类型a：原创研究学术报告
1. 研究作者与机构
本研究由Virgile Guéneau（巴黎萨克雷大学、INRAE、AgroParisTech、Micalis研究所）、Laurent Guillier（法国食品环境与职业健康安全局）、Cécile Berdous（Micalis研究所）、Marie-Françoise Noirot-Gros（Micalis研究所）、Guillermo Jiménez（Lallemand SAS）等共同完成，通讯作者为Romain Briandet（INRAE）。研究成果发表于ISME Communications（2025年9月），文章标题为《3D imaging-driven assembly of multispecies biofilms with antagonistic activity against undesirable bacteria》，开放获取许可为CC BY 4.0。
2. 学术背景与研究目标
微生物通常以生物膜（biofilm）形式存在，这种多物种群落通过资源竞争和干扰竞争（interference competition）形成复杂互作网络。为减少化学抗菌剂的使用，研究者提出通过合成微生物群落（synthetic microbial communities, SynComs）构建具有拮抗活性的生物膜，以抑制病原体定植。然而，菌株选择标准及拮抗机制尚不明确。本研究旨在通过3D荧光成像技术结合高通量分析，阐明多菌株生物膜的组装规律及拮抗动态，为SynComs的设计提供框架。
3. 研究流程与方法
研究分为五个主要步骤：
（1）菌株筛选与表征
从芽孢杆菌（*Bacillus*）、类芽孢杆菌（*Paenibacillus*）和片球菌（*Pediococcus*）属中筛选20株具有生物膜形成能力的菌株（样本量：16株*Bacillus*、2株*Paenibacillus*、2株*Pediococcus*），通过基因工程标记绿色荧光蛋白（GFP）或mCherry。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和高通量成像分析软件BiofilmQ量化生物膜体积（biovolume），评估其对四种病原体（*Staphylococcus aureus*、*Enterococcus cecorum*、*Escherichia coli*、*Salmonella enterica*）的拮抗能力。
（2）生物膜模型构建
开发两种浸没式生物膜模型：
- 共接种模型（co-inoculation）：病原体与拮抗菌以不同初始比例（1:10、1:1、10:1）同时接种，模拟竞争定植。
- 入侵模型（invasion）：在预建立的拮抗菌生物膜中加入病原体，模拟预防性抑制。
通过活细胞4D成像（xyzt）和数学建模（Jameson营养竞争模型、Lotka-Volterra捕食-猎物模型）分析动态互作。
（3）SynComs兼容性测试
选择拮抗效果显著的*B. velezensis*菌株（ILPB8、11285、12048），与其他菌株共培养，通过GFP/mCherry信号比例评估共存能力。发现*B. velezensis*仅与亲缘较远的Pediococcus spp.形成稳定混合生物膜。
（4）多菌株协同效应验证
构建由3株*B. velezensis*和2株*Pediococcus*组成的SynComs，通过CLSM和细胞计数证明其表面覆盖率（>80%）和病原体抑制能力显著优于单菌株（p < 0.0001）。
（5）机制解析
通过酸度调控实验排除pH主导作用，证实抑制依赖于空间竞争和营养竞争（Jameson效应）。此外，生物膜生活方式显著改变互作动力学，与浮游状态（planktonic）结果差异明显。
4. 主要结果
- 菌株特异性拮抗：*B. velezensis*对*E. cecorum*和*S. aureus*抑制效果最强，而对*S. enterica*的抑制需依赖预建立生物膜（入侵模型）。
- 动力学差异：初始比例决定互作类型。当病原体占优时（比例P > B），*E. cecorum*抑制符合Lotka-Volterra模型（干扰竞争）；而均衡或拮抗菌占优时（P ≈ B或P < B）则符合Jameson模型（营养竞争）。
- 协同增效：*B. velezensis*与*Pediococcus*组合对*S. enterica*的抑制呈叠加效应，生物膜体积增加6 log10 CFU/mL。
5. 结论与价值
本研究建立了基于3D成像的SynComs理性设计流程，揭示了生物膜中营养竞争与干扰竞争的协同作用。科学价值在于：
- 提出“预建立生物膜”对病原体抑制的关键性；
- 阐明菌株亲缘性对混合生物膜兼容性的影响；
应用价值包括指导畜牧业建筑表面、食品链等场景的微生物生态调控。
6. 研究亮点
- 方法创新：首次将高内涵CLSM成像与微生物生长模型结合，实现非破坏性动态监测；
- 发现新颖：揭示生物膜生活方式如何改变竞争动力学，挑战传统浮游培养结论；
- 应用潜力：为开发基于SynComs的生物防治策略提供定量设计工具。
7. 其他价值
研究数据与代码公开（Data INRAE DOI: 10.57745/xrxqei；GitHub: lguillier/dataset_kin），支持后续研究复现与拓展。