基于生态位建模的单增李斯特菌生物防腐系统工程研究

本研究针对食品中病原微生物污染问题，创新性地将生态位建模（Ecological Niche Modeling）应用于生物防腐系统设计。研究人员通过高通量竞争实验，结合k-means聚类和响应面建模（RSM）技术，筛选出具有互补抑制特性的菌株组合——Carnobacterium maltaromaticum CP14与Leuconostoc pseudomesenteroides PTF6，其加权生态位缩减值（WNR）表现优异。该研究为食品微生物组工程提供了基于生态学原理的理性设计范式。

　　

每年全球因食源性病原体导致的疾病负担触目惊心，仅欧盟2022年就报告2952例李斯特菌病病例，造成335人死亡。食品作为复杂生态系统，其微生物群落受pH、NaCl等非生物因素及竞争、共生等生物因素共同塑造。传统生物防腐技术面临两大挑战：一是单增李斯特菌(L. monocytogenes)作为"生态通才"能适应多样环境；二是现有方法多忽视食品基质的时空异质性。如何基于生态学原理设计精准抑菌系统，成为食品微生物安全领域的关键科学问题。

法国国家科学研究中心（French National Research Agency）的研究团队创新性地将Hutchinson生态位理论引入食品微生物组工程。研究采用发光标记的L. monocytogenes EGDelux菌株，在葡萄糖、NaCl、pH三因素Dohelert实验设计中，通过高通量竞争实验评估了多种微生物的抑制效应。关键技术包括：1）基于发光强度（RLU）的实时生长监测；2）响应面建模（RSM）量化生态位特征；3）k-means聚类分析抑菌表型；4）加权生态位缩减（WNR）算法预测菌株组合效应。

【结果发现】

研究涵盖从奶酪分离的LMA1、PL1547等临床株及21种肉制品常见微生物，构建了涵盖乳酸菌、葡萄球菌等多类群的竞争体系。

在13种环境组合中，EGDelux的发光强度与生长量显著相关（R²>0.9），验证了该报告系统适用于多元环境下的竞争监测。 通过整合RSM和聚类分析，竞争者被分为5个功能群：Ⅰ类（强抑制+广谱生态位重叠）、Ⅱ类（中等抑制+pH敏感）等。值得注意的是，C. maltaromaticum CP14（Ⅲ类）与L. pseudomesenteroides PTF6（Ⅳ类）表现出生态位互补特性，其组合使L. monocytogenes的预测生态位体积缩减达47%。 该研究开创性地将生态位理论转化为可量化的工程参数，证实：1）微生物抑菌效能与其生态位特征存在定量关联；2）菌株组合的生态位互补性可增强抑菌效果；3）WNR算法能有效预测合成菌群的性能。这种"自下而上"的设计范式，为开发适应复杂食品环境的下一代生物防腐系统提供了方法论基础。未来研究需纳入温度、氧分压等更多维度参数，并探索多菌种互作网络的稳定性机制。