1. 引言
细菌拮抗作用是微生物生态系统中的一种重要现象，指某些细菌通过产生抗菌物质、竞争营养资源或改变环境条件等方式抑制其他细菌的生长和繁殖。这种现象不仅在自然环境中广泛存在，在人体微生物组中也发挥着重要作用。
细菌拮抗作用的研究始于19世纪末[1]。近年来随着分子生物学技术的发展，人类对细菌拮抗作用的分子机制进行了深入的研究。目前发现的机制包括产生抗菌化合物、干扰群体感应系统、营养竞争和接触依赖性抑制等。
近年来，随着多重耐药菌感染问题日益严重，传统抗生素治疗面临巨大挑战，细菌拮抗作用作为一种天然的生物防控机制，可为新型抗感染策略的开发提供新思路。目前已发现的具有拮抗作用的细菌包括纹带棒状杆菌、路邓葡萄球菌、乳酸菌、假单胞菌、芽孢杆菌、明串珠菌等，这些发现不仅加深了对微生物间相互作用的理解，也为基于微生物组的治疗策略提供了科学依据[2]-[8]。
2. 细菌拮抗作用的机制分类
2.1. 直接抑菌机制
直接抑菌机制是指细菌通过分泌具有抗菌活性的物质直接杀死或抑制目标菌的生长，是细菌拮抗作用的主要形式。这类机制通过产生各种抗菌化合物直接杀灭或抑制目标菌的生长来实现。
2.1.1. 抗菌肽和细菌素
抗菌肽(Antimicrobial peptides, AMPs)和细菌素(Bacteriocins)是细菌产生的具有抗菌活性的多肽化合物。细菌素是核糖体合成的抗菌肽，具有较窄的抗菌谱，主要对亲缘关系较近的细菌有效[9]。
细菌素的分类基于多种标准。按产生菌细胞壁类型可分为革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌及古菌来源的细菌素[10]。按结构可分为环状结构和线性结构。基于序列–结构关系(如α-螺旋、β-折叠等二级结构)及肽的理化性质进行分类，各类别下又包含多种具有不同特性的具体细菌素类型[11]。
其中革兰氏阴性菌细菌素包括大肠菌素、类大肠菌素、噬菌体尾状细菌素和微菌素[12] [13]。革兰氏阳性菌细菌素按照分子量大小分为两类抗生素，其中I类分子量 < 5 kDa，是经过广泛翻译后修饰的含有特殊氨基酸残基的小分子化合物，主要代表为含羊毛硫氨酸；II类主要为未修饰的抗生素，分为IIa和IIb两类。其中IIa类分子量 < 10 kDa，为小的未经修饰的细菌素，代表为YGNG基序细菌素，通过与甘露糖磷酸转移酶系统(Man-PTS)作用在靶细胞膜形成孔发挥作用。IIb类为分子量 > 10 kDa的抗菌蛋白、溶菌素及噬菌体尾状细菌素[14]。古菌能在极端环境下生存，其产生的细菌素称为古细菌素，主要包括由盐杆菌目细菌产生的盐菌素和由硫化叶菌目产生的硫化叶菌素[11]。
2.1.2. 小分子抗生素
除了大分子的抗菌蛋白外，许多细菌还能产生小分子抗生素。例如，路邓葡萄球菌可产生一种非核糖体肽类的新型抗生素，即路邓素(lugdunin)。其通过离子载体机制破坏细菌的质子动力势，从而发挥抗菌作用[3]。假单胞菌属细菌也能产生多种生物活性代谢物，包括酚嗪类化合物、环脂肽和聚酮化合物等，这些化合物具有广谱的抗菌活性[6]。
2.1.3. 接触依赖性抑制
接触依赖性抑制(contact-dependent inhibition, CDI)是一种需要细菌间直接接触的拮抗机制，在细菌竞争和群落动态中起着至关重要的作用。这种机制通过细胞表面的CDIA/CDIB双组分系统将抗菌分子直接转移到目标细菌中，实现精确的抗菌作用。这种机制具有高度特异性和高效性[15] [16]。
2.2. 间接拮抗机制
间接拮抗机制是指不直接杀死目标菌，而是通过干扰其生理功能、信号传导或生存环境来抑制目标菌的生长和繁殖。
2.2.1. 群体感应干扰
群体感应(quorum sensing, QS)是细菌通过信号分子进行细胞间通讯的机制。许多病原菌的毒力表达受QS系统调控。纹带棒状杆菌能够产生分子量 < 3 kDa的具有热稳定性的小分子，其可干扰金黄色葡萄球菌的agr群体感应系统，下调其毒力基因的表达，同时上调其定植基因，从而使金黄色葡萄球菌的生长状态从致病性转变为共生性[2]。这种机制的发现揭示了共生细菌调控病原菌行为的新途径。
2.2.2. 营养竞争
细菌间的营养竞争是生态系统中常见的拮抗机制。铁是细菌生长必需的微量元素，许多细菌通过产生铁载体(siderophores)来获取环境中的铁离子。路邓葡萄球菌可通过劫持表皮葡萄球菌等共生细菌的铁载体复合物，通过自身的载铁体摄取系统(包括HtsABC、SirABC、FhuDBGC、SstABCD1等)获取铁离子，从而在铁竞争中占据优势[17] [18]。
2.3. 环境修饰机制
环境修饰机制是指细菌通过改变局部微环境的理化性质来抑制其他细菌的生长。许多细菌能够通过产酸或产碱改变环境pH值，从而抑制pH敏感菌的生长。例如乳酸菌通过发酵产生乳酸，降低环境pH值，抑制对pH敏感的病原菌[4] [5]。
3. 经典拮抗实例分析
3.1. 纹带棒状杆菌拮抗金黄色葡萄球菌
纹带棒状杆菌是人体皮肤和鼻腔的定植菌，在体外对金黄色葡萄球菌具有显著的拮抗作用。其主要机制是通过分泌小分子因子特异性干扰金黄色葡萄球菌的agr群体感应系统。
agr系统是金黄色葡萄球菌重要的毒力调节系统，由agrBDCA操纵子和agrR基因组成。在高细胞密度条件下，agr系统被激活，促进毒力因子的表达。纹带棒状杆菌产生的干扰因子能够阻断这一过程，导致金黄色葡萄球菌的毒力基因(如hla、hlb、lukF等)表达下调，而定植相关基因(如spa、clfA等)表达上调。这种调控模式使金黄色葡萄球菌从侵袭性病原菌转变为相对无害的定植菌，体现了共生细菌在宿主防御中的重要作用。
目前的研究尚未明确纹带棒状杆菌分泌的小分子因子的具体结构，但已知其具有分子量小于3 kDa、热稳定、抗蛋白酶等特征。这些特性使其在复杂的生物环境中仍能发挥稳定的调控作用[2]。
3.2. 路邓葡萄球菌的多重拮抗机制
路邓葡萄球菌对金黄色葡萄球菌的拮抗作用更为复杂，涉及多个层面的相互作用机制。
首先是路邓素的产生。路邓素(Lugdunin)是由路邓葡萄球菌合成的环状肽类抗生素，其生物合成由lug基因簇调控，包括lugA-lugH等基因。路邓素通过离子载体机制发挥抗菌作用，能够在细菌细胞膜上形成孔道，破坏质子动力势，导致金黄色葡萄球菌ATP合成受阻，引起细胞死亡。这种机制与传统抗生素的作用模式不同，因此对多重耐药菌也表现出良好的活性。
其次是铁载体劫持行为。路邓葡萄球菌具有多个铁载体摄取系统，能够识别并摄取外源性细菌产生的铁载体。这种行为使路邓葡萄球菌能够劫持金黄色葡萄球菌的铁来源，同时在铁限制条件下获得生存优势。
此外，路邓葡萄球菌还能够激活宿主的免疫反应，通过免疫系统的协同作用增强对金黄色葡萄球菌的清除效果[3]。
3.3. 乳酸菌属的广谱拮抗机制
乳酸菌属细菌是人体重要的益生菌，具有广谱的拮抗活性。研究表明，多种乳酸菌菌株对食源性病原菌、皮肤病原菌和肠道病原菌都具有显著的抑制作用。
植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)是研究最为深入的乳酸菌种之一。L. plantarum KR3菌株对大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌都表现出强烈的抗菌和抗生物膜活性。其拮抗机制主要包括产生有机酸、分泌细菌素、竞争性粘附及产生胞外多糖等。
乳酸菌在皮肤微生物组中也发挥重要作用，能够抑制多种皮肤病原菌的生长。研究发现，皮肤来源的乳酸菌通过竞争营养、pH调节、产生抗菌化合物和免疫调节等机制抑制病原菌[4] [5]。
3.4. 假单胞菌属的生物防控机制
假单胞菌属细菌是重要的植物促生菌和生物防控菌，能够产生多种生物活性代谢物抑制植物病原菌。
假单胞菌属细菌能够产生包括酚嗪类化合物、环脂肽、聚酮化合物、氰化氢等在内的多种抗菌代谢物。其中酚嗪类化合物：具有广谱抗菌和抗真菌活性，环脂肽能够破坏病原菌细胞膜，聚酮化合物具有抗生素活性，氰化氢能够抑制病原菌呼吸链电子传递。
假单胞菌不仅直接抑制病原菌，还能诱导植物的系统性获得抗性(SAR)和诱导系统抗性(ISR)，增强植物的自身防御能力。这种机制涉及水杨酸和茉莉酸信号通路的激活[6]。
3.5. 芽孢杆菌属的抗菌机制
芽孢杆菌属细菌是人体消化道重要的定植菌，能够产生多种抗菌化合物。近年来开发的细菌素表达平台显示出巨大的应用潜力。
芽孢杆菌能够产生多种细菌素，这些化合物对抗生素耐药菌具有良好的抗菌活性。通过基因工程技术构建的细菌素表达平台能够实现靶向性的细菌素产生。芽孢杆菌产生的环脂肽类化合物具有强烈的抗菌和抗真菌活性，通过破坏细胞膜结构发挥作用[7]。
4. 生态学意义与进化基础
细菌拮抗作用是维持微生态平衡的重要机制。从进化角度分析，细菌拮抗作用是细菌在资源竞争和生存压力下形成的适应性策略。在人体微生物组中，共生菌通过拮抗作用抑制病原菌的过度增殖，防止感染的发生。这种平衡一旦被破坏，就可能导致菌群失调和相关疾病的发生。
细菌拮抗作用也是微生物进化的重要驱动力。拮抗压力促使细菌发展出多样化的防御机制和毒力策略，推动了微生物多样性的形成。同时，拮抗作用也促进了细菌间合作行为的演化。
从群落生态学角度，拮抗作用促进了物种多样性的维持。通过抑制优势种的过度增长，拮抗作用为其他物种提供了生存机会，防止群落结构的单一化。这种机制在维持生态系统稳定性方面发挥着关键作用。
5. 应用前景
5.1. 新药开发
细菌拮抗机制为新型抗菌药物的开发提供了重要靶点。基于拮抗菌产生的天然化合物或其衍生物的药物开发已成为研究热点。路邓素等新型抗生素的发现为解决抗生素耐药问题提供了新思路。相比于传统的土壤细菌筛选，人体共生细菌具有安全性高、生物相容性好的优势。
5.2. 微生物组工程
通过引入具有拮抗作用的有益细菌，可以重塑失衡的微生物群落，恢复微生态平衡，进而实现预防和治疗疾病的目的。这种方法在肠道疾病、皮肤病和女性泌尿生殖系统疾病等领域显示出巨大潜力。
活体生物治疗药物的开发正是基于这一理念。通过精确设计的细菌制剂，可以实现对特定病原菌的靶向抑制，同时避免传统抗生素的副作用。
5.3. 精准医学应用
对个体微生物组特征的精准治疗是未来医学发展的重要趋势。通过分析患者微生物组的拮抗网络，可以识别缺失的保护性细菌，制定个性化的微生物组干预方案。
诊断方面，拮抗细菌的存在和活性可以作为疾病风险评估的生物标志物。例如，路邓葡萄球菌的缺失可能提示金黄色葡萄球菌感染风险的。
6. 结论
细菌拮抗作用是微生物世界中普遍存在的重要现象，涉及多种复杂的分子机制。纹带棒状杆菌通过群体感应干扰、路邓葡萄球菌通过多重机制协同等经典案例，为深入理解细菌间相互作用提供了重要启示。随着研究技术的不断进步和理论认识的深化，细菌拮抗作用可在新药开发、精准医学、微生物组工程等领域发挥重要的作用，为人类健康和疾病防控提供新的解决方案。未来的研究应当注重机制解析与应用转化相结合，以临床应用为导向，推动细菌拮抗作用研究向更深层次发展，为解决临床多重耐药菌感染与抗生素失效问题提供新思路。
NOTES
*通讯作者。