CN116218755A - 生物群体感应信号分子结构类似物的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物技术领域，具体涉及生物群体感应信号分子结构类似物的应用。在菌群中添加适量浓度的五元环结构竞争性母核小分子，通过竞争性结合AHLs群体感应小分子合成相关的酶，阻断菌株群体感应小分子的合成；或导致相关的合成酶以竞争性小分子为底物，生成无法被信号通路上的受体蛋白识别的群体感应小分子，从而无法发挥作用影响菌群发酵。而不是通过添加群体感应小分子降解酶，通过降解小分子来实现，或者改造微生物让其不产生或者少产生群体感应小分子来实现。成本更低、操作更简单，适用范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体涉及生物群体感应信号分子结构类似物的应用。
背景技术
微生物复合菌群在多种废弃物资源化利用，如转化富含木质纤维素或有机质的农林、畜牧、生活废弃物等生产燃料或化学品等，具有重要的应用价值。微生物复合菌群通过菌群间的协作，完成复杂的生物学过程，实现目标产品的生产。在这一过程中，菌群中不同的微生物起到的功能存在显著的差异，其中部分具备纤维素降解功能的菌株完成纤维素降解相关工作，具备产物合成能力的菌株完成后续的目标产品的发酵生产。对组成菌群的微生物研究发现，复合菌群中的微生物还能通过表面修饰和表面蛋白等，招募不同功能的微生物形成菌团，通过形成多种微生物的复合体，大大缩短微生物间的物理距离，将降解纤维素、生产产物有机结合，显著提升发酵效率。但是研究还发现，随着发酵产物积累等体系内环境的变化，菌间的这类协同会逐渐失去平衡，产生生物膜等，降低和底物的作用面积，降低发酵效率。
已有的研究发现，这些微生物在协同和相互抑制状态的切换，是通过群体响应作用来实现。微生物在发酵过程中会合成一系列小分子，微生物通过感知小分子的浓度，来调整自己的生长状态，是群体响应的关键信号分子。微生物菌团和菌膜的形成，就直接受到这类小分子的调控。因此，调控这些小分子的生成，能够保持高效的底物降解和产品转化率，具有重要的生产应用价值。
现有的方法多采用群体感应淬灭方法，通过在体系中内源性改造微生物抑制或者降低AHLs合成，或者通过外源性的加入AHLs降解酶等方法来实现，操作比较复杂，成本较高，限制了其大范围的推广应用。已有的研究显示，酶与小分子的互作主要通过酶的特异性结合位点来识别小分子，并进一步对小分子进行修饰和加工，获得下游产物。在不影响识别位点的情况下，如果对远离识别位点的基团进行修饰或者更换，小分子与酶仍能结合，但其功能域却无法完成进一步的反应，导致反应终止。
因此，如何实现高效低成本的对这些小分子进行调控，对保持高效的底物降解和产品转化率具有重要的意义，具有重要的生产应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了生物群体感应信号分子结构类似物的应用。
本发明提供了生物群体感应信号分子结构类似物的应用。在菌群中添加适量浓度的五元环结构竞争性母核小分子，通过竞争性结合AHLs群体感应小分子合成相关的酶，阻断菌株群体感应小分子的合成；或导致相关的合成酶以竞争性小分子为底物，生成无法被信号通路上的受体蛋白识别的群体感应小分子，从而无法发挥作用影响菌群发酵。而不是通过添加群体感应小分子降解酶，通过降解小分子来实现，或者改造微生物让其不产生或者少产生群体感应小分子来实现。成本更低、操作更简单，适用范围更加广泛。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了AHLs母核类似物在改善菌群发酵性能中的应用；
所述AHLs母核类似物包括4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮、茉莉酸和/或2-甲基环戊酮。
在本发明的一些具体实施方案中，所述改善菌群发酵性能包括：
(I)、抑制AHLs类物质的积累；和/或
(II)、抑制菌膜形成；和/或
(III)、提高发酵产物的能力。
在本发明的一些具体实施方案中，所述抑制AHLs类物质的积累包括：
(I)、竞争所述AHLs类物质的合成；和/或
(II)、产生受体无法识别的产物，从而抑制所述AHLs类物质的产生。在本发明的一些具体实施方案中，所述抑制AHLs类物质的积累包括：
(I)、竞争性结合AHLs群体感应小分子合成相关的酶，阻断菌株群体感应小分子的合成；和/或
(II)、相关的合成酶以所述抑制AHLs类物质为底物，生成无法被信号通路上的受体蛋白识别的群体感应小分子，从而无法发挥作用影响菌群发酵。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度包括0.1～5μmol/L、茉莉酸的浓度包括0.1～50μmol/L和/或2-甲基环戊酮的浓度包括0.01～1μmol/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.16±3.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.1±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.8±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为82.2±3.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.4±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.6±4.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.5±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为87.78±3.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.2±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为78.8±5.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.6±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.8±4.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.6±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为88.4±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.6±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.4±2.6；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.5±0.7g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为10μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.4±3.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为8.9±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为50μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为77.6±4.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.8±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1mmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.86±2.9％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为85.7±3.2％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.1±0.3g/L。
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在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.5μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.8±2.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.5±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为79.7±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.5±0.4g/L。
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在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为19.2±1.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.4±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.9±1.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.5±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为18.2±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.7±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述高有机质污水菌群包括COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
在本发明的一些具体实施方案中，所述AHLs母核类似物添加时机包括菌群产物生产速率显著加速前。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解纤维素菌群的添加时机为发酵的第3天。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解高有机质污水菌群的添加时机为发酵的第6天。
在本发明的一些具体实施方案中，所述菌群包括降解纤维素菌群和/或降解COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
本发明还提供了改善菌群发酵性能的产品，包括如下任意项以及可接受的辅料和/或助剂：
(I)、所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮；和/或
(II)、所述茉莉酸；和/或
(III)、所述2-甲基环戊酮。
在本发明的一些具体实施方案中，所述菌群包括降解纤维素菌群和/或降解COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.16±3.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.1±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.8±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为82.2±3.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.4±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.6±4.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.5±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为87.78±3.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.2±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为78.8±5.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.6±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.8±4.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.6±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为88.4±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.6±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.4±2.6；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.5±0.7g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为10μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.4±3.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为8.9±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为50μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为77.6±4.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.8±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1mmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.86±2.9％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为85.7±3.2％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.1±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.1μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为87.8±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.6±0.2g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.5μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.8±2.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.5±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为79.7±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.5±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为15.6±1.2g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为19.2±1.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.4±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.9±1.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.5±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为18.2±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.7±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述高有机质污水菌群包括COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解纤维素菌群的添加时机为发酵的第3天。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解高有机质污水菌群的添加时机为发酵的第6天；所述高有机质污水菌群包括COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
在上述研究的基础上，本发明还提供了改善菌群发酵的方法，包括在菌群中添加如下任意项的步骤：
(I)、所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮；和/或
(II)、所述茉莉酸；和/或
(III)、所述2-甲基环戊酮。
在本发明的一些具体实施方案中，所述菌群包括降解纤维素菌群和/或降解高有机质污水菌群；所述高有机质污水菌群包括COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解纤维素菌群的筛选方法包括：以所述降解纤维素菌群菌群发酵培养基，添加发酵底物，接种菌群，静置发酵。
在本发明的一些具体实施方案中，所述发酵底物为碱蒸馏处理的木质纤维素；所述碱蒸馏处理的木质纤维素(绝干物质重量)的添加量为10g/L；所述降解纤维素菌群的接种量为10％(体积比)；所述发酵的温度为55℃。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解高有机质污水菌群的筛选方法包括：以所述降解高有机质污水菌群发酵培养基，添加发酵底物，接种菌群，发酵。
在本发明的一些具体实施方案中，所述发酵底物为粪污；所述粪污的添加量为25g/L；所述降解高有机质污水菌群的接种量为10％(体积比)；所述发酵的温度为55℃；所述发酵的转速为30rpm。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.16±3.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.1±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.9±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.8±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为82.2±3.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.4±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为76.6±4.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.5±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1mmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为87.78±3.5％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.2±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为78.8±5.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.6±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.8±4.1％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.6±0.6g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为88.4±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.6±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为83.4±2.6；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.5±0.7g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为10μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.4±3.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为8.9±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为50μmol/L时，所述降解纤维素菌群的底物降解率为77.6±4.3％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为7.8±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1mmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为80.86±2.9％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.3±0.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为85.7±3.2％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.1±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.1μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为87.8±3.7％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为10.6±0.2g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.5μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为81.8±2.4％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为11.5±0.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为1μmol/L；所述降解纤维素菌群的底物降解率为79.7±4.6％；所述降解纤维素菌群的总有机酸醇产量为9.5±0.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为15.6±1.2g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为19.2±1.4g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.4±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为17.9±1.3g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述茉莉酸的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.5±0.9g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.01μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为18.2±1.1g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为0.1μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为21.7±0.8g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述2-甲基环戊酮的浓度为5μmol/L时，所述降解高有机质污水菌群的总有机酸醇产量为20.2±1.5g/L。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解纤维素菌群的添加时机为发酵的第3天。
在本发明的一些具体实施方案中，所述降解高有机质污水菌群的添加时机为发酵的第6天。
在本发明的一些具体实施方案中，所述高有机质污水菌群包括COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
本发明提供了生物群体感应信号分子结构类似物的应用。通过本策略，能够有效缓解在发酵过程中AHLs类群体感应小分子对菌群发酵能力的抑制，进一步提升菌群降解底物和发酵产物的能力达30～50％，同时能够有效的提升连续发酵性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示实施例1中菌群H补料发酵过程中AHLs含量和底物降解率及总有机酸醇产量变化；其中，A示菌群H补料发酵过程中AHLs含量和底物降解率的变化；B示菌群H补料发酵过程中AHLs含量和总有机酸醇产量；
图2示实施例1中AHLs母核类似物；其中，a为Salicylicacid(水杨酸)，b为5-Decanolide(5-癸内酯)，c为2-hydroxy-4-methyl-2H-furan-5-one(4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮)，d为Jasmonicacid(茉莉酸)，e为
2-Methylcyclopentanone(2-甲基环戊酮)，f为
4-Methoxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone(美西呋喃酮)；
图3示实施例1中菌群在添加不同小分子后菌群纤维素降解能力的变化；其中，A为降解率；B为有机酸醇产量；*代表p＜0.05，***代表p＜0.01；
图4示实施例2中菌群H添加不同浓度小分子纤维素降解能力的变化；
图5示实施例3中菌群S正常发酵性能；
图6示实施例3中菌群S添加小分子后发酵终点总有机酸醇产量。
具体实施方式
本发明公开了生物群体感应信号分子结构类似物的应用，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
在本专利中，拟采用与AHLs母核类似的竞争性底物来竞争AHLs合成的关键酶，阻断AHLs类物质的合成，从而起到抑制菌膜形成、提升菌群发酵效率的作用。
通过添加竞争性母核小分子，能够通过竞争性结合AHLs群体感应小分子合成相关的酶，阻断菌株群体感应小分子的合成；或导致以竞争性小分子为母核生成的群体感应小分子，无法与信号通路上的受体蛋白结合，从而无法发挥作用影响菌群发酵。菌群由于是由很多的菌株组成的，哪些菌株能产生抑制发酵的群体感应小分子，哪些菌群易于进行基因改造，都存在较大的不确定性，而且存在菌群的差异，需要针对每一个菌群去做改造，工作量非常大、操作相对比较困难。同样，由于菌群组成是动态变化的，AHLs种类也非常多样且不同菌群差异较大，外源性添加AHLs降解酶的策略在实际实施上也存在操作和成本上的问题。因此，相较于对组成微生物进行转基因操作来抑制或者降低AHLs合成的方法，或者上外源性添加降解酶的方法，本发明无需考虑微生物和小分子的种类差异，不仅能大幅度降低操作难度，而且具有广泛适用性，更加适合菌群调控。
在本专利中通过在发酵启动后添加c、d、e等化合物，竞争AHLs的合成或产生受体无法识别的产物，从而抑制AHLs类群体感应小分子的产生，进而抑制菌群形成生物膜，保证菌群始终有较高的发酵性能。
c为2-hydroxy-4-methyl-2H-furan-5-one(4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮)，d为Jasmonicacid(茉莉酸)，e为4-Methyl-2(5H)-Furanone(4-甲基-2(5H)-呋喃酮)；
添加特征：适用于降解纤维素菌群，降解高有机质污水菌群；高有机质污水通常的定义是指COD在2000mg/L以上，本发明实施例里面是添加了2.5％质量浓度的粪污作为底物，比2000mg/L要高。
添加物质的条件：在菌群产物生产速率显著加速前添加(是在检测到的AHLs达到最大增加速度前添加)。选择调控时间，一般是要早于快速增加的时间阶段，比如在第五天检测到最大的单日增长速率，那说明第四天到第五天是快速增长的速度，所以从经验上来说在第三天就介入调控会更好一些。
添加物质的浓度范围：物质d和e添加浓度范围在0.1～1μmol/L；物质c添加的浓度范围在0.1～5μmol/L。
添加方式：配置成母液后，按照发酵液体积和浓度范围添加。
本发明提供的生物群体感应信号分子结构类似物的应用中所用原料及试剂均可由市场购得。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1：筛选能提升菌群发酵性能的AHLs类物质母核类似物
采用“一种菌群和产油微生物联用生产微生物油脂的方法”
(201510725288.3)专利所述的方法，筛选可转化纤维素产有机酸醇的菌群H。以专利所述菌群发酵培养基，添加10g/L(绝干物质重量)的碱蒸馏处理的木质纤维素作为发酵底物，按接种量10％(体积比)接种菌群H，55℃静置发酵。
首先设计取菌群H不同时期发酵液，测定不同发酵时期发酵液中AHLs类物质的含量；通过测量一定体积发酵液中不可溶底物的质量损失来计算底物降解率；采用气相色谱对发酵液中的包括乙醇、乙酸、丙酮、丁醇、丁酸、乳酸等总有机酸醇含量进行检测。
通过对发酵过程进行连续检测分析(表1、表2及图1)，菌群在发酵第4天后，AHLs类物质的总含量出现明显的上升，菌群转化纤维素有机酸醇产量和底物降解速度也出现了下降。而且即使在发酵第5天结束后补加纤维素底物，菌群也难恢复较高的转化纤维素产有机酸醇能力，说明AHLs类群体感应小分子的积累，严重影响了菌群在第4天之后的发酵性能。
表1菌群H补料发酵过程中AHLs含量和底物降解率的变化
表2菌群H补料发酵过程中AHLs含量和总有机酸醇产量
本发明选取了一系列候选的AHLs母核类似物(如图2中a～f所示，a为Salicylicacid(水杨酸)，b为5-Decanolide(5-癸内酯)，c为2-hydroxy-4-methyl-2H-furan-5-one(4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮)，d为Jasmonic acid(茉莉酸)，e为2-Methylcyclopentanone(2-甲基环戊酮)，f为4-Methoxy-2，5-dimethyl-3(2H)-furanone(美西呋喃酮)，用无菌水配置成1mmol/L浓度的溶液，0.22μm无菌滤器过滤除菌后，在发酵第3天无菌操作加入发酵体系(每100mL发酵液加0.1mL溶液)，并在发酵第5天后测量菌群底物降解率和菌群总有机酸醇产量。
结果显示(表3，图3)，相较于空白对照组，添加六元环结构的AHLs母核类似物(a、b)的菌群与未添加的对照组相比，底物降解率和总有机酸醇产量均无显著变化(p＞0.05)，而添加五元环-羰基结构的AHLs母核类似物(c，d，e)的菌群底物降解率和总有机酸醇产量均显著提升(p＜0.05)乃至极显著提升(p＜0.01)；而添加五元环-羰基结构(f)，但是成环的四个碳均有取代集团的物质，其对菌群发酵性能也没有提升。证明加入特定的母核类似物，通过抑制AHLs类物质的积累，有效保护了菌群的协同共生机制，显著抑制了菌群发酵性能衰退、提升了菌群的发酵能力。
表3菌群在添加不同小分子后菌群纤维素降解能力的变化
实施例2：小分子调控菌群发酵的最佳浓度范围
接下来，本发明进一步考察了不同浓度的c、d、e三种物质对菌群发酵的影响效果。采用实施例1中的添加方式，在多组平行发酵样品中，分别独立添加c、d、e三种物质，使其在发酵体系中的终浓度分别达到0.1μmol/L、0.5μmol/L、1μmol/L、5μmol/L、10μmol/L、50μmol/L和100μmol/L(e的最低浓度为0.01μmol/L)。并在发酵第5天后测量菌群底物降解率和菌群总有机酸醇产量。
结果显示(表4、图4)，三种物质对菌群H的降解能力的影响均与浓度有显著的关系。物质c浓度达到1μmol/L的时候，物质d浓度达到1μmol/L的时候，物质e在0.1μmol/L的时候，菌群能获得最佳的降解纤维素能力，而且d和e对菌群发酵性能的提升更加显著；同时，相较于物质c，物质d和e对发酵的提升效果更加明显，且可调控的浓度范围更宽，物质e的可提升发酵性能的所需浓度更低，具有更加优秀的规模化应用的潜力。以上结果说明，本发明中筛选出的AHLs类抑制剂，相较于传统加入固定化酶或者改造发酵菌株等方法，大大降低了操作复杂度和操作成本。
表4菌群H添加不同浓度小分子纤维素降解能力的变化
实施例3：AHLs类似物调控有机污水转化菌群发酵性能
采用“一种菌群和产油微生物联用生产微生物油脂的方法”
(201510725288.3)专利所述的方法，筛选可转化污水产有机酸醇的菌群S。以专利所述菌群发酵培养基，添加25g/L的粪污作为发酵底物，按接种量10％(体积比)接种菌群S，以30rpm转速在55℃下搅拌培养发酵。
首先设计取菌群不同时期发酵液，测定不同发酵时期发酵液中AHLs类物质的含量；采用气相色谱对发酵液中的包括乙醇、乙酸、丙酮、丁醇、丁酸、乳酸等总有机酸醇含量进行检测。
通过对发酵过程进行连续检测分析(表5、图5)，菌群在发酵第7天，AHLs类物质的总含量出现明显的上升，菌群转化产有机酸醇的产量增长也明显变缓，说明AHLs类群体感应小分子的积累，严重影响了菌群在第7天之后的发酵性能。
表5菌群S正常发酵性能
接下来，本发明在菌群S发酵的第6天，在多组平行发酵样品中，分别独立添加c、d、e三种物质，其中，物质c终浓度为0.1～5μmol/L，物质d终浓度为0.1～5μmol/L，物质e终浓度为0.01～5μmol/L。结果显示，在15天发酵结束时，不同浓度范围的三种物质对菌群S的发酵性能都有提升作用。结果说明(表6，图6)，本发明添加的AHLs类抑制剂，能够在不同类型的能够发酵产有机酸醇的复合菌群中起到降低AHLs类群体感应小分子影响菌间协同进而提升发酵性能的作用。
表6菌群S添加小分子后发酵终点总有机酸醇产量
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.AHLs母核类似物在改善菌群发酵性能中的应用；
所述AHLs母核类似物包括4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮、茉莉酸和/或2-甲基环戊酮。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述改善菌群发酵性能包括：
(I)、抑制AHLs类物质的积累；和/或
(II)、抑制菌膜形成；和/或
(III)、提高发酵产物的能力。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述抑制AHLs类物质的积累包括：
(I)、竞争所述AHLs类物质的合成；和/或
(II)、产生受体无法识别的产物，从而抑制所述AHLs类物质的产生。
4.如权利要求1至3任一项所述的应用，其特征在于，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度包括0.1～5μmol/L、茉莉酸的浓度包括0.1～50μmol/L和/或2-甲基环戊酮的浓度包括0.01～1μmol/L。
5.如权利要求1至4任一项所述的应用，其特征在于，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度包括0.1～5μmol/L、茉莉酸的浓度包括0.1～5μmol/L和/或2-甲基环戊酮的浓度包括0.01～5μmol/L。
6.如权利要求4或5所述的应用，其特征在于，所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮的浓度包括1μmol/L；所述茉莉酸的浓度包括1μmol/L；所述2-甲基环戊酮的浓度包括0.1μmol/L。
7.如权利要求1至6任一项所述的应用，其特征在于，所述AHLs母核类似物添加时机包括菌群产物生产速率显著加速前。
8.如权利要求1至7任一项所述的应用，其特征在于，所述菌群包括降解纤维素菌群和/或降解COD在2000mg/L以上的有机质污水菌群。
9.改善菌群发酵性能的产品，其特征在于，包括如下任意项以及可接受的辅料和/或助剂：
(I)、所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮；和/或
(II)、所述茉莉酸；和/或
(III)、所述2-甲基环戊酮。
10.改善菌群发酵的方法，其特征在于，包括在菌群中添加如下任意项的步骤：
(I)、所述4-甲基-5-羟基呋喃-2-酮；和/或
(II)、所述茉莉酸；和/或
(III)、所述2-甲基环戊酮。
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