Artificial consortium demonstrates emergent properties of enhanced cellulosic-sugar degradation and biofuel synthesis  

人工聯合體展示出增強纖維素糖降解和生物燃料合成的涌現特性  

來源：npj Biofilms and Microbiomes, 2020, volume 6, article number 59  

《npj生物膜與微生物組》2020年第6卷第59期  

 

摘要內容

該研究通過理性設計構建了一個由C. phytofermentans（初級資源專家）和E. coli（次級資源專家）組成的人工聯合體，在浮游和生物膜培養條件下均表現出超越單培養物總和性能的涌現特性，包括細胞二糖分解提升240%、甘油分解提升102%、乙醇產量提升837%及生物量生產力提升121%。其協同機制包括交叉喂養、正反饋、壞死物質分解和空間分工。  

 

研究目的

開發基于聯合體的生物處理策略，通過模擬自然互作機制提升纖維素衍生糖向生物產品的轉化效率。  

 

研究思路：  

1. 選擇生理兼容的野生型菌株（C. phytofermentans為厭氧纖維素分解菌，E. coli為兼性厭氧多功能菌）  

2. 設計分工體系：C. phytofermentans降解纖維素糖，E. coli利用副產物和甘油  

3. 通過壞死物質循環和代謝互作增強碳通量  

4. 利用生物膜空間結構實現氧梯度調控和穩定性提升  

 

測量數據及研究意義：  

1. 光學密度和生物量（圖1a，表1）：聯合體生物量顯著高于單培養總和，證明協同生長優勢  

 

 

2. pH值（圖1b）：聯合體pH更低反映更高代謝活性和酸性副產物積累  

3. 底物消耗（圖1c,d）：細胞二糖和甘油消耗量顯著提升，證明協同降解能力  

4. 產物形成（圖1e,f,h）：乙醇、乙酸、甲酸產量大幅增加，表明代謝通量重新分配  

5. 生物膜O2微電極剖面（圖3）：揭示E. coli消耗O2創造厭氧區，支持C. phytofermentans存活  

 

6. 物種空間分布（圖4,5）：垂直分層證明空間分工（頂部E. coli為主，底部C. phytofermentans為主）  

 

 

7. 細胞數量與生物量濃度（圖2,5）：量化生物膜中種群動態和生長優勢  

 

結論：  

1. 人工聯合體通過交叉喂養、正反饋和壞死物質分解實現增強的底物降解、乙醇生產和生物量合成  

2. 生物膜培養結合厭氧-好氧轉換策略（AOS）進一步提升生物量產量達153%  

3. E. coli消耗葡萄糖解除C. phytofermentans的纖維酶抑制是關鍵機制  

4. 空間分工和氧梯度調控使聯合體具備抗擾動能力  

5. 為基于多菌群的纖維素生物處理提供設計范式  

 

Unisense微電極測量數據詳細解讀：  

使用25μm直徑O2微電極測量生物膜內部O2濃度的空間分布（圖3）。研究發現：  

1. AOS培養策略產生最厚生物膜（275-475μm），O2在距氧化界面50μm處低于檢測限，形成大面積厭氧區支持C. phytofermentans生長  

2. 完全氧化條件下生物膜最?。?7-34μm），全程保持高氧狀態  

3. 厭氧培養10天的聯合體生物膜接觸氧氣后，15分鐘內即在100μm深度將O2降至檢測限以下，證明E. coli即使長期未接觸O2仍保持呼吸酶表達能力  

4. 通過計算驗證O2消耗為生物學過程主導（實際耗時15分鐘）而非單純擴散（預測僅需14-25秒）  

研究意義在于：  

? 直接證實生物膜內O2消耗的生物學基礎  

 

? 量化E. coli的氧清除能力對維持厭氧環境的關鍵作用  

 

? 為AOS策略提供機理依據：通過時序控制氧暴露可誘導C. phytofermentans壞死并促進E. coli生長  

 

? 證明空間分區代謝的可行性：好氧層處理副產物，厭氧層維持發酵代謝