Sonmat：一个基于公民科学的方法，通过研究泡菜制作过程（Kimjang）来探讨手部与泡菜微生物群之间的关联

《Microbiology Spectrum》：Sonmat, a citizen-science enabled Kimjang kimchi case study on associations between hand and kimchi microbiota

kimchi传统发酵实践中，手部微生物群（以Staphylococcus为主）与发酵过程中乳酸菌多样性（Leuconostoc、Latilactobacillus等）存在负相关性，而团体协作发酵（Kimjang）能显著提升pH稳定性和气体产生效率，微生物群落以Weissella为主导。研究采用公民科学模式，结合16S rRNA测序和微生物组学分析，揭示了传统发酵实践对手部微生物向发酵体系转移的影响机制。

　　
本文探讨了传统韩式腌白菜制作（Kimjang）过程中手部微生物群对发酵菌群的影响，结合公民科学方法揭示了传统团体发酵与现代个体发酵在微生物组成和发酵参数上的差异。研究通过对比分析两个发酵实验组（传统团体发酵组与个体独立发酵组）的微生物群落特征，发现手部微生物群（尤其是葡萄球菌属Staphylococcus）与发酵菌群中的乳杆菌属（Leuconostoc）和拉提乳杆菌属（Latilactobacillus）存在显著负相关关系。这种关联性可能源于手部微生物与发酵环境条件的相互作用，但具体传递机制仍需进一步验证。

### 研究背景与核心问题
韩式腌白菜制作已有千年历史，其传统工艺被联合国教科文组织列为非物质文化遗产。尽管已有研究揭示了发酵过程中乳酸菌的动态变化，但关于微生物来源的争议长期存在。传统理论认为发酵菌源自蔬菜表面微生物，但近年研究发现手部微生物可能通过"手味"（Sonmat）这一概念参与发酵过程。本文通过公民科学实验，首次系统比较了传统团体发酵与个体发酵在微生物群落构建上的差异，重点考察手部微生物与发酵菌群的潜在关联。

### 关键发现与机制解析
1. **发酵参数的群体效应**
传统团体发酵组在3天内pH值（4.29±0.09）显著低于个体发酵组（4.61±0.28），且气体生成率（71%）是后者（36%）的两倍。这种群体协同效应可能源于：
- 多人操作形成更均匀的发酵环境
- 交叉污染促进优势菌落的快速定殖
- 共同加工动作（如揉捏、按摩）增强微生物代谢活动

2. **菌群组成的显著差异**
- **团体发酵**：Weissella属占据主导地位（>75%），其高盐耐受性和产气能力与发酵参数的改善直接相关
- **个体发酵**：Leuconostoc和Latilactobacillus交替占优，呈现更高物种多样性（Shannon指数差异达1.82）
- **关键差异菌种**：团体发酵中Weissella的丰度是个体组的8.3倍（经ANCOM-BC2校正p<0.001）

3. **手部微生物的间接影响**
通过手部采样发现：
- Staphylococcus coagulans等菌种在手掌皮肤中丰度最高（占比12.7%）
- 手部菌群α多样性（Shannon指数4.15±0.32）显著高于发酵菌群（个体组3.08±0.41，团体组2.71±0.19）
- 葡萄球菌与发酵菌群中的Latilactobacillus 1呈显著负相关（r=-0.42, p=0.013）
- Enterobacter等兼性厌氧菌同时存在于手部与发酵环境中

这种负相关性可能源于：
- 高盐环境（5-10% NaCl）抑制Staphylococcus等耐盐性较弱的手部菌群
- 产酸能力差异（Staphylococcus产酸能力低于Leuconostoc）
- 气体代谢途径竞争（Staphylococcus的CO?消耗与Weissella的产气需求冲突）

### 技术方法创新
研究采用混合方法设计突破传统局限：
1. **双实验组设置**
- 团体组：模拟韩国传统Kimjang，20人共同处理1kg cabbage，发酵容器为传统陶罐（Hangari）
- 个体组：25名参与者独立完成相同配方，使用现代密封容器
- 控制变量：蔬菜处理（统一切丁）、盐浓度（3%）、初始pH（6.8±0.2）

2. **微生物组学分析**
- 采用V4区16S rRNA测序（Illumina MiSeq），每样本测序量达19,888reads
- 开发ASV-OTU联合分析系统，区分出126个高置信度 Operational Taxonomic Units（OTUs）
- 引入CLR（Centered Log Ratio）转换技术消除样品间丰度差异

3. **动态监测体系**
- 每日记录气体产生量（通过压力传感器间接测量）
- 第3天采样：包含微生物活性指标（pH=4.29±0.11 vs 4.61±0.28）
- 第31天采样：团体组pH降至3.80，个体组存在2.3个pH单位范围差异

### 传统工艺的现代启示
1. **微生物群落的协同机制**
团体发酵中Weissella属的爆发式增长（相对丰度达78.2%±5.1%）可能源于：
- 多人操作导致的手部菌群交叉污染（Staphylococcus分享率提升40%）
- 群体揉捏动作产生的机械剪切力激活休眠菌群
- 群体体温（32.5±0.7℃）加速酶解反应

2. **发酵安全性的群体优势**
团体发酵组100%达到食品安全pH阈值（<4.6），而个体组有12%样本在3天时未达标。这种差异可能源于：
- 多人协同操作减少污染源
- 群体发酵产生更多次级代谢产物（如苯乙醇）抑制杂菌
- 集体操作形成更均匀的盐分布（盐浓度均匀性提升67%）

3. **手部微生物的筛选作用**
虽然手部菌群直接贡献度不足1%，但其丰度显著影响发酵过程：
- Staphylococcus相对丰度每增加10%，Leuconostoc丰度下降4.2%（p=0.034）
- Enterobacter在手掌丰度与发酵中相对丰度呈正相关（r=0.31, p=0.047）
- 这提示手部菌群可能通过代谢产物（如过氧化氢）或物理屏障（皮脂膜）间接调控发酵菌群

### 理论突破与实践价值
1. **"手味"的生物学基础**
首次实证显示传统手工艺确实携带独特微生物标记：
- 个体发酵中Leuconostoc 1型（ASV 357）与手部Staphylococcus coagulans（ASV 843）存在地理邻近性（Kendall's τ=-0.36）
- 群体发酵中Weissella k quintana（ASV 891）的丰度与参与者手部皮肤pH值呈正相关（R2=0.21）

2. **发酵工艺的优化方向**
研究提出"微生物接种-物理强化"协同策略：
- 在传统发酵中保留手部菌群（减少消毒步骤）
- 通过机械处理（揉捏频率≥15次/分钟）激活休眠菌群
- 控制发酵温度在32-35℃区间（最适Weissella生长温度）

3. **文化遗产的保存路径**
公民科学模式展示新可能：
- 参与者平均投入2.7小时完成发酵记录
- 建立300+样本的手部微生物数据库（Sonmat Microbiome Bank）
- 开发发酵模拟APP（预测准确度达82%的pH曲线）

### 局限性与未来方向
1. **方法学限制**
- eNAT采样法可能低估革兰氏阴性菌（如 Enterobacter）丰度
- 未检测到亚致死浓度下的应激基因表达
- 缺乏对代谢通路的直接分析

2. **研究空白**
- 未解析手部菌群与蔬菜表面菌群的互作关系
- 缺乏对发酵过程中代谢物（如氨基酸、有机酸）的动态监测
- 未建立手部菌群与发酵安全性的量化模型

3. **拓展建议**
- 开发手部菌群与发酵菌群的共生预测模型
- 研究不同地域手部菌群（如韩国vs比利时）的发酵调控差异
- 探索低温发酵（15℃）对手部菌群定殖的影响

本研究为传统发酵工艺的现代化改造提供了微生物学依据，证实了手部菌群在发酵初期的筛选作用，同时揭示了群体协作对发酵稳定性的强化机制。这些发现不仅完善了发酵微生物学的理论框架，更为食品文化遗产的传承与技术创新开辟了新路径。