微生物共培養(yǎng)技術(shù)日益引起重視，共培養(yǎng)系統(tǒng)技術(shù)使新的生物精煉平臺的開發(fā)成為可能，以通過可持續(xù)的生物轉(zhuǎn)化過程獲得生物燃料和高價(jià)值化合物。國際著名期刊Bioresource Technology發(fā)表文章描述了未來共培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用方向，提出設(shè)計(jì)共培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建新的生物精煉平臺的設(shè)想。

1.背景

工農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展產(chǎn)生大量廢棄物物，污染環(huán)境，對生命健康產(chǎn)生負(fù)面影響。找到一種適宜的廢物處理技術(shù)是關(guān)乎人類未來可持續(xù)發(fā)展的重要問題。微生物技術(shù)是處理和利用不同廢物的有力工具，使用幾種純培養(yǎng)物或微生物混合物可以獲得多種高附加值化合物（即丁二酸、富馬酸、蘋果酸、低聚木糖、糠醛、5-羥甲基糠醛、酚類化合物、甲酸等）。

目前，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)上是基于無菌培養(yǎng)物或單一培養(yǎng)物的使用，因?yàn)槠湟子诒O(jiān)測、對代謝途徑了解以及符合嚴(yán)格的生物安全法規(guī)。然而，使用單一培養(yǎng)物的問題是其高污染風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和社會效益的下降以及運(yùn)行期間大量原料損失。克服這些瓶頸的一種方法是使用共生共培養(yǎng)物，已證明能夠避免污染問題，且易于適應(yīng)環(huán)境變化。此外，共培養(yǎng)物通過相關(guān)微生物協(xié)同代謝能顯著提高生物量和高價(jià)值產(chǎn)品的產(chǎn)量。

自20世紀(jì)以來，已報(bào)道使用微生物共培養(yǎng)作為使用復(fù)雜基質(zhì)的有效方法，以通過激活隱藏在其他微生物中的生物活性途徑來生產(chǎn)高附加值化合物，這是因?yàn)?9%的微生物以自然形式存在于環(huán)境中。共培養(yǎng)系統(tǒng)代表了一個(gè)潛在的創(chuàng)新平臺，用于生成生物復(fù)合物，如乳酸、丙酸、戊酸、檸檬酸、亞麻酸、亞油酸、類胡蘿卜素和黃嘌呤，而無需在一些非模型微生物中加入大型或復(fù)雜的異源途徑，增強(qiáng)環(huán)境可持續(xù)性并發(fā)展循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)。

2.微生物共培養(yǎng)

共培養(yǎng)是兩種或兩種以上不同生物體共存的生物系統(tǒng)，它們在自然或人工方式的培養(yǎng)基中以一定程度的接觸生長。共培養(yǎng)系統(tǒng)自然存在于各種哺乳動物的腸道、食物、土壤、水體和廢物中。它們在廢水處理、新藥開發(fā)、土壤生物修復(fù)、碳捕獲和儲存、生物燃料生產(chǎn)和高附加值化合物生產(chǎn)有廣泛應(yīng)用。

共培養(yǎng)系統(tǒng)中的共生關(guān)系包括共生和共棲，這種協(xié)同作用通常涉及釋放用于營養(yǎng)目的的分子，如植物激素和生長促進(jìn)劑。另一方面，共培養(yǎng)系統(tǒng)也可能是寄生或掠奪，這包括釋放抑制微生物生長的毒素、抗生素和生物堿。共生共培養(yǎng)系統(tǒng)的一個(gè)例子是微藻和硝化細(xì)菌共同培養(yǎng)，用于處理城市和工業(yè)廢水。微藻能同化無機(jī)碳（CO2）、氮（NH4+、NO3?, 二號?), 和磷(PO4)?) 微藻在生長過程中會產(chǎn)生氧（O2）碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。細(xì)菌利用微藻釋放的O2作為電子受體分解廢水中的有機(jī)物，并由此釋放CO2以及一些刺激微藻生長的生長促進(jìn)劑。微藻和細(xì)菌作為共培養(yǎng)系統(tǒng)可促進(jìn)廢水中的相互生長，以去除有毒物質(zhì)，并獲得富含化合物的微藻生物量，這些化合物可回收并轉(zhuǎn)化為非食品化合物，如生物燃料、色素、油和樹脂。

3.天然共培養(yǎng)系統(tǒng)在高價(jià)值化合物生產(chǎn)中的應(yīng)用

共培養(yǎng)系統(tǒng)的使用始于對某些物種的生物行為及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用的觀察。傳統(tǒng)的食品發(fā)酵過程是微生物之間的第一個(gè)共生組合，這些微生物組合在生物分子生產(chǎn)中起著重要的作用，這些生物分子影響了奶酪、啤酒、乳制品、香腸和一些醬汁等食物的味道和質(zhì)地。通過使用共培養(yǎng)系統(tǒng)（青霉和葡萄球菌）導(dǎo)致1929年亞歷山大·弗萊明偶然發(fā)現(xiàn)了青霉素。這一生物產(chǎn)品被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

由于對感官、健康、營養(yǎng)和衛(wèi)生特性的積極影響，主要在乳制品發(fā)酵中開發(fā)的天然菌群介于乳酸菌（LAB）和酵母之間的這種共生關(guān)系，酵母向乳酸菌提供必需的氨基酸和維生素，并調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中乙醇和乳酸產(chǎn)生的pH值。

自然共培養(yǎng)系統(tǒng)的例子是嗜酸鐵漿菌和嗜鐵鉤端螺旋菌之間的共生關(guān)系，它們共存于酸性礦山排水中，嗜酸鐵漿菌利用嗜鐵鉤端螺旋體分泌的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生長，保持培養(yǎng)基中有機(jī)化合物的低水平，并防止其對嗜鐵鉤端螺旋體的毒性作用。通過這種方式，嗜酸鐵漿菌有助于氧化氮和含硫礦物。

含水生態(tài)系統(tǒng)中的微藻生長是一種自然行為，微藻之間的這種共生現(xiàn)象經(jīng)常被自然界用來去除河流、湖泊和池塘中的氮和磷，從而避免水資源污染和水體富營養(yǎng)化。其他自然共培養(yǎng)是土壤細(xì)菌雷帕霉素鏈霉菌和構(gòu)巢曲霉之間的相互作用。這種相互作用誘導(dǎo)沉默真菌基因簇的表達(dá)，以產(chǎn)生具有抗氧化生物活性的蝶呤酸。

在根際觀察到的控制植物病害的一個(gè)很有希望的例子是真菌木霉和貝萊斯芽孢桿菌之間的相互拮抗作用。貝萊斯芽孢桿菌產(chǎn)生抗真菌化合物，如桿菌霉素D和豐霉素，對絲狀真菌孢子起拮抗作用，從而抑制木霉菌的生長。該共培養(yǎng)體系的使用減少了對合成農(nóng)藥的依賴，使其成為可持續(xù)農(nóng)業(yè)和食品安全生產(chǎn)的重要組成部分。

自然共培養(yǎng)系統(tǒng)的研究為人工微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和新型生物分子的開發(fā)提供了新的視野。因此，了解細(xì)胞間通訊機(jī)制所涉及的生物合成途徑有助于了解沉默代謝途徑的激活，尤其是在開發(fā)新藥物方面。此外，利用使用不同菌株的廉價(jià)基質(zhì)以及開發(fā)生物加工策略，以使用微生物共培養(yǎng)的生物精煉平臺，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)（循環(huán)經(jīng)濟(jì)）。

微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)的作用

要理解微生物共培養(yǎng)的作用，必須要了解微生物群落之間的相互作用是什么？互惠、共棲、競爭或非共生？每個(gè)微生物之間的營養(yǎng)交換（碳水化合物、氨基酸、維生素或核苷酸）是互惠關(guān)系的基礎(chǔ)。當(dāng)共存的微生物中的一種受到另一種微生物相互作用的青睞，并且沒有受到任何好的或壞的影響時(shí)，就會發(fā)生共生現(xiàn)象。在競爭中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的微生物在生長過程中競爭相同的能源，對兩個(gè)部分都產(chǎn)生負(fù)面影響。對聯(lián)合體內(nèi)微生物的一種抑制形式可以是生產(chǎn)抗生素，如四環(huán)素和卡那霉素，這些抗生素可阻斷調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的酶的活性。其他形式的微生物抑制是通過群體感應(yīng)（QS）阻斷。

原核生物-原核生物和原核生物-真核生物相互作用中的細(xì)胞間通訊機(jī)制之一是小信號分子的細(xì)胞間交換，如N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）、自誘導(dǎo)物（AI-2）和自誘導(dǎo)肽（AIP）。AHL是革蘭氏陰性菌聯(lián)合體使用的主要自誘導(dǎo)信號分子，由LuxI型合成酶合成。一旦環(huán)境中的AHLs濃度達(dá)到閾值水平，AHLs就會同時(shí)激活臨界量細(xì)胞中LuxR家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白。LuxR/AHL復(fù)合物可以激活多個(gè)目標(biāo)基因的表達(dá)（沉默基因簇的表達(dá)可誘導(dǎo)新的代謝途徑），包括AHL合成所需的基因。

在革蘭氏陽性菌聯(lián)合體中，AIP主要用作信號分子。與AHL不同，AIP在序列和結(jié)構(gòu)上有所不同。AIP通常采用由組氨酸激酶（HK）和DNA結(jié)合反應(yīng)調(diào)節(jié)器組成的雙組分遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制。一旦AIPs在細(xì)胞外環(huán)境中達(dá)到臨界濃度，它就會被受體HK磷酸化并導(dǎo)入細(xì)胞。磷酸化AIP結(jié)合在目標(biāo)DNA上以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄，從而在不同種類的革蘭氏陽性細(xì)菌中形成運(yùn)動性和生物膜。

在廢水處理系統(tǒng)中，已通過存在多形亞硝基螺旋體、布氏亞硝基螺旋體和普通亞硝基桿菌來確定AHL，這些細(xì)菌可能參與胞外多糖（EPS）合成、生物膜形成和脫氮。這些信號分子參與基因表達(dá)，協(xié)調(diào)細(xì)菌對種群密度的生理行為，因此細(xì)菌表現(xiàn)出各種生態(tài)功能。這種類型的通信稱為QS。

在共存多個(gè)微生物物種爭奪相同資源的生態(tài)位中，破壞QS的能力可能使一個(gè)細(xì)菌物種比另一個(gè)依賴QS的細(xì)菌物種更具優(yōu)勢。同樣，宿主阻斷或滅活細(xì)菌細(xì)胞間通訊的能力對于防止使用QS的病原菌定植可能至關(guān)重要。這種細(xì)胞間通信（QS）的干擾機(jī)制被稱為群體猝滅（QQ）。

阻斷QS信號分子合成的方法是通過l/d-S-腺苷高半胱氨酸、sinefungin和丁基-S-腺苷甲硫氨酸（丁基SAM），這些分子是合成LuxI蛋白的類似物，LuxI蛋白可自動誘導(dǎo)AHLs生物合成。QS信號分子的阻斷被認(rèn)為是最有效的抑制細(xì)胞的方法，因?yàn)檫@種作用可以在體外有效地進(jìn)行。QS分子的阻斷機(jī)制是通過酶作用實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐恍┘?xì)菌具有產(chǎn)生乳糖酶和?；傅哪芰?，其功能是水解AHL型自誘導(dǎo)劑的環(huán)酯或酰胺鍵并破壞細(xì)胞間通信。

了解微生物群落的細(xì)胞通訊機(jī)制、生態(tài)功能和進(jìn)化原因?qū)⒂兄谀M自然環(huán)境（合成群落），利用基因表達(dá)產(chǎn)生高附加值化合物，為了克服將大量DNA轉(zhuǎn)移到模型微生物中而不存在遺傳污染風(fēng)險(xiǎn)的需要。這種知識還可以節(jié)省時(shí)間和實(shí)驗(yàn)，以獲得成員之間的積極互動。

5.共培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合成微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于微生物之間的相互作用模式，包括一個(gè)物種分泌的小分子或電子與另一個(gè)物種消耗的小分子的交換，以及通過信號分子相互作用（QS）的細(xì)胞間通信機(jī)制，其工業(yè)用途的成功取決于以下特征：·無毒，·能夠共存，·具有相似的生長速率，·提供營養(yǎng)和/或刺激物以促進(jìn)生長，·不會造成產(chǎn)量不足和生長延遲，·提高使用多種原料的能力，·去除抑制分子，并·具有將微生物廢物用作飼料的能力。

通常，設(shè)計(jì)合成微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)的許多研究都是從許多實(shí)驗(yàn)開始的，在這些實(shí)驗(yàn)中，微生物的各種組合具有正相互作用或負(fù)相互作用。這有一個(gè)優(yōu)勢，即賦予聯(lián)合體豐富的微生物，這意味著不同的菌株同時(shí)執(zhí)行各種復(fù)雜的活動。這種方法的缺點(diǎn)是需要大量的實(shí)驗(yàn)，很少有人了解細(xì)胞間的生物相互作用及其通訊機(jī)制。

Jia等報(bào)告設(shè)計(jì)和構(gòu)建微生物共培養(yǎng)有兩種方法。第一個(gè)是建立一個(gè)微生物人工群落，模仿自然微生物群落的功能。作為模型系統(tǒng)，以受控方式評估其生態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能特征。功能群落的一個(gè)例子是通過消化或減少廢水處理廠的有毒化合物產(chǎn)生沼氣，這些物質(zhì)的產(chǎn)生或分解可以作為微生物群落功能的客觀衡量標(biāo)準(zhǔn)，之后，將從多組學(xué)分析中詳細(xì)描述群落的動態(tài)，以探索交流的分子機(jī)制。這種設(shè)計(jì)和構(gòu)建微生物共培養(yǎng)的方式被稱為自上而下（從簡單到復(fù)雜）。這種設(shè)計(jì)策略允許長期測量參數(shù)，如功能穩(wěn)定性、性能以及這些參數(shù)與群落組成的相關(guān)性，但其缺點(diǎn)在于我們準(zhǔn)確測量復(fù)雜群落中物種多樣性的能力有限。

另一種方式是從確定微生物群落中的共同交互模式和過程開始，目的是這些交互模式可能是整個(gè)群落結(jié)構(gòu)和動態(tài)的關(guān)鍵決定因素。通過這種方式，在工程原理的幫助下，通過基因元件、模塊、基因電路和代謝途徑或網(wǎng)絡(luò)分析相互作用模式，以獲得具有更高效率、穩(wěn)定性和控制能力的微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)。這種策略被稱為自下而上（從簡單到復(fù)雜）。

Kong等報(bào)告了通過模塊化路徑重構(gòu)方法創(chuàng)建的幾個(gè)具有不同生物相互作用的體系。這一概念始于單個(gè)模塊（基因電路）中完整代謝途徑的調(diào)節(jié)，其排列方式使所需基因通過單個(gè)菌株表達(dá)，這種方式避免了組裝單個(gè)DNA部分。由于本地基因網(wǎng)絡(luò)的高度模塊化，模塊化重構(gòu)可以成為電路工程的有力工具。通過這種方法，Kong等研究了乳酸乳球菌NZ9000中抗菌和QS分子和乳酸菌素A（lcnA是一種抗菌肽）生物合成途徑的模塊化重組，以獲得有助于創(chuàng)建新型合成微生物體系的可編程細(xì)胞。這種模塊化途徑重組的結(jié)果允許構(gòu)建具有不同生物相互作用的乳酸乳球菌雙菌株聯(lián)合體。

微生物共培養(yǎng)體系的模塊化路徑重構(gòu)

“973”項(xiàng)目報(bào)告的一個(gè)研究案例是一步發(fā)酵維生素C的微生物體系的設(shè)計(jì)和建造。傳統(tǒng)工藝基于兩步發(fā)酵，即通過氧化葡萄糖酸桿菌將d-山梨醇轉(zhuǎn)化為l-山梨糖，然后通過芽孢桿菌屬和酮古龍尼菌的作用產(chǎn)生2-酮基-l-古龍尼酸（2-KGA，維生素C的前體），其中酮古龍尼菌作為生長促進(jìn)劑，負(fù)責(zé)從l-山梨糖生物合成2-KGA。Bacillus spp.-ketogulonigigenium vulgare consortium的代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，Bacillus spp.作為營養(yǎng)素的替代來源，因?yàn)樗哂腥~酸、原血紅素、泛酸和輔酶A的完整生物合成途徑。通過對芽孢桿菌-酮古龍尼氏菌之間關(guān)系的深入理解，可以通過氧化葡萄糖酸桿菌-酮古龍尼氏菌的合成聯(lián)合體將維生素C的發(fā)酵過程簡化為一步，其生物相互作用從共棲和競爭轉(zhuǎn)變?yōu)榛セ?，?dāng)提供營養(yǎng)時(shí)，由芽孢桿菌在培養(yǎng)基中提供。在一步發(fā)酵中，2-KGA的最終濃度為76.6 g/L，與需要兩個(gè)滅菌過程的傳統(tǒng)兩步發(fā)酵（約90%）相比，2-KGA對抗d-山梨醇的產(chǎn)量在36小時(shí)內(nèi)達(dá)到89.7%。這種新型的維生素C生產(chǎn)共培養(yǎng)體系將發(fā)酵時(shí)間縮短了約25%，并消除了第二次滅菌過程的需要。

微生物共培養(yǎng)一步法生產(chǎn)Vc

設(shè)計(jì)人工微生物群落的能力最終能夠更好地理解微生物之間的代謝相互作用，從而充分挖掘微生物世界的代謝潛力，獲得新的高附加值化合物，以穩(wěn)定和強(qiáng)健的方式維持細(xì)胞生長。

6. 當(dāng)前共培養(yǎng)技術(shù)

人們對理解微生物群落在自然界中的行為越來越感興趣，這使得合成生物學(xué)得以發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)使用工程方法，包括計(jì)算模型和模塊化DNA部件，以誘導(dǎo)新的代謝途徑，并構(gòu)建生物回路，以邏輯方式控制微生物體系的行為。因此，合成生物學(xué)工具，如；細(xì)胞間信號（包括QS）、外源分子和共營養(yǎng)相互作用分別有助于構(gòu)建生物體之間的通信系統(tǒng)、控制特定種群行為和構(gòu)建微生物的相互依賴網(wǎng)絡(luò)。

使用外源分子測定特定群落成員的代謝途徑，使用標(biāo)記底物，如葡萄糖，可被許多生物體代謝，可以建立和開發(fā)復(fù)雜的代謝圖譜，從前體分子（底物）轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物、化學(xué)平衡和生物催化劑的基本作用等概念提供了細(xì)胞代謝的綜合視圖。通過使用代謝圖譜，可以通過交叉喂食形式的連續(xù)資源交換獲得新的微生物聯(lián)盟形狀（Y形，包含兩個(gè)頭和一個(gè)身體），這允許模擬自然聯(lián)盟生產(chǎn)新型高附加值化合物的能力。生物回路的設(shè)計(jì)在細(xì)胞行為中起著重要作用，因?yàn)樗U明了細(xì)胞中的外部和內(nèi)部信號，從而在微生物群落中誘導(dǎo)適當(dāng)?shù)纳矸磻?yīng)。

基因電路的概念設(shè)計(jì)是從電氣工程中采用的一種類比，它允許構(gòu)建一種語言來編程具有特定生物相互作用的細(xì)胞，以生產(chǎn)藥品、生物燃料和精細(xì)化學(xué)品。細(xì)胞信號電路的特點(diǎn)是其決策子系統(tǒng)充當(dāng)傳感器和處理器（如受體及其效應(yīng)器），最終控制各種響應(yīng)子系統(tǒng)，如基因表達(dá)，在外部環(huán)境條件下控制微生物群落內(nèi)的預(yù)期行為。基因回路的發(fā)展為預(yù)測和評估細(xì)胞過程的動力學(xué)提供了一個(gè)框架，從而導(dǎo)致細(xì)胞控制的新邏輯形式，在微生物聯(lián)盟的設(shè)計(jì)中有著重要的應(yīng)用。合成生物學(xué)提供了一種多功能的方法，著重于如何將單個(gè)分子部分組裝成執(zhí)行復(fù)雜行為的系統(tǒng)，從而能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建在環(huán)境信號存在的情況下控制的合成生物路徑。

另一種有助于理解微生物聯(lián)盟行為的方法是使用組學(xué)工具，如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)。這些工具有助于通過細(xì)菌16S rRNA克隆文庫測序和酵母菌26S rRNA克隆文庫測序分析微生物群落中的DNA、RNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞間相互作用，從而揭示微生物群落內(nèi)部的微生物組成。組學(xué)工具的使用必須輔以質(zhì)譜技術(shù)和RNA序列，以了解參與高附加值化合物分泌過程的細(xì)胞途徑和基因。.

7.共培養(yǎng)是優(yōu)化增值化合物的可靠選擇

一旦在代謝分析中確定了微生物群落與其功能模塊之間的生物相互作用，以生產(chǎn)對外界干擾穩(wěn)定的目標(biāo)化合物，就可以進(jìn)行操作參數(shù)的優(yōu)化方法（即pH值、溫度、底物濃度、攪拌、通氣、培養(yǎng)基組成和接種量，這是控制發(fā)酵過程的一些關(guān)鍵因素）為了使高附加值化合物的生產(chǎn)變得可行，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)高效的工藝。優(yōu)化微生物聯(lián)合體發(fā)酵工藝的另一個(gè)原因是，該方法已成功應(yīng)用于各種生物制造工藝中。

微生物共培養(yǎng)法是一種穩(wěn)健的共培養(yǎng)設(shè)計(jì)方法，已成功應(yīng)用于多種生化物質(zhì)的生產(chǎn)，如柚皮素生產(chǎn)（柚皮素是一種天然產(chǎn)物，具有抗氧化、抗癌、減肥和抗炎活性）通過共培養(yǎng)中大腸桿菌P2C和大腸桿菌BLNA之間的異源生物合成作用。在該共培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化中，當(dāng)大腸桿菌P2C和大腸桿菌BLNA之間的接種物比例為1:5、接種后6小時(shí)誘導(dǎo)并在葡萄糖中生長至30°C時(shí)，柚皮素的最高產(chǎn)量為16.7 mg/L。Akdemir等報(bào)告了通過基因工程大腸桿菌菌株開發(fā)和優(yōu)化共培養(yǎng)，以從葡萄糖、酪氨酸和兒茶素等簡單前體生產(chǎn)復(fù)雜的吡喃花青素。該共培養(yǎng)系統(tǒng)使用4-乙烯基苯酚（VP）和4-乙烯基兒茶酚（VCAT）大腸桿菌菌株中的產(chǎn)生子模塊與花青素-3-O-葡萄糖苷（C3G）產(chǎn)生子重組細(xì)胞一起獲得吡喃花青素-3-O-葡萄糖苷-苯酚和吡喃花青素-3-O-葡萄糖苷-兒茶酚。最高吡喃花青素生成量（8.5 mg/L）當(dāng)菌株之間的接種比例為1:1時(shí)，可達(dá)到此效果，在此條件下，吡喃花青素的形成不受誘導(dǎo)時(shí)間的影響。

8.機(jī)遇和挑戰(zhàn)

在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中實(shí)施共培養(yǎng)系統(tǒng)的好處有：·減少與無菌培養(yǎng)（單一培養(yǎng)）相關(guān)的污染問題，·縮短培養(yǎng)時(shí)間，·從微生物組合中誘導(dǎo)新的代謝途徑，從而產(chǎn)生新的生物產(chǎn)品，·提高生物工藝生產(chǎn)率，·增加復(fù)雜基質(zhì)的使用，·減少人為污染問題，·允許以可持續(xù)的方式為高價(jià)值化合物生產(chǎn)設(shè)計(jì)生物精煉平臺，并·降低與原料和滅菌方案相關(guān)的生產(chǎn)成本。

與使用共培養(yǎng)系統(tǒng)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)是：·理解和模擬以滿足每個(gè)細(xì)胞理想要求的方式培養(yǎng)的菌株之間的自然代謝協(xié)同作用，·穩(wěn)定生物行為（維持內(nèi)環(huán)境平衡）在聯(lián)合體內(nèi)部，主要控制過程，·將分離技術(shù)的能源成本降至最低，用于從微生物生物質(zhì)中提取高附加值化合物，·生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)，增強(qiáng)培養(yǎng)基內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象，以增加細(xì)胞密度，·確保執(zhí)行食品和藥品管理局制定的法規(guī)管理局（FDA）機(jī)構(gòu)，以確保人類和環(huán)境中使用共培養(yǎng)的安全性，并·使用代謝途徑的數(shù)值積分分析工具，允許模擬自然棲息地，以確定共培養(yǎng)系統(tǒng)的兼容性?？朔才囵B(yǎng)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)生物產(chǎn)品工藝放大和盈利生產(chǎn)的關(guān)鍵，這也允許開發(fā)適合循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)方法的生物技術(shù)生產(chǎn)平臺。

9.基于共培養(yǎng)架構(gòu)的生物煉制

化石燃料的一種替代方法是設(shè)計(jì)生物精煉平臺，通過可持續(xù)的方式，通過單元操作步驟進(jìn)行生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，獲得生物燃料、能源和高價(jià)值化合物。這一生物煉制概念與共培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常吻合，因?yàn)樗鼈兛赡苡兄跍p少環(huán)境污染，可用于廢水處理、生物能源和生物燃料生產(chǎn)、有毒物質(zhì)生物降解、土壤和空氣生物修復(fù)，反過來生產(chǎn)高價(jià)值化合物，如維生素、抗氧化劑、酶、聚合物和色素，這賦予了開發(fā)生物精煉平臺的巨大潛力，其主要目標(biāo)是通過成本效益和生態(tài)友好的工藝生產(chǎn)高附加值化合物。生物精煉提供了一種融入循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)的解決方案，其中生物質(zhì)被用作幾種化合物生產(chǎn)的原料，所有副產(chǎn)品都是完全可降解的。

生物精煉示意圖

10.在生物精煉系統(tǒng)中發(fā)展共培養(yǎng)的問題

關(guān)于綜合共培養(yǎng)和生物精煉系統(tǒng)的能源方面，重要的是考慮所有過程中的能源消耗。這涉及培養(yǎng)階段（共培養(yǎng)生長）消耗的能量，這與生物反應(yīng)器的工作、培養(yǎng)基中營養(yǎng)素的補(bǔ)充、過程控制以及獲得生物復(fù)合物所需的下游加工有關(guān)。

另一個(gè)需要解決的問題是盡量減少淡水的使用和化石資源的供應(yīng)，因?yàn)樽罱K目標(biāo)是優(yōu)化資源的使用，最大限度地提高盈利能力，并盡量減少廢物的產(chǎn)生。淡水的使用將通過生物量回收步驟后的循環(huán)水或通過使用廢水來解決。與此同時(shí)，化石資源的供應(yīng)將通過替代碳源解決，如二氧化碳、各種農(nóng)產(chǎn)工業(yè)廢物以及工業(yè)和城市污水。最小化這些資源的使用，生物煉制平臺可以轉(zhuǎn)化為可再生的過程和碳中性的。

11.基于共培養(yǎng)工藝的可持續(xù)生物精煉發(fā)展趨勢

未來的技術(shù)將創(chuàng)建代謝途徑的細(xì)胞編程應(yīng)用程序，將能夠模擬具有來自外部環(huán)境信號（QS）的多種生物相互作用的微生物聯(lián)合體，這些類型的微生物聯(lián)合體動態(tài)將允許發(fā)現(xiàn)廣泛的新型高附加值生物復(fù)合物，可用于工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，從而使生物精煉平臺的設(shè)計(jì)成為可能。共培養(yǎng)系統(tǒng)的使用消除了滅菌過程的相關(guān)成本，因?yàn)樗鼈兛梢猿晒Φ厣a(chǎn)出無污染風(fēng)險(xiǎn)的生物復(fù)合物。必須強(qiáng)調(diào)的是，基于共培養(yǎng)過程的生物精煉廠的實(shí)施將產(chǎn)生積極的社會經(jīng)濟(jì)影響，主要是對農(nóng)民，因?yàn)樗麄兪亲畲蟮纳镔|(zhì)生產(chǎn)商。從共培養(yǎng)中的生物化學(xué)和物理化學(xué)過程中開發(fā)新的數(shù)學(xué)模型將使微生物生長和生物復(fù)合物的生產(chǎn)自動化，以簡化其放大實(shí)施。事實(shí)上，基于共培養(yǎng)系統(tǒng)的生物精煉廠將儲存碳、氮、硫、磷等，通過循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)氧氣、能源和高附加值化合物，在循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)中，自然資源不會面臨完工風(fēng)險(xiǎn)。

12.結(jié)論

人類對保護(hù)自然資源和確保地球環(huán)境可持續(xù)性的興趣與日俱增，這將導(dǎo)致研究多種物種共存的大型群落微生物生長的新方法，其中，由于共培養(yǎng)系統(tǒng)在生化平臺上的生物精煉概念方面具有強(qiáng)大、模塊化、可擴(kuò)展和穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，每種微生物都具有特定的活性，能夠通過廢物或有毒物質(zhì)的生物降解獲得一種或多種生物復(fù)合物，作為主要營養(yǎng)源，并以受控和可持續(xù)的方式獲得。