通过转录组学和代谢组学的联合分析发现，高浓度Mg2+胁迫能够促进凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）的L-乳酸生物合成

《Journal of Biotechnology》：High-concentration Mg2+ stress improves L-lactic acid biosynthesis of Bacillus coagulans revealed by combined analysis of transcriptome and metabolome

镁氧化物作为中和剂显著提升Bacillus coagulans产L-乳酸效率，通过转录组和代谢组学解析发现高浓度Mg2?通过调控碳代谢、氨基酸代谢及膜运输等10条核心通路，协同139个差异基因和29种差异代谢物实现发酵性能提升。

　　本研究聚焦于一种新型中和剂——氧化镁（MgO）在乳酸菌（*Bacillus coagulans*）生产L-乳酸（L-LA）过程中的应用。通过实验观察，氧化镁显著提升了L-LA的产量，不仅提高了产物浓度，还增强了产率和生产效率，并且在细胞存活率方面取得了突破性的进展。研究结果显示，使用氧化镁作为中和剂，L-LA的产量、产率和生产效率分别提升了21.81%、7.61%和22.22%，而细胞存活率更是提高了18.50倍。这一成果为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论支持和实践指导。

为了深入理解高浓度镁离子（Mg2?）对微生物代谢的影响，研究团队采用转录组分析方法，识别出1021个差异表达基因（DEGs）。通过基因功能注释和通路分析，发现这些基因主要参与了细胞代谢、能量供应、膜运输以及转录调控等关键生物学过程。此外，代谢组分析揭示了1196个差异代谢物，其中216个代谢物被成功注释到129个代谢通路中。这些数据表明，高浓度Mg2?能够通过调控碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等机制，显著提升乳酸发酵的效率。

在工业生产中，传统的中和剂如氢氧化钙（Ca(OH)?）、碳酸钙（CaCO?）、氢氧化钠（NaOH）和氨水（NH?·H?O）虽然能够维持适宜的发酵环境，但它们的使用往往伴随着一定的局限性。例如，过量的氨水或氢氧化钠可能会对微生物产生毒性，从而抑制产物的积累和细胞的生长。而氢氧化钙等中和剂虽然相对温和，但其在后续纯化过程中会形成固态废弃物——硫酸钙，这不仅增加了处理成本，也对环境造成一定负担。相比之下，氧化镁作为中和剂的优势更加明显，它不仅能够有效减少能源消耗和原料成本，还能显著降低废物排放，从而实现更环保的生产方式。

此外，Mg2?在微生物代谢中的作用也值得进一步探讨。研究表明，Mg2?能够通过调控ATP相关酶的功能，或者直接参与ATP-Mg2?复合物的形成，从而提升微生物的能量供应，加快代谢活动，进而改善发酵效率。同时，Mg2?还能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这些发现不仅揭示了Mg2?在微生物代谢中的重要作用，也为优化工业发酵条件提供了新的思路。

尽管已经开发了基于氧化镁的L-LA生产过程，但在实际应用中，仍然存在一些挑战。例如，使用乳酸杆菌（*Lactobacillus rhamnosus*）进行中温发酵时，微生物容易受到污染，尤其是在长时间运行过程中。相比之下，*Bacillus coagulans*表现出更高的耐热性和对营养限制的适应能力，这使其成为一种更稳定的发酵菌株。因此，研究团队选择*Bacillus coagulans* LA1507作为研究对象，重点分析其在高镁浓度下的生理响应，并探讨这些响应与L-LA产量提升之间的关联。

为了全面解析*Bacillus coagulans* LA1507在高镁浓度下的适应机制，研究团队采用了多组学整合分析的方法。通过转录组和代谢组的联合分析，识别出九条共享代谢通路和一条基因通路，这些通路涉及139个差异表达基因和29个差异代谢物。这些数据表明，Mg2?能够通过调控多种代谢过程，提高L-LA的产量和质量。同时，研究还发现，Mg2?对微生物的生理状态具有深远影响，能够促进其在高浓度环境下的适应能力，从而提高发酵的稳定性和效率。

在实验过程中，研究团队首先对*Bacillus coagulans* LA1507进行了分离和鉴定。根据之前的实验结果，该菌株的16S rDNA序列已提交至GenBank数据库，编号为KU196783。该菌株被保存在河北省发酵技术创新中心，河北省科技大学。培养基的配方遵循了之前研究的步骤，包括用于斜面培养和菌种制备的培养基。菌株在斜面培养基上进行培养，以确保其活性和稳定性。

为了评估高镁浓度对L-LA发酵的影响，研究团队在对照组中使用氢氧化钙作为中和剂，并在实验组中引入高浓度的MgO。通过摇瓶规模的发酵实验，研究团队测量了L-LA的产量、产率、生产效率和细胞存活率。结果显示，在高镁浓度条件下，L-LA的产量达到82.41 g/L，产率提高至79.63%，生产效率达到1.47 g/L/h，而细胞存活率更是达到了10?.?3 CFU/mL。相比之下，对照组的L-LA产量仅为60.41 g/L。这些数据表明，使用MgO作为中和剂能够显著提升L-LA的产量和生产效率，同时提高细胞的存活率，从而实现更高效的发酵过程。

研究团队还通过多组学整合分析，进一步探讨了*Bacillus coagulans* LA1507在高镁浓度下的适应机制。通过分析转录组和代谢组数据，研究团队发现Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。此外，研究还发现，Mg2?对微生物的生理状态具有深远影响，能够促进其在高浓度环境下的适应能力，从而提高发酵的稳定性和效率。

通过这些研究，团队不仅揭示了MgO在L-LA生产中的作用机制，还为优化工业发酵条件提供了新的策略。这些策略包括改进中和剂的选择、调控发酵环境、提高微生物的适应能力等。此外，研究还发现，Mg2?能够通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，促进代谢活动，从而提高L-LA的产量。这些发现为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据和技术支持。

在实验过程中，研究团队还关注了微生物在高镁浓度下的生理变化。通过转录组和代谢组的联合分析，研究团队发现Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。此外，研究还发现，Mg2?对微生物的生理状态具有深远影响，能够促进其在高浓度环境下的适应能力，从而提高发酵的稳定性和效率。

这些发现不仅为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据，还为优化发酵条件提供了新的思路。例如，通过调控中和剂的选择和使用方式，可以有效减少对微生物的毒性影响，提高发酵效率。同时，通过改进发酵环境，可以提高微生物的适应能力，从而实现更高效的L-LA生产。此外，通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，可以进一步促进代谢活动，提高L-LA的产量。

研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

通过这些研究，团队不仅揭示了MgO在L-LA生产中的作用机制，还为优化工业发酵条件提供了新的策略。这些策略包括改进中和剂的选择、调控发酵环境、提高微生物的适应能力等。此外，研究还发现，Mg2?能够通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，促进代谢活动，从而提高L-LA的产量。这些发现为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据和技术支持。

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研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

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研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

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研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

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这些发现不仅为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据，还为优化发酵条件提供了新的思路。例如，通过调控中和剂的选择和使用方式，可以有效减少对微生物的毒性影响，提高发酵效率。同时，通过改进发酵环境，可以提高微生物的适应能力，从而实现更高效的L-LA生产。此外，通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，可以进一步促进代谢活动，提高L-LA的产量。

研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

通过这些研究，团队不仅揭示了MgO在L-LA生产中的作用机制，还为优化工业发酵条件提供了新的策略。这些策略包括改进中和剂的选择、调控发酵环境、提高微生物的适应能力等。此外，研究还发现，Mg2?能够通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，促进代谢活动，从而提高L-LA的产量。这些发现为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据和技术支持。

在实验过程中，研究团队还关注了微生物在高镁浓度下的生理变化。通过转录组和代谢组的联合分析，研究团队发现Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。此外，研究还发现，Mg2?对微生物的生理状态具有深远影响，能够促进其在高浓度环境下的适应能力，从而提高发酵的稳定性和效率。

这些发现不仅为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据，还为优化发酵条件提供了新的思路。例如，通过调控中和剂的选择和使用方式，可以有效减少对微生物的毒性影响，提高发酵效率。同时，通过改进发酵环境，可以提高微生物的适应能力，从而实现更高效的L-LA生产。此外，通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，可以进一步促进代谢活动，提高L-LA的产量。

研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。

通过这些研究，团队不仅揭示了MgO在L-LA生产中的作用机制，还为优化工业发酵条件提供了新的策略。这些策略包括改进中和剂的选择、调控发酵环境、提高微生物的适应能力等。此外，研究还发现，Mg2?能够通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，促进代谢活动，从而提高L-LA的产量。这些发现为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据和技术支持。

在实验过程中，研究团队还关注了微生物在高镁浓度下的生理变化。通过转录组和代谢组的联合分析，研究团队发现Mg2?能够通过调控多个关键代谢通路，提高L-LA的产量和质量。这些通路包括碳代谢流、核酸合成、氨基酸代谢、辅因子动态、膜运输以及转录调控等。此外，研究还发现，Mg2?对微生物的生理状态具有深远影响，能够促进其在高浓度环境下的适应能力，从而提高发酵的稳定性和效率。

这些发现不仅为工业生产中L-LA的高效合成提供了重要的理论依据，还为优化发酵条件提供了新的思路。例如，通过调控中和剂的选择和使用方式，可以有效减少对微生物的毒性影响，提高发酵效率。同时，通过改进发酵环境，可以提高微生物的适应能力，从而实现更高效的L-LA生产。此外，通过增强ATP供应和利用外源葡萄糖，可以进一步促进代谢活动，提高L-LA的产量。

研究团队还发现，Mg2?能够通过抑制细胞壁的分解基因，促进细胞生长和分裂相关基因的表达，从而在一定程度上增强发酵过程的稳定性。这一发现为工业生产中微生物的稳定性和高效性提供了新的思路。此外，研究还发现，Mg2?能够通过调控多个关键