《Current Opinion in Microbiology》：Multispecies biofilms are hubs for metabolic interactions leading to ecologically and biotechnologically relevant emergent properties
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在自然界中，大多数细菌生活在被称为生物膜的结构化群落中。生物膜环境产生了群落固有和生物膜相关的新兴特性。通过居住细菌之间的相互作用、生物膜及其环境、不同的基质组分，以及细菌与胞外聚合物（EPS）基质之间的相互作用，生物膜环境为其居民提供了独特的环境和生态位。通
在自然界中，大多数细菌生活在被称为生物膜的结构化群落中。生物膜环境产生了群落固有和生物膜相关的新兴特性。通过居住细菌之间的相互作用、生物膜及其环境、不同的基质组分，以及细菌与胞外聚合物（EPS）基质之间的相互作用，生物膜环境为其居民提供了独特的环境和生态位。通过在生物膜环境中创建亚生态位，多物种生物膜代表了高度异质的生态系统。在此，研究人员讨论了多物种生物膜如何能够容纳并强化多种不同的代谢相互作用，反之，代谢相互作用如何塑造群落特性和功能性。研究人员提供了关于共代谢和代谢物交叉喂养，以及资源共享和其他公共物品如何促进不同物种共存的事例，而资源竞争以及其他直接或间接竞争形式可能导致其他物种被排斥。研究人员还概述了多物种生物膜内的代谢相互作用如何产生新的表型和新兴特性，这些特性可能对环境生物技术及污染生态系统的生物修复具有应用价值。Current Opinion in Microbiology 2026, 92:102776 本综述源自环境微生物学专题，由James McKinlay编辑。https://doi.org/10.1016/j.mib.2026.102776 1369–5274/? 2026 作者。Elsevier Ltd出版。这是一篇基于CC许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）的开放获取文章。
**生物膜是代谢相互作用的枢纽**
生物膜是细菌在环境中的主要生活方式。由于生物膜环境中产生的新兴特性，这种生活方式与浮游生活方式存在显著差异。在自然界中，大多数细菌并非独立存在，而是作为群落或微生物组的一部分，这些群落本身又是更大生态系统的一部分。这种群落环境产生了新颖的群落固有特性，这些特性仅存在于群落环境中，且无法通过单独分析单一细菌来预测。只有通过研究这些多物种相互作用，研究人员才能揭示其潜力并理解微生物群落和生物膜的群落固有特性的全貌。胞外聚合物（EPS）基质是这些新兴特性的主要贡献者。不同细菌组成的生物膜中EPS基质的组成各异。生物膜基质的常见成分包括水、胞外多糖、核酸、蛋白质和脂质。EPS基质对细菌生物膜的多样性和重要性一直是生物膜研究的主要焦点，并已在前文中得到广泛综述。生物膜及其胞外基质通过产生局部浓度和梯度的差异（如pH值、氧气和代谢物）来促进代谢生态位的形成。因此，即使在单物种生物膜中，也观察到显著的表型异质性和细胞分化。特别是当考虑多物种生物膜时，显而易见的是，这些生物膜作为多样化的生态系统存在，其中由于居住细菌的相互作用，多个生态位不断形成和变化。总的来说，生物膜生活方式，尤其是多物种生物膜，成为不同细菌之间代谢相互作用发生的枢纽。
**代谢相互作用是微生物群落的核心**
代谢相互作用是各种不同微生物组和生态系统功能的核心。群落成员并非完全且私密地代谢底物，而是常通过补充合成或降解不同化合物的代谢途径，为群落的集体代谢做出贡献，这些化合物随后可被群落其他成员进一步加工或利用。研究人员尚不完全理解这些代谢相互作用如何在复杂群落中演化并占据主导地位。然而，Huelsman等人提出，蛋白质组效率的选择是微生物组中集体代谢的潜在机制。微生物组成员的局部代谢及由此产生的代谢共享随后引发了新兴模式。Kamrad等人的一项近期研究进一步支持了这一假设，他们在15种肠道细菌的104对组合共培养中观察到蛋白质组和代谢组的重塑。Zelezniak等人的一项研究也强调了理解代谢相互作用动态的重要性，该研究利用不同环境微生物群落的代谢模型表明，种间代谢交换在自然群落中广泛存在，且代谢相互依赖性是物种共现的主要驱动力。这些相互依赖性也可能解释了在实验室中分离这些细菌的困难。Kost等人先前提出，代谢交换在自然微生物群落中普遍存在且常具有协同作用。代谢依赖性此前也被证明是高多样性微生物群落中物种共现的关键因素。此类依赖性的一个重要后果是协同交叉喂养，即一个物种的代谢副产物支持其他物种的生长；这种相互作用反过来又会影响群落层面的特性，如抵抗入侵物种的能力。Banerjee等人定义的关键种是群落中对群落结构和功能产生重大影响的成员，履行独特且关键的角色，其移除会导致群落结构和功能的剧烈变化。这些关键种可能在合成群落中充当代谢促进者或竞争者，且由此产生的代谢相互作用会影响合成细菌生物膜群落的生物量，正如Sun等人所证明的那样。Yang等人还表明，种间相互作用可以促进复杂系统中的关键种，其中不同群落成员之间的相互作用促进了另一个对植物生长促进至关重要的群落成员。总之，微生物群落中的代谢相互作用是复杂的。它们对群落生产力至关重要，并通常由共代谢和资源共享所定义。
**生物膜环境强化代谢相互作用并促进共存**
如前文简要所述，生物膜生活方式由其相关的新兴特性所定义。生物膜基质是这些新兴特性的主要贡献者。由于基质主要由水组成，它通过保水提供了出色的抗干燥能力。除了水分，基质还能保留胞外酶，使其能够充当共居菌的胞外消化系统。除了酶活性，基质还有助于分子和营养物的吸附与保留。这种积累底物的能力帮助细菌提高环境中底物的生物可利用性，然后这些底物可被细菌代谢。Deng等人证明枯草芽孢杆菌生物膜能保留纤维素酶。增强的生物膜形成也导致纤维素降解增强，而缺乏胞外多糖和淀粉样纤维产生的细菌降解的纤维素较少。此外，Sanchez-Huerta等人显示，生物膜中疏水化合物的吸附和生物降解随着生物膜厚度的增加而增强。这似乎是由基质中蛋白质/多糖比例增加所促进的。Mangwani等人进一步证明了生物膜厚度和EPS组成在细菌降解不同碳源的能力中起重要作用。代谢物、氧气和pH梯度的局部浓度差异允许在生物膜内创建不同的生态位。除了生态位创建，生物膜内细菌的空间模式化和排列也会影响群落功能和动态。Henderson等人概述道，多物种生物膜中空间模式化的确切机制尚不清楚。然而，生物膜内的局部物理和化学环境会影响细胞生长，这反过来又会通过代谢物消耗和分泌来改变环境。这种反馈循环不断促成生物膜环境内动态的变化。除此之外，Pérez等人最近提出了基于扩散的增强型微生物组织作为另一种方式，可能在交叉喂养生物膜中影响空间组织和微生物劳动分工。一些研究表明，生物膜环境有利于支持代谢相互作用并可能促进共存。例如，Henriksen等人的一项研究表明，生物膜环境促进了乳酸乳球菌和肠膜明串珠菌的共存，而浮游共培养则导致乳酸乳球菌被肠膜明串珠菌所淘汰。Pande等人先前表明，结构化环境（如生物膜）有利于在非结构化条件下未观察到的合作性代谢种间相互作用。作者认为这种相互作用在环境中可能很常见。这在Hansen等人的一项共进化实验中得到了证实，其中空间结构被确定为建立结构化群落的关键环境因素，最终促进了不动杆菌和恶臭假单胞菌之间相互作用的进化。Ch'ng等人表明，仅在生物膜中观察到的金黄色葡萄球菌和粪肠球菌之间的代谢相互作用，可能是这些细菌在生物膜相关感染中频繁共现和共分离的根本原因。金黄色葡萄球菌衍生的血红素被证明能促进粪肠球菌生物膜形成，导致双物种生物膜生物量增加。粪肠球菌与EPS基质的代谢相互作用也被认为在增强生物量产中发挥作用，稳定种间关系并增强与大肠杆菌O157:H7和肠炎沙门氏菌的三物种生物膜中的共存。在另一项研究中，将金黄色葡萄球菌与铜绿假单胞菌作为生物膜共培养导致金黄色葡萄球菌中发酵通路上调。由此产生的乳酸随后作为碳源被铜绿假单胞菌优先代谢。此外，虽然起初共存，但铜绿假单胞菌在较长时间内降低了金黄色葡萄球菌的活性。值得注意的是，这种杀灭效应在塑料表面生长的生物膜和人支气管上皮细胞上形成的生物膜中都有观察到。总体而言，这模拟了人类呼吸道中经常观察到的演替过程。微生物协同作用是微生物之间的相互作用，其中联合结果大于单个微生物单独作用的总和。协同代谢相互作用已被证明在复杂生物膜群落中普遍存在。Valiei等人使用基于主体的建模来探索模型肠道黏膜生物膜群落的动态，测试了群落成员之间的多种不同代谢相互作用。结果，他们证明交叉喂养促进物种间的共存，其中互利共生和偏利共生相互作用促进物种混合。作者还表明，在竞争环境中，较高的生长速率对物种成功更重要，而在中性、偏利和互利相互作用中，生长产量更重要。总之，作者表明正相互作用是通过单个细菌以及群落的资源效率所促进的。Zhang等人利用由九种肠道细菌组成的生物膜模型群落，采用多组学方法研究了群落相对于单独细菌增强生物膜形成背后的机制。调控氨基酸和嘌呤代谢的基因被鉴定为群落协同作用的主要机制之一。在生物膜环境中，资源的稀缺也可能促进细菌之间的负相互作用。在这里，使多物种生物膜中发生协同作用的相同机制也可能导致拮抗和竞争。细菌有几种可用于竞争的机制。就代谢相互作用而言，生长抑制、环境改变和有毒代谢副产物的产生尤为重要。一个常见的有毒副产物的例子是在牙菌斑生物膜中产生过氧化氢。除此之外，与之前概述的pH变化可能促进其他群落成员生长类似，细菌代谢导致的pH改变也可能抑制其他群落成员的生长。一些群落成员可能通过降解基质来获得竞争优势，或将降解产物作为营养源，如Pontrelli等人在海洋模型系统中证明的那样。在这里，EPS降解随时间促进代谢生态位的改变，表明EPS的产生和降解可能影响生物膜群落中的群落动态和轨迹。最后，在生物膜中争夺同一生态位的细菌之间简单竞争生长所需的资源，也可能导致更传统的细菌战争形式，即产生次生代谢产物如抗生素或抗菌肽。总之，生物膜可以提供一种环境，能够促进和增强不同细菌之间的代谢相互作用。这些代谢相互作用可以促进细菌在被其他方式无法茁壮成长的环境和生态位中建立。因此，多物种生物膜中单个细菌的存在与否可以决定群落在不同环境中的命运。此外，生物膜的居住者显著促进了生态位的产生，导致在每个生态位内选择特定的细菌代谢群，从而挑战了“万物皆存，环境选择”假说，因为细菌会改变环境从而促进选择。重新评估这一长期假说有效性的必要性呼应了O'Malley的论点，表明这种讨论在当今的研究环境中仍然重要。
**多物种生物膜中的代谢相互作用产生新兴特性**
多物种生物膜可以产生特定于群落环境和生物膜环境的新兴特性。这些特性对群落动态很重要，并可能在生物技术中有潜在应用。因此，研究并表征多物种生物膜中的代谢相互作用对于发现更多这些潜在有益功能至关重要。在本节中，研究人员将简要提供多物种生物膜中出现的代谢相互作用的事例，以及由生物膜介导的代谢相互作用产生的新兴特性。研究人员此前已证明，使用从分解叶片中分离出的四种细菌模型群落作为生物膜生长时，角蛋白降解增强。结果表明，这种效应是由嗜麦芽寡养单胞菌（前身为反枝假单胞菌Xanthomonas retroflexus）从单培养中的亚硫酸分解活性转变为共培养中的蛋白水解活性所驱动。这种变化是源自群落固有新兴特性的代谢相互作用的一个主要例子。对群落中两个成员嗜麦芽寡养单胞菌和解淀粉类芽孢杆菌之间相互作用的更仔细研究表明，嗜麦芽寡养单胞菌通过氨基酸分解代谢引起的环境碱化增强了解淀粉类芽孢杆菌的生长和存活。基因组分析揭示了多种化合物（包括纤维素和异生物质）的群落代谢遗传潜力。这表明该群落可能表现出进一步但尚未表征的代谢相互作用。将该群落应用于拟南芥根际后，产生了对干旱的保护作用，而单独应用单个细菌则未观察到这种作用。总之，该群落是简单模型联合体中可能发生的相互作用多样性、其产生的新兴特性及潜在应用的关键例子。使用多物种生物膜和合成群落作为生物接种剂和生物肥料是替代传统肥料的有前景选项。多物种生物膜对扰动的增强韧性使其应用比单物种更具优势。根际成员之间的互养合作可能特别令人感兴趣，正如Sun等人所概述。在这里，将贝莱斯芽孢杆菌SQR9连同黄瓜根际本土的施氏假单胞菌菌株一起施用，促进了植物生长并减轻了盐胁迫效应。通过共享EPS基质和必需代谢物的交叉喂养，这两种细菌在根际中的适应性增加，最终产生了促进植物生长的效果。由多物种生物膜中代谢相互作用产生的新兴特性可能对环境污染物的修复特别感兴趣。生物修复，即利用微生物减轻污染，是一种无需化学品或其他可能具有未知长期环境后果的合成产品即可从环境中去除污染物的有力工具。使用环境细菌进行这一目的的前景非常光明，因此许多研究聚焦于此领域，既使用野生型细菌，也使用专门为生物修复目的而设计的细菌。生物膜本质上是居住细菌的生存策略，通常允许它们耐受恶劣的生活环境，因为生物膜可以保护细菌免受干燥、捕食，并增强对抗生素和其他毒素的耐受性。多物种生物膜可以表现出影响异生物质命运（即对生物系统而言外来的化合物）的代谢活性。总之，这使得生物膜成为各种环境中生物修复应用的理想选择。在一篇近期综合综述中，Sarkar等人强调了开发用于商业生物修复应用的生物膜的潜力和挑战。Perera等人展示了环境群落进行污染物生物修复的潜力。这里，一个由曲霉复合体和蜡样芽孢杆菌组成的双物种生物膜表现出协同的烃降解，成为生物膜联合体用于生物降解应用的极佳事例。Alcanivorax borkumensis的生物膜形成和燃料源油的吸附也被证明能促进其他微生物的生长。这很可能是吸附油的可利用性增强的结果，使能够进行生物降解的微生物获得底物，最终导致烃的降解。除此之外，多物种生物膜还被证明能增强重金属（如汞）的吸附，并增强农药和杀菌剂的生物降解。总体而言，研究人员认为基于生物膜的方法对于生物修复和生物降解目的很有前景。除了生态威胁，世界海洋中塑料污染物的存在也为细菌生长提供了新的底物。近年来，这被称为塑料圈。塑料圈还可能包括具有塑料降解潜力的细菌。因此，通过塑料降解细菌在塑料污染物上控制性发展微生物生物膜，可能对未来塑料废物管理很重要。除了自然系统，生物膜介导的微塑料保留和降解也可能在废水处理中有应用潜力。在这里，开发微生物群落以改善聚合物降解可能特别令人感兴趣且具有重要意义，不仅对研究界，而且对全球人口而言。细菌长期以来一直被用于生物技术以生产多种化合物。在一篇近期综述中，Oguntomi等人评估了在生物过程中实施生物膜的潜力和障碍。与单物种生物膜相比，混合物种生物膜中的代谢相互作用可能通过提高效率、稳定性和生产力来增强生物合成潜力。生物膜的增强韧性、高细胞密度和固着性质使其成为在生物反应器中使用的有吸引力的选择。设计并工程化一种微生物生物膜，通过代谢相互作用维持多样性并更有效地生产目标化合物，同时利用生物膜的保护性益处，仍然是一个挑战。
**结论与展望**
总之，多物种生物膜环境实现了种间相互作用的巨大多样性。特别是群落不同成员之间的代谢相互作用，可能受到多种因素的影响，并导致这些相互作用在本质上是协同的或竞争的。总体而言，利用代谢相互作用进行有益应用（例如在生物技术和生物修复中）具有巨大潜力。这些代谢相互作用既可以视为新兴特性背后的机制，也可以视为新兴特性本身。理解多物种生物膜新兴特性和种间相互作用背后的动态和机制，是揭示生物膜如何作为系统运行的关键，并将提高研究人员分析更大系统和微生物组中多物种相互作用的能力。对多物种相互作用的理解加深也将有助于设计用于生物修复和其他生物技术应用的定向合成群落。共存、促进以及由此产生的新兴特性的普遍存在也提出了一个问题：细菌定殖和群落发展在多大程度上取决于环境条件，以及细菌自身在多大程度上可以通过例如代谢相互作用来影响这一点。尽管近年来在推进这些领域的知识方面做出了努力，但仍存在显著的知识空白。与Rumbaugh等人的观点一致，研究人员认为设计并应用更能反映真实生活条件和自然环境的生物膜模型可能有助于填补这些知识空白。除此之外，代谢建模的进步将进一步允许研究人员在计算机中模拟相互作用，从而回答关于群落代谢的更具体问题。除了计算机方法的改进，开发并将单细胞和空间转录组学应用于生物膜，也承诺提高基于组学的技术的分辨率，并允许在复杂样本中识别多物种相互作用。特别是对于环境分离物和其他尚无基因工程验证方法的物种，单细胞技术可能提供一种合适的替代方案来表征相互作用及其潜在机制。
