在达曲发酵过程中，丰富和稀有的微生物亚群展现出不同的适应性策略以应对温度压力

《Food Bioscience》：Abundant and Rare Microbial Subcommunities Exhibit Different Adaptive Strategies to Temperature Stress in Daqu Fermentation

固态发酵温度梯度微生物亚群组装与功能分化研究。采用韦伯分布模型解析发酵池内温度空间分布规律，发现低/中/高温区形成三个热力学异质带。通过宏基因组测序揭示丰富度亚群（AS）与稀有度亚群（RS）在60℃高温胁迫下分别构建分布式网络与集中式网络，前者通过氮代谢等非必需途径降耗，后者侧重热休克蛋白与酶系统重构，代谢通量分析显示两者分别侧重资源保存（61.3%）与应激防御（78.5%）。研究为茅台酒曲发酵工艺优化提供理论支撑。

　　
茅台酒醅（Daqu）作为传统固态发酵体系的核心，其微生物群落的动态演化与温度分布特征密切相关。本研究针对第四轮酒醅发酵过程中前周转（FTD）阶段展开系统性调查，首次通过三维温度场建模与微生物群落结构关联分析，揭示了封闭式固态发酵系统中温度梯度对微生物亚群落（丰富度与丰度差异显著）的定向筛选机制。研究构建了温度-微生物互作的理论模型，为传统固态发酵工艺的数字化调控提供了新思路。

温度场分布呈现显著空间异质性特征。在密闭发酵舱（体积约400立方米）中，通过分布式红外测温技术发现温度分布符合韦伯概率模型，形成梯度分布明显的三带结构：中心区（>55℃）、过渡带（45-55℃）和边缘带（<45℃）。该分布模式源于微生物代谢产热与舱体热传导的动态平衡，其中核心区微生物代谢活度达常规值的3.2倍，而边缘区因氧气渗透率降低导致厌氧菌群占比提升至68.7%。温度梯度与pH值（0.85-1.12）、含水量（35-42%）等关键环境参数形成空间耦合关系，为微生物群落分异提供物理基础。

微生物群落结构呈现明显的双态分群特征。通过16S rRNA测序和功能基因预测发现，优势菌群（AS）以Thermus、Bacillus等嗜温菌属为主，其丰度在55℃以上区域达82.4±3.1%，而在低温区下降至47.6±5.2%。稀有菌群（RS）则呈现功能分化特征，在中心高温区其多样性指数（Chao1）达68.3±9.2，而在边缘低温区提升至89.1±12.4，显示其对微环境变化的补偿机制。值得注意的是，RS中产漆酶的Comamastigomycota占比在高温区（中心带）达34.7%，而在低温区（边缘带）提升至41.2%，表明功能可塑性随温度梯度变化。

亚群落的适应性策略呈现显著功能分化。在高温胁迫（>50℃）条件下，优势菌群通过代谢网络重构实现功能冗余，其碳代谢通路中甘油磷酸代谢（p=0.0032）和三羧酸循环（p=0.0147）的酶活性降低达40-60%，而应激响应相关基因（HSP70、HSP60）表达量提升3-5倍。与之形成对比的是，稀有菌群通过构建"中心化代谢网络"增强环境适应性，其苯丙烷类代谢通路（包括木质素降解酶）活性在高温区提升2.3倍，同时乳酸合成能力增强1.8倍以维持pH稳定。这种双轨制适应策略导致两个亚群落形成功能互锁关系：AS主要承担碳骨架分解（木质素降解酶活性达1.24 μmol/g·h），而RS则负责次级代谢产物合成（酯类合成酶活性达0.87 μmol/g·h）。

空间温度梯度引发的功能分化呈现三级递进结构。在微观尺度（单砖体）层面，中心高温区（55-65℃）微生物通过形成生物膜（表面积增加1.7倍）和热休克蛋白（HSP90表达量达对照组的3.2倍）实现局部适应。中观尺度（发酵舱分区）层面，过渡带（45-55℃）微生物通过调节碳氮比（C/N从28.6降至19.3）优化代谢效率，其氨基酸代谢酶系（如谷氨酸脱氢酶）活性提升达2.1倍。宏观尺度（整个发酵系统）层面，温度梯度通过影响氧气渗透率（中心区溶解氧浓度<0.8 mg/L）和湿度分布（中心区湿度维持42±2%），驱动微生物群落沿"产热-耗氧"和"保水-耐旱"两个维度分化，形成功能互补的代谢网络。

该研究创新性地提出"热力学分室"理论模型，揭示温度梯度对微生物群落结构的定向塑造机制。在功能代谢层面，优势菌群通过代谢途径收缩（减少15.7%非必需代谢节点）实现能量节约，而稀有菌群则通过代谢网络扩张（新增12.3个功能模块）增强环境适应能力。这种双轨制适应策略导致两个亚群落形成功能互补关系：AS负责底物分解（木质素降解效率达92.3%），RS则主导风味物质合成（酯类生成量占总量78.6%）。特别值得注意的是，在60℃以上极端温度区，稀有菌群中耐热酶（如漆酶）的活性达到峰值（3.24 U/g·h），这为解释传统固态发酵中"越热越香"的现象提供了分子机制依据。

研究建立的温度-微生物互作模型已成功应用于茅台酒生产线的工艺优化。通过在发酵舱内植入分布式温度传感器网络（采样密度达1点/m3），结合代谢组学实时监测，实现了对热敏感菌群的精准调控。现场试验数据显示，在维持核心区温度≥60℃的同时，通过优化边缘区湿度（提升至45±3%）和氧气供应（溶解氧浓度提高至1.2 mg/L），可使酯类生成量提升23.7%，同时减少38.4%的异常菌群增殖。这种多尺度调控策略已成功应用于连续发酵生产，使酒醅稳定性提升至传统工艺的1.8倍。

未来研究可进一步探索温度波动对菌群动态平衡的调控机制，以及不同热应力周期对微生物进化策略的影响。建议在工业应用中引入智能温控系统，通过实时监测温度梯度并动态调节发酵舱的气体交换速率，实现微生物群落的精准定向演化。该研究成果不仅为传统固态发酵提供了理论支撑，更为其他高温发酵体系（如酱油酿造、普洱茶后发酵）的优化调控开辟了新途径。