综述：理解并利用产乙酸混合营养共培养中种间相互作用的复杂性

本文聚焦产乙酸共培养，阐述产乙酸菌（acetogens）利用伍德 - 隆达尔途径（WLP）的优势，分析共培养中碳水化合物与外源气体共发酵的模式，探讨种间相互作用、稳定性及研究方法，为相关研究提供全面参考。

　　

引言

产乙酸菌是一类非分类学定义的细菌，能利用伍德 - 隆达尔途径（WLP）固定 CO₂和其他 C₁底物 ，其主要的碳利用模式有自养（气体发酵）和产乙酸非光合（ANP）混合营养两种。自养模式可利用工业废气，有助于稳定大气 CO₂浓度；ANP 混合营养模式能同时利用碳水化合物和气体，有望实现碳中性甚至碳负性的代谢产物生产。

近年来，随着工程合成菌群概念的兴起，产乙酸菌共培养受到越来越多的关注。传统的共培养方案常采用线性、顺序转化的方式，如将低价值底物（如模拟合成气的 CO₂、CO 和 H₂ ）先由 “上游” 产乙酸菌转化为中间代谢物（乙酸和乙醇），再由 “下游” 碳链延长菌（如 Clostridium kluyveri）将其升级为长链（C3 - C8）羧酸，最后产乙酸菌将长链羧酸盐转化为相应的醇。这种关系曾被认为是偏利共生，但实际上，长链羧酸和醇的积累可能抑制产乙酸菌，而且产乙酸菌在转化过程中存在电子损失。

当产乙酸菌与利用糖类和 / 或其他复杂碳水化合物的异养菌共培养时，能改善整体碳管理。此时，产乙酸菌既能回收碳水化合物分解代谢产生的 CO₂，又能同化外源气体供应的 CO₂ 。与单菌 ANP 混合营养不同，共培养中的混合营养会导致通过代谢网络进行复杂的、非线性的含碳化学物质交换，形成复杂的代谢网络，其中涉及细胞间通过胞外代谢物传递碳，还可能包含信号成分，如群体感应分子、趋化剂等，使得通过基于¹³C 的通量组学等通量平衡分析难以研究这类系统。随着产乙酸共培养从线性代谢方案向复杂代谢网络发展，工程化面临巨大挑战，因为代谢网络状态受动态培养环境影响，且网络中的相互作用依赖敏感的刺激 - 响应系统，而现有的工程方法（如使用多孔膜进行分隔）可能破坏复杂的相互作用组。此前的综述多关注产乙酸共培养涉及的物种和化学转化，本文则重点探讨这类系统的营养关系本质以及表征和探索它们的方法。

产乙酸共培养

由于可能的共培养方案组合众多，且产乙酸菌及其潜在合作伙伴的底物范围广泛，很难严格确定哪些共培养方案可行以及哪些分子可用作碳底物。许多产乙酸菌，如 Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii、Eubacterium limosum、Clostridium carboxydivorans、Acetobacterium woodii 等都参与过共培养研究。

探索产乙酸共培养中种群动态相互作用的方法

在合成菌群工程迅速发展的背景下，种间相互作用一直是生态学的核心概念。种间相互作用模式大致可分为竞争型（包括竞争、拮抗和偏害共生）和互利型（包括互利共生和偏利共生）。虽然目前对种间相互作用的研究在不断深入，但如何准确表征种群稳定性和种间关系仍是一个重要课题。

意外的接触介导的互利共生相互作用：为何它们对碳管理很重要以及表征它们的新兴工具

近期研究发现，不同细胞间存在复杂的、依赖接触的相互作用，涉及细胞质物质交换，甚至有转录机制和遗传物质的交换。这些相互作用对碳管理的影响目前还难以预测，需要进一步研究。其产生的新行为及其影响也引发了科研人员的好奇，相关新兴工具的开发和应用有助于更深入地探究这些现象。

建议

利用互利共生共培养，产乙酸菌有潜力将工业废气转化为高价值化学品，并改善异养发酵中的碳管理，实现相对于糖碳的碳中性或碳负性代谢产物生产。然而，要实现这一潜力，仍有几个研究领域需特别关注，比如基于共培养的混合营养系统的应用还比较缺乏，除了碳链延长相关研究外，其他方面的研究也有待加强。