时达0.7109 g/100mL，但放大至1L因混合不均反降至0.3766 g/100mL，表明规模放大需优化传质。ANOVA确认体积变化影响显著（P<0.05）。

FTIR results for biosurfactants extracted

FTIR分析显示提取物与纯枯草芽孢杆菌糖脂谱图一致，特征峰包括3273.21 cm^-1（-OH）、2922.72 cm^-1（N-H）、1622.24 cm^-1（C=O）等，证实共生未改变产物结构，确认为糖脂类生物表面活性剂。

研究结论肯定微藻-细菌共生为解决非致病菌生物表面活性剂低产问题提供了高效方案。通过优化，糖脂产量从纯培养的0.0207 g/100mL提升至0.7109 g/100mL，增幅超34倍，且产物结构未变。该策略通过营养竞争诱导细菌防御性增产，同时共生促进养分交换（如维生素B₇），上调脂合成基因，实现协同增效。尽管放大过程暴露规模效应问题，但研究为工业化替代石油基表面活性剂奠定了理论基础，并启示未来需深入代谢组学、转录组学分析机制，开发更优提取工艺和放大策略。这一创新不仅推动生物表面活性剂商业化，更助力可持续化学工业发展。