由群体感应介导的Hafnia paralvei生物膜形成对鲫鱼（Carassius auratus）肉质和腐败的影响

《Food and Bioproducts Processing》：The effects of biofilm formation of Hafnia paralvei mediated by quorum sensing on the meat quality and spoilage of crucian carp ( Carassius auratus)

Hafnia paralvei Z11生物膜形成机制及其对鲫鱼腐败的影响。通过过表达expI、expR和luxS基因，发现AHLs和AI-2介导的QS系统通过调控c-di-GMP水平显著促进生物膜形成，导致肉品质量下降和腐败增强，同时改变肉品微生物群落结构。

　　
水产行业在解决全球粮食安全问题中扮演着重要角色，而水产动物如 crucian carp（鲫鱼）因高营养价值备受关注。然而，这类产品在储存和加工过程中极易受微生物污染，导致腐败变质。近年来研究发现，腐败过程中生物膜的形成是微生物增强致病性和持久性的关键机制。以霍夫尼亚菌属（*Hafnia*）为代表的食源性病原菌，其生物膜形成机制尚不明确，尤其是两种信号分子（AI-2和AHLs）如何协同调控这一过程，以及由此引发的肉质劣变和腐败加速效应，成为亟待解决的科学问题。

研究团队以典型食源性致病菌*Hafnia paralvei* Z11为对象，通过基因过表达技术系统解析了两种信号分子介导的群体感应（QS）系统对生物膜形成的调控机制。实验构建了过表达*expI*、*expR*和*luxS*的菌株，发现*expI*基因过表达显著增强AHLs的合成能力，而*luxS*基因过表达则大幅提升AI-2的产量。进一步分析表明，两种信号分子均通过调控c-di-GMP水平间接促进生物膜形成——AHLs通过激活 LuxR-type 受体上调c-di-GMP表达，AI-2则通过激活全局转录调控因子增强c-di-GMP的合成效率。这种双重调控机制使得*H. paralvei*的生物膜形成能力提升约40%-60%，远超单一信号分子的调控效果。

在食品腐败实际应用层面，研究团队首次将生物膜形成机制与肉质劣变进行关联分析。通过显微观察发现，过表达QS相关基因的菌株在 crucian carp 肉表面的定植量较对照组增加3.2倍，且生物膜厚度与腐败速度呈显著正相关（r=0.78，p<0.01）。质谱分析显示，生物膜覆盖区域的蛋白质水解酶活性提升57%，脂质过氧化产物含量增加42%，直接导致肌肉持水性下降28%和嫩度降低35%。更值得注意的是，这种生物膜形成的菌株在模拟腐败体系中，肉品pH值在24小时内从6.8降至5.2，而对照组仅降至5.5，表明其腐败进程加快约50%。

研究还揭示了*H. paralvei*生物膜对肉品微生物群落的生态学影响。16S rRNA测序数据显示，生物膜形成区域的细菌多样性指数（Shannon指数）从3.2降至1.8，优势菌群由假单胞菌（Pseudomonas）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）转向耐盐芽孢杆菌（Bacillus嗜盐菌）。这种菌群结构转变导致肉品中苯并芘类化合物生成量增加3倍，而具有抗菌活性的次级代谢产物则减少58%。代谢组学分析进一步证实，生物膜形成促使菌株合成特定腐败相关代谢物（如腐胺、尸胺），其浓度峰值较 planktonic（游离态）菌株提高2-3个数量级。

在食品工业应用方面，研究提出了靶向QS系统的生物膜防控策略。实验数据显示，当环境中的c-di-GMP浓度被降至0.1 μM以下时，*H. paralvei*的生物膜形成能力下降72%，同时肉品中酶解活性降低65%。这种双重抑制效应为开发新型防腐剂提供了理论依据——通过调节c-di-GMP信号通路可同时抑制生物膜形成和腐败相关酶的活性。此外，研究团队发现AI-2信号分子对肉品中蛋白质降解酶（如钙激活的蛋白激酶C-2）的激活作用存在阈值效应，当AI-2浓度超过10?? M时，该酶的活性会呈现非线性增长，这为精准调控腐败进程提供了新的生物学靶点。

该研究在机制解析方面取得重要突破：首次阐明*H. paralvei*中AHLs（由ExpI合成）与AI-2（由LuxS合成）的协同调控网络。通过时间序列分析发现，生物膜形成存在明显的双阶段调控——前期（0-6小时）以AI-2介导的群体感应为主，后期（12-24小时）AHLs的信号放大效应逐渐占据主导。这种动态调控机制使得菌株能在不同腐败阶段灵活调整生物膜结构，形成致密的网状生物膜（直径约15-20 μm），其机械强度较常规生物膜提高2.3倍。

在食品保存技术改进方面，研究建议采用"双信号阻断"策略：通过抑制AI-2的合成（如基因敲除或小分子抑制剂）阻断生物膜早期粘附阶段，同时应用c-di-GMP类似物（如寡核苷酸干扰剂）阻断后期生物膜巩固过程。预实验表明，这种组合干预可使肉品腐败周期从常规的72小时延长至120小时以上，且肉品持水性和嫩度指标保持稳定。

值得注意的是，研究首次证实生物膜形成的程度与腐败速率呈指数关系（R2=0.91）。当生物膜覆盖率超过30%时，肉品中耐高温菌（如肠杆菌科）的增殖速率提高4.7倍。这种生物膜-耐热菌协同作用机制，解释了为何传统高温灭菌难以彻底解决肉品腐败问题。基于此，研究团队提出了"生物膜破坏优先于耐热菌清除"的杀菌顺序，实验证明这种顺序可使灭菌效率提升40%。

在食品安全监管层面，研究建立了基于QS信号分子的快速检测体系。通过开发特异性探针，可在腐败初期（24小时内）检测到AI-2和AHLs的浓度变化，其检测灵敏度达到10?12 M级别。这种早期预警系统能为食品企业争取72小时以上的干预窗口期，较传统腐败检测方法提前48小时发现问题。

该研究的应用价值已得到初步验证。在郑州某水产加工企业的中试中，将研究成果应用于肉品保鲜工艺后，产品货架期从15天延长至28天，同时肉品质构参数（如剪切力）保持率提升至92%。经济测算显示，该技术可使每吨肉品加工成本降低18%，并减少因腐败造成的年损失约230万元。

未来研究可进一步探索：1）不同水质硬度对QS信号分子稳定性的影响；2）生物膜与肉品中金属离子（如Fe2?、Cu2?）的螯合作用机制；3）基于CRISPR的靶向编辑技术对腐败菌生物膜调控的精准性研究。这些方向将为开发多效合一的新型食品防腐剂提供理论支撑，对保障水产品供应链安全具有重要实践意义。