酿酒微生物岗位

刘延琳 张雪 陆瑶

  微生物群落相较于单一菌株，展现出更为广泛的代谢多样性和对复杂环境的增强适应性，通过分工协作实现生态功能的稳定维持（Du et al., 2021）。然而，在自然微生物群落的研究中，因高度复杂的多样性，显著限制了研究人员对微生物作用机制的阐明以及在自然环境中行为的预测能力（Gupta et al., 2021）。在此背景下，“合成微生物群落”作为新兴研究热点，为深入理解微生物组与环境的相互作用提供了新的研究机遇。研究人员通过剖析生物系统的组成部分，并将其重新组装成合成微生物群落，从而实现对复杂微生物生态系统的合理模拟。这一研究方向为探索微生物群落的功能机制及其在实际应用中的潜力提供了重要途径（Brenner et al., 2008; Chen et al., 2024; Dong et al., 2021; Pandhal & Noirel, 2014; Qu et al., 2020）。

  合成微生物群落（Synthetic Microbial Communities, SynComs）由特定功能的微生物菌株构建的群体。区别于自然微生物群落，合成微生物群落具有高度的设计性和可控性，能够根据特定需求优化菌株间的相互作用和代谢网络。近年来，随着合成生物学、基因组学和代谢工程学的快速发展，合成微生物群落的研究取得了显著进展，为食品发酵、工业生产、环境保护等领域提供了新的解决方案。

  1 合成微生物群落概述

  天然微生物群落的复杂性显著限制了对其功能的预测与精准调控能力。在此背景下，合成微生物群落作为一种具有高度可控性和功能导向性的微生物系统模型应运而生，并在环境修复、农业生产及生物医学等领域展现出广泛应用潜力（Wang et al., 2025）。合成微生物群落是由选定的（两个或多个）微生物物种在特定培养基环境下共培养而成的人工群落（Großkopf & Soyer, 2014）。合成微生物群落的设计具有明确的目标导向性，通过合理优化物种间的相互作用和代谢网络，实现菌株间的功能协同与优化。与单一微生物和自然微生物群落相比，合成微生物群落具有以下显著优势：（1）高度的群落稳定性，合成微生物群落中微生物间的协同互作显著增强了群落的稳健性。这种相互作用机制使群落能够缓冲外部环境的扰动，维持整体稳定性（Goers et al., 2014; Keller & Surette, 2006; Ragland et al., 2024）。（2）优异的环境适应性，合成微生物群落中不同菌株间的多种相互作用和功能协同作用使其具备较强的环境适应能力。当某些菌株因环境变化或外部胁迫受到抑制时，其他菌株可补偿其功能，从而显著提升群落的整体适应性（Li et al., 2024; Ragland et al., 2024）。（3）高效的代谢过程，作为先进的生物生产系统，合成微生物群落能够将复杂的代谢过程分解并分配至不同菌株。这种功能的模块化分配显著降低了单一菌株的代谢负担，从而提高了整体生物合成过程的效率。（4）独特的代谢灵活性，合成微生物群落中不同菌株通过其特有的底物利用能力和代谢网络形成互补关系，显著提高了群落的整体资源利用率。

  此外，群落产生的多种代谢产物能够催化复杂的生化过程，完成单一菌株难以实现的合成任务。（Honjo et al., 2019; Jia et al., 2016; Zhou et al., 2024）。

  尽管合成微生物群落在系统可控性与功能性方面取得了显著进展，其理性设计仍面临功能精准性和生态稳定性难以长期维持的挑战。核心微生物组的概念逐渐成为研究焦点。该概念最初由Turnbaugh等（2007）在人类微生物组研究中提出，它是指在所有或大多数人类微生物组中共同存在的类群，通常通过维恩图的重叠区域进行表征（Hamady & Knight, 2009; Turnbaugh et al., 2007）。自核心微生物组概念提出以来，研究者旨在利用其维度来降低微生物组研究的复杂性，并揭示微生物组与研究对象之间的相关性（Roeselers et al., 2011; Turnbaugh & Gordon, 2009）。随后，研究者从物种组成、系统发育、持久性和相关性等多个维度对核心微生物组进行了系统评价与界定（Dong et al., 2021; Shade & Handelsman, 2012）。随着高通量测序技术的快速发展，核心微生物组的概念在微生物生态学中的应用范围逐步扩展至食品、植物、动物和环境等多个领域（Dong et al., 2021; Ganz et al., 2022; Guo et al., 2025; Yu et al., 2023; Zhou et al., 2024）。在食品发酵体系中，精准界定核心微生物组对于阐明发酵机制、优化生产工艺及稳定产品品质具有重要的理论和实际应用价值。

  2 合成微生物群落在食品发酵中的应用

  长期以来，发酵食品领域的研究主要集中于发酵剂的选择、工艺参数的优化及技术的推广应用。当前，研究重点逐渐转向自然发酵过程，旨在挖掘和凸显具有风土特色的发酵食品。然而，自然发酵过程中常常面临微生物组成不确定，种群动态不可控等问题，这可能导致有害化合物的积累、异味的产生及产品品质的波动。为应对这一挑战，亟需深入解析发酵微生物群落的组成与功能，并开发创新的发酵调控策略。在此背景下，合成微生物群落作为一种具有可控性质的新型发酵策略，逐渐成为提升发酵食品品质和增强产区风土特征的有效途径。通过筛选自然发酵中不确定的微生物物种，进而构建可控且确定的合成微生物群落，可实现发酵进程和代谢产物的精准控制，为发酵食品的生产提供新的解决方案（图1）。

  目前，合成微生物群落已在多种传统发酵体系中得到成功应用，包括蚕豆酱（Jia et al., 2020）、酸菜（Tlais et al., 2022; Tlais et al., 2022）、醋（Li et al., 2024a）、传统的发面种（Calabrese et al., 2022; Sabach et al., 2023）、白酒（Du et al., 2023; Zhang et al., 2023）、酱油（Det-Udom et al., 2019）、米酒（Peng et al., 2025）、黄酒（Liu et al., 2025）等。这些研究表明，合成微生物群落的应用为定向控制发酵食品的质量和安全性提供了有效途径。在食品发酵领域，合成微生物群落的应用主要体现在以下两个方面：

  （1）合成微生物群落能够缩短食品发酵周期，同时通过调控微生物间的代谢协同作用，改善发酵产品的风味特征。这种精准调控策略能够有效满足消费者对发酵食品质量与口感的多样化需求（表1）。

  （2）合成微生物群落能够调控发酵食品的营养组成，促进有益化合物的生成，同时抑制有害物质的形成（表2）。

  上述研究结果表明，通过合理设计与构建合成微生物群落，不仅能够有效地复现传统自然发酵食品中的关键香气特征，更能在此基础上实现对香气谱系的精准调控与定向增强。这揭示了合成微生物群落在复制复杂风味表象的同时，具备优化原有微生物代谢网络、强化特定风味化合物合成能力的巨大潜力，从而在风味可控性及强度上超越自然发酵体系。