复合菌剂固态发酵对毛叶枣秸秆营养品质、微生物群落结构及代谢谱的重塑作用

《Fermentation》：Effects of Solid-State Fermentation with Compound Bacterial Inoculant on the Nutritional Quality, Microbial Community Structure, and Metabolic Profile of Ziziphus mauritiana Straw

本研究通过复合微生物菌剂固态发酵毛叶枣秸秆，系统揭示了其营养品质提升（粗蛋白显著增加，NDF、ADF和纤维素显著降低）、微生物群落结构重塑（Pseudomonadota和Basidiomycota相对丰度变化）及代谢谱重构（1176种差异代谢物，肽类、氨基酸、多不饱和脂肪酸和类黄酮等生物活性物质富集）的协同机制，为农业副产物高值化利用提供了理论依据。

　　

引言

毛叶枣（Ziziphus mauritiana Lam.）作为中国南方广泛种植的经济果树，果实采收后修剪产生的大量枝条常被露天焚烧，造成资源浪费和环境污染。其秸秆以木质纤维素为主，结构复杂、营养利用率低，直接作为饲料应用受限。微生物发酵技术被视为改善秸秆饲料价值的有效策略，但针对果树修剪废弃物的发酵机制研究仍较缺乏。本研究通过整合宏基因组学与代谢组学，系统解析复合菌剂固态发酵对毛叶枣秸秆营养品质、微生物群落结构及代谢产物的综合影响。

材料与方法

实验以毛叶枣秸秆为原料，接种由植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum PC-1）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis PC-2）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens TR-1）、贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis TR-2）和地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis ZLP-1）组成的复合菌剂（接种量15%），于37°C固态发酵4天。通过凯氏定氮法和范氏纤维分析法测定营养组分，利用Illumina HiSeq平台进行宏基因组测序，并通过非靶向代谢组学（LC-MS/MS）分析代谢物变化。

结果与分析

营养品质提升

发酵后秸秆粗蛋白含量显著增加（P_adj< 0.05），中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）和纤维素含量显著降低，但酸性洗涤木质素（ADL）和半纤维素无显著变化，表明发酵有效降解了纤维组分并提升了氮源价值。

微生物群落重构

发酵显著降低了微生物群落的Chao1（丰富度）和Shannon（多样性）指数（P_adj< 0.05）。细菌群落中，Pseudomonadota门相对丰度从90.82%升至97.01%，其中克雷伯菌属（Klebsiella，24.44%→30.88%）和肠杆菌属（Enterobacter，20.26%→29.97%）显著富集；真菌群落中，子囊菌门（Ascomycota）从95.47%降至91.19%，而担子菌门（Basidiomycota）从4.14%升至8.10%，星裂壳属（Astraeus）丰度明显增加（1.71%→4.84%）。外源添加的芽孢杆菌和乳杆菌未被检测到，推测其在发酵早期起“引导”作用后被土著菌群替代。

功能基因与代谢通路变化

CAZy分析显示 glycoside hydrolases（GHs）和 carbohydrate esterases（CEs）等关键酶家族保持稳定。KEGG注释表明，发酵后遗传信息处理、ABC转运蛋白及淀粉蔗糖代谢通路增强，而氧化磷酸化通路减弱。抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子（VFs）丰度呈下降趋势，如多重耐药基因（mdtK、acrD）和运动相关基因（flgG）减少，提示发酵可能提升生物安全性。

代谢物谱重塑

共鉴定5499种代谢物，发酵组（T）与对照组（CK）比较发现1176种差异代谢物（616种上调，560种下调）。脂质类物质中，多不饱和脂肪酸（如花生四烯酸）、甾体（如人参皂苷Rh2）和羟基脂肪酸（如12-羟基硬脂酸）在T组富集；有机酸及其衍生物中，二肽、三肽（如亮氨酰脯氨酸）、游离氨基酸（L-缬氨酸、L-酪氨酸）及N-乙酰化氨基酸显著积累；苯丙素类物质中，槲皮素衍生物、哈马碱等黄酮类和生物碱含量升高。KEGG富集分析显示ABC转运蛋白、氨基酸生物合成和淀粉蔗糖代谢为最显著通路。

微生物-代谢物关联网络

皮尔逊相关性分析揭示克雷伯菌属、肠杆菌属与肽类、氨基酸呈正相关，而 Aureobasidium mustum 与黄酮苷（如槲皮素3-乙酰葡萄糖苷）显著正相关，表明关键菌群直接参与了营养物转化与生物活性物质合成。

讨论

固态发酵通过微生物协同作用降解纤维素、提升蛋白价值，并驱动群落向具有纤维降解潜力的 Pseudomonadota 和 Basidiomycota 优势转化。代谢通路的重构（如ABC转运蛋白和氨基酸合成增强）促进了小分子营养物的积累。外源菌虽未被检出，但其初始代谢活动可能启动了群落演替方向。ARGs和VFs的减少提示发酵有助于降低生物风险。相关性网络进一步验证了微生物功能模块化与代谢表型的联动机制。

结论

复合菌剂固态发酵可通过重塑毛叶枣秸秆的微生物生态系统与代谢网络，显著提升其营养价值和功能特性，为农业废弃物资源化提供了理论支撑和技术路径。