一种新型的乳酸菌——Sporolactobacillus sp. LBM15018，通过种间互喂作用增强了Caproicibacterium lactatifermentans的生长能力及己酸发酵能力

《Bioresource Technology》：A novel lactic acid bacterium, Sporolactobacillus sp. LBM15018, enhances the growth and caproate fermentation capacity of Caproicibacterium lactatifermentans through interspecies cross-feeding

耦合慢生长乳酸菌Sporolactobacillus sp. LBM15018与链延伸菌Caproicibacterium lactatifermentans的共培养发酵策略显著提升了丙酸生产力，达8.9 g/L，较单菌发酵提高69%，同时避免了过度酸化问题。

　　

张琳萌|郑佳|任聪|徐岩

江南大学工业生物技术教育部重点实验室，酿造微生物学与应用酶学实验室，中国无锡

摘要

己酸是一种重要的中链脂肪酸，在食品、化工和制药行业中具有广泛的应用。然而，其生产通常依赖于传统的石化方法，这些方法能耗高且对环境不友好。本研究开发了一种定义明确的共培养发酵策略来生产己酸，使用了一种新分离的、生长缓慢的乳酸菌 sp. LBM15018，以及链延长菌。以葡萄糖作为唯一的碳源，并且不进行在线pH控制，这种共培养实现了乳酸的单向交叉供给，防止了过度酸化，并有效地推动了反向β-氧化过程以合成己酸。在低成本氮源条件下，添加酵母提取物和玉米浸出粉后，该共培养体系的己酸产率达到了3克/升/天，最终浓度为8.9±0.3克/升，比单独培养提高了69%。总体而言，这些结果表明，将 sp. LBM15018与结合使用可以防止培养基的快速酸化，并提供缓慢的乳酸供应，从而提高己酸的产率，并为未来低成本和可持续的中链脂肪酸工业生物合成提供了机制上的见解。

引言

己酸是一种六碳中链脂肪酸，在食品添加剂、化工和制药等领域非常受欢迎，因为它具有低熔点、高化学稳定性和独特的生化功能（Angenent等人，2016年；Wang等人，2024年）。目前的工业规模己酸生产主要依赖于能耗高的化学合成方法，这种方法不仅碳密集，也无法满足全球对可持续制造日益增长的需求（Luo等人，2024年；Otten等人，2022年）。相比之下，基于微生物链延长技术的生物合成方法受到了越来越多的关注，因为它们可以利用可再生生物质资源，并具有碳中和潜力（X. Li等人，2024年；Montecchio等人，2024年）。然而，微生物生产己酸目前仍受到低产率（3～8克/升）和高生产成本（Huo等人，2025年；Wang等人，2026年）的阻碍。一个主要瓶颈是缺乏能够直接将碳水化合物底物转化为己酸的有效生产菌株（Debergh & Van Dael，2022年）。

Clostridium kluyveri首次发现于20世纪40年代，是已酸生产的基准菌株，据报道其产率可达约16～21克/升（San-Valero等人，2019年；Zhang等人，2025年）。然而，它对乙醇和乙酸的严格依赖性，以及无法直接发酵葡萄糖等糖类，严重限制了其在基于碳水化合物的发酵过程中的应用（Seedorf等人，2008年）。近年来，已分离出几种能够利用糖类的新型己酸生产菌（CPB），包括属（例如和）（Wang等人，2022a）、属（例如和7D4C2菌株）（Esquivel-Elizondo等人，2021年；Kim等人，2015年）以及属（例如和）（Jeon等人，2017年）。其中，因其能够利用葡萄糖和乳酸且没有丙烯酸途径（从而防止碳向丙酸转化）而受到特别关注。这些特性使其特别适合在富含乳酸的环境中使用，如酿造废水和食品废弃物流中（Ulcar等人，2024年）。

基因组分析显示：具有利用多种底物的代谢潜力，包括葡萄糖、麦芽糖和乳酸（Wang等人，2021年）。在以乳酸为底物的条件下，反向β-氧化途径高度表达，占总mRNA转录本的20%，从而实现了高效的己酸合成。研究表明，在葡萄糖上的长时间生长会诱导强烈的碳分解代谢抑制，这会削弱乳酸的利用，从而降低己酸的产率（Wang等人，2022b）。然而，在葡萄糖和乳酸同时存在的条件下，尚不清楚反向β-氧化途径是否能够充分且稳定地表达以维持己酸的生物合成。

目前，大多数CPB缺乏成熟的遗传操作工具，这严重限制了代谢工程方法的可行性。因此，自下而上的合成微生物联合体构建成为一种有前景的替代策略，以扩展CPB可利用的碳源范围（Cui等人，2021年）。例如，将与产乙酸菌如或共培养，可以将合成气（CO和H₂）转化为己酸和己醇（Diender等人，2016年；Richter等人，2016年）。同样，将CPB与糖分解梭菌（例如）配对，可以利用低成本糖类生产己酸（Otten等人，2022年）。然而，当多种菌株竞争相同的简单糖类时，共培养系统容易出现底物竞争、生长动力学不匹配和代谢物介导的抑制，尽管这些限制通常可以通过合理的生态设计或工程控制来缓解（Mcnichol等人，2024年；Song等人，2024年）。因此，选择一种能够利用碳水化合物同时最小化与CPB直接竞争的兼容伴侣菌株对于设计共培养系统至关重要。

在这项研究中，首次报道了一种由CPB 和一种新型生长缓慢的乳酸菌 sp. LBM15018组成的定义明确的共培养系统。在葡萄糖为底物的条件下，系统地分析了单培养和共培养系统的代谢性能，以解决两个关键问题：（i）生长缓慢的乳酸菌是否能够与建立稳定且互利的相互作用以提高己酸产量；（ii）种间相互作用如何影响共培养系统中的生长动态和代谢通量分布。总之，这项工作为合理设计稳健的微生物联合体提供了理论和实验基础，从而扩展了CPB的碳源范围，并促进了己酸的可持续工业生产。

章节片段

从坑粘土中分离 sp. LBM15018

将0.3克坑粘土样品接种到含有8毫升改良梭菌生长培养基（mCGM）的15毫升离心管中。随后加入0.1克CaCO₃，以防止培养基在富集过程中过度酸化。将试管放入装有产气包的厌氧罐中，建立无氧环境，并在37°C下培养7天。培养后，将富集培养物连续稀释并划线接种到mCGM琼脂上

从坑粘土中分离和鉴定新型 sp. LBM15018

在高质坑粘土在mCGM培养基中富集7天后，连续稀释培养物，接种并反复划线，直到获得无菌培养物。通过这一过程，成功分离出一种新型乳酸菌，命名为 sp. LBM15018。该菌落呈圆形，略微凸起，呈白色不透明。细胞呈杆状，长度约为3～8微米，宽度约为0.3～0.5微米（图1A–C）。

结论

在这项研究中，分离出一种生长缓慢的乳酸菌 sp. LBM15018，并将其与一起用于链延长反应。在无pH控制的葡萄糖基发酵过程中，使用玉米浸出粉作为主要氮源，该共培养体系的己酸产率为3克/升/天，最终浓度为8.9±0.3克/升，比单独培养提高了69%。转录组分析显示

未引用的参考文献

Li等人（2024年）。

CRediT作者贡献声明

张琳萌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法学，研究，正式分析，数据管理。郑佳：监督，资源提供，研究。任聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理。徐岩：资源提供，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2101201）的支持。