在工业乳酸发酵中，为了维持微生物最适宜生长的pH环境，须持续添加中和剂。但是中和剂的选择不仅影响工艺成本，更深刻地影响着细胞生理与代谢。传统上，氢氧化钙（石灰）因其成本效益被广泛应用，但后续处理会产生大量硫酸钙（石膏）固废。因此，氢氧化钠等替代品也被广泛使用，但其对细胞的潜在负面影响常被低估。

针对上述问题，青岛能源所微生物制造工程中心以工业乳酸生产菌株——凝结芽孢杆菌为对象，在含有葡萄糖和海藻糖的混合碳源发酵体系中，对比了使用氢氧化钠（NaOH）和氢氧化钙（Ca(OH)₂）作为中和剂的效应。研究发现，使用NaOH时，菌株在耗尽葡萄糖、转向利用海藻糖的“碳源切换期”内，通过加剧能量危机，触发凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）的大规模细胞裂解，OD值从4.1骤降至1.2，发酵上清液中的DNA含量比Ca(OH)₂组高出近25倍（图1）。使用Ca(OH)₂能够完美规避这一风险，细胞呈现典型的链状形态保持完整，为绿色高效的生物制造提供了关键策略。

图1 5L生物反应器中凝结芽孢杆菌在不同中和剂条件下混合碳源发酵的实验结果

通过离子实验（图2）证实，这种裂解并非由营养耗尽或渗透压引起，而是钠离子（Na⁺）特异性胁迫的后果。Na⁺会破坏细胞壁完整性，而Ca²⁺则能通过与细胞壁组分结合，起到“加固”和“保护”的作用。

图2 不同金属离子条件对细胞裂解的影响

代谢组+转录组多组学分析（图3）揭示，在NaOH环境下，细胞为了排出有毒的Na⁺并维持生存，被迫上调碳源转运进入“高耗能”状态，下调生长和钠吸收系统。当葡萄糖耗尽，细胞需要重新配置资源以利用海藻糖时，碳源摄取出现“空窗期”，导致糖酵解和能量生产停滞。由于缺乏应对钠胁迫的能量来源，细胞大量上调肽聚糖水解酶启动裂解程序，引发群体性的裂解。这更像是一种牺牲多数、保存少数的群体生存策略。

图3 不同中和剂条件下差异表达基因比较

相比之下，Ca(OH)₂不仅避免了Na⁺胁迫，其释放的Ca²⁺还能直接稳定细胞壁，并可能通过刺激热休克蛋白，提升该凝结芽孢杆菌（50℃培养）的热稳定性，从而在碳源不足时依然维持细胞完整性。

图4 不同中和剂条件下细胞响应机制

这项研究为乳酸发酵工艺中中和剂的理性选择提供了坚实的科学依据。在追求环保（避免石膏废渣）的同时，必须权衡NaOH对生产菌株的“隐性杀伤力”，否则将因细胞大量裂解导致发酵周期延长、产量下降。同时，揭示了能量代谢、离子稳态与细胞自溶之间的复杂调控网络，为研究微生物在动态环境中的适应机制提供了新视角。该研究不仅为优化现有乳酸发酵工艺提供了解决方案，更为下一代工业菌株的理性设计和鲁棒性提升指明了方向，对推动工业微生物发酵生产乳酸具有重要意义。

相关研究成果以“Sodium ion stress accelerates cell lysis in Bacillus coagulans by exacerbating energy deficit during carbon source transition”为题，发表于生物技术与生物工程领域期刊Applied and Environmental Microbiology上。论文第一作者为青岛能源所博士后刘志豪，通讯作者为王冠副研究员和华东理工大学王永红教授。研究得到了山东省泰山学者青年项目、国家自然科学基金的资助。（文/图 刘志豪）

文章链接：https://doi.org/10.1128/aem.01314-26

Zhihao Liu, Yingping Zhuang, Yonghong Wang^*, Guan Wang^*. Applied and Environmental Microbiology, 2026.