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在微生物生长研究中，为探究不同营养源对微生物生物量产率的影响，研究人员开展 “Overall biomass yield on multiple nutrient sources” 主题研究。结果发现不同营养组合对微生物生成生物量存在互作效应，该研究为理解营养共限制提供依据，有助于相关领域发展。
在自然界中，微生物的生长环境复杂多样，营养源的种类、浓度和可利用性都在不断变化。微生物利用营养源来生成生物量并进行复制，当只有单一营养源时，其产生的生物量与该营养源的初始量通常呈线性关系，“黑箱模型”（black box models）能很好地预测这种情况。但在自然环境里，微生物往往面临多种营养源，以往研究却常忽略不同营养源类型的差异，且多聚焦特定生长阶段，无法全面捕捉整个生长曲线的生物量变化。同时，对微生物生长建模面临诸多挑战，如准确估计动力学参数、整合热力学原理以及处理计算复杂性等问题。因此，深入研究多种营养源对微生物生物量产率的影响至关重要，这能帮助人们更好地理解微生物在自然环境中的生长规律以及生态系统的运行机制。
来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的研究人员 Ohad Golan、Olivia Gampp、Lina Eckert 和 Uwe Sauer 针对上述问题展开了研究。他们通过实验和模型扩展，探究了多种营养源对大肠杆菌（Escherichia coli ）生物量产率的影响。该研究成果发表在《npj Systems Biology and Applications》上，为微生物生长研究以及相关领域提供了新的见解和理论依据 。
研究人员采用了多种技术方法来开展此项研究。在菌株培养方面，选用 NCM3722 菌株进行生长实验，NQ1243 菌株用于醋酸盐分泌实验，通过种子培养、预培养和实验培养三个步骤进行菌株培养。在测量方面，利用 Tecan 微板读数器测量光密度（OD600），并通过已知校准曲线将其转化为干重。在数据分析时，使用最小二乘法对数据进行线性拟合 。
单一营养源生长情况
研究人员以葡萄糖、苹果酸或天冬氨酸作为唯一碳源，在 M9 基本培养基中培养大肠杆菌，直至营养源耗尽且达到稳定期。实验结果表明，产生的生物量与单一碳源的初始量呈现良好的线性关系，符合公式 ΔB = YX/DND 。利用 “黑箱形式主义” 预测产生的生物量，将生长反应分为分解代谢和合成代谢两个过程，其预测结果与实验数据吻合良好。
多种营养源生长情况
为研究一种营养源的可用性是否会影响另一种营养源的总体生物量产率，研究人员扩展了 “黑箱模型”。根据第二种营养源的类型，分别考虑可降解营养源、不可降解营养源（仅作为生物量前体）以及既能被分解代谢又能直接作为生物量前体的营养源三种情况。实验结果显示，总体生物量产率高度依赖于基础营养源。例如，木糖在琥珀酸盐作为基础营养源时的总体生物量产率，高于以葡萄糖为基础营养源或单独使用时；甲硫氨酸在葡萄糖作为基础营养源时总体产率最高。而且，模型预测总体生物量产率不仅取决于基础营养源的可用性，还与营养源的相对初始量有关，这一预测也得到了实验验证 。
可降解且可作为生物量前体的营养源的生长情况
研究人员测量了可降解氨基酸天冬氨酸在不同初始量的葡萄糖和醋酸盐作为基础营养源时产生的生物量。结果发现，天冬氨酸与醋酸盐或葡萄糖的组合产生了复杂的曲线，这些复杂行为无法用现有互作效应模型解释。研究人员推测，总体生物量产率受天冬氨酸分解代谢与作为生物量前体利用比例的影响，准确模拟这些营养物质的行为需要时间分辨的细胞内通量信息 。
研究结论表明，不同营养组合对微生物产生生物量的能力存在不同的互作效应，这可能是通过改变细胞内代谢以及分泌和重吸收分泌的副产物来实现的。“黑箱模型” 虽简单，但能有效捕捉总体生物量产率并提供基础见解，通过拟合模型可确定哪些粗粒度代谢过程（分解代谢、合成代谢或前体生物合成）导致了营养组合中的互作效应。
在讨论部分，研究人员指出该研究与理解营养共限制如何影响特定栖息地生物量形成效率相关。虽然 “黑箱模型” 存在局限性，如排除了动态数据，但结合其他方法有望获得更深入的见解。此外，研究还发现营养组合能显著影响化能营养生长过程中的 CO2产生，这对生态系统研究具有重要意义。在实际应用方面，该研究成果可应用于废水处理等领域，通过优化营养组合减少生物量产率，提高处理效率和可持续性 。
这项研究拓展了人们对微生物利用多种营养源的认知，为微生物生长研究提供了新的理论框架，在生态系统、生物技术和废水处理等领域具有潜在的应用价值，也为后续进一步研究微生物营养利用机制指明了方向。
