微生物发酵协同黑水虻幼虫转化甘蔗废料的效率机制：肠道菌群调控、酶活性与转录组解析

针对甘蔗废料焚烧导致的污染问题，研究人员通过微生物（Bacillus subtilis/Enterococcus faecalis/Saccharomyces cerevisiae）发酵协同黑水虻幼虫（BSFL）开展生物转化研究，发现发酵组幼虫体重提升120%、Firmicutes菌门丰度显著增加，CAZymes（碳水化合物活性酶）和代谢通路基因上调，揭示了微生物-宿主-底物互作机制，为农业废弃物资源化提供新策略。

　　

每年全球甘蔗产量超过16亿吨，产生数亿吨甘蔗废料（SCT），其中15%为田间残留的茎叶。这些废料常被焚烧，释放甲烷和二氧化碳，不仅加剧环境污染，还造成土壤养分流失。黑水虻幼虫（Hermetia illucens L., BSFL）因其卓越的有机废物转化能力成为研究热点，但如何提升其对高纤维甘蔗废料的转化效率仍是难题。微生物发酵技术能分解复杂有机物，但发酵菌群与BSFL肠道微生物、宿主基因表达的协同机制尚不明确。

广西壮族自治区重点实验室联合团队在《Environmental Pollution》发表研究，通过多组学技术解析微生物发酵对BSFL转化甘蔗废料的增效机制。研究采用Bacillus subtilis（BSS）、Enterococcus faecalis（EFS）和Saccharomyces cerevisiae（SCS）单菌及复合菌发酵甘蔗废料，测定幼虫生长性能，结合宏基因组、酶活分析和转录组技术，系统评估肠道菌群结构、CAZymes活性及宿主基因调控网络。

关键方法

1. 发酵处理：使用BSS、EFS、SCS单菌及复合菌（0.6×10⁸ CFU/g）发酵甘蔗废料；
2. 生长指标：测定50%预蛹期幼虫体重、存活率、底物转化率；
3. 宏基因组：分析BSFL肠道菌群组成与功能基因；
4. CAZymes注释：基于KEGG和CAZy数据库鉴定酶家族；
5. 转录组：RNA-seq筛选差异表达基因（DEGs），GO/KEGG富集分析。

研究结果

生长性能与发育特征
复合菌发酵组（BSS+EFS+SCS）效果最优，幼虫体重达143.00±3.51 mg/只，较未发酵组（65.00±4.32 mg/只）提升120%，存活率提高至98.3%，底物转化效率增加2.1倍。

肠道菌群调控
发酵组BSFL肠道中Firmicutes菌门占比显著上升（72.4% vs 未发酵组45.8%），包括Bacillus licheniformis、B. safensis等有益菌株，病原菌如Escherichia coli减少64%。

CAZymes活性增强
发酵组纤维素酶（GH5、GH6）、半纤维素酶（GH10、GH11）和淀粉酶（GH13）家族丰度显著提高，其中β-葡萄糖苷酶活性提升3.8倍。

宿主转录响应
差异基因分析显示，碳水化合物代谢（如糖酵解途径的HK1、PFK）、几丁质合成（CHS2）和免疫防御（抗菌肽基因Defensin）显著上调，与幼虫生长和抗病性增强一致。

结论与意义
该研究首次阐明微生物发酵通过三重协同机制提升BSFL性能：1）外源菌群直接降解底物复杂多糖；2）重塑肠道菌群（Firmicutes增殖）改善微生态平衡；3）激活宿主代谢与免疫相关基因表达。研究成果为农业废弃物高值化利用提供了“微生物预处理+昆虫转化”的创新方案，同时深化了对昆虫-微生物-底物互作的理论认知。

（注：文中所有数据及菌株名称均引自原文，未简化或改编）