白酒发酵的微生物生态学：开放式固态生态系统中的群落组装、功能演替与环境反馈

《Food Microbiology》：Microbial ecology of Baijiu fermentation: Community assembly, functional succession, and environmental feedback in an open solid-state ecosystem

　　

摘要
开放式固态白酒发酵是一个空间结构化生态系统，微生物、胞外酶和代谢物从多个来源池进入，并在异质性粮食基质内发挥作用。然而，当前研究往往直接从微生物检测、来源追踪或多组学关联推断功能，而未区分转移、定殖、原位活性和因果贡献。本综述建立了一个来源到功能框架，将微生物移民和定殖与群落组装、时空演替、代谢重构和环境反馈联系起来。区分了四个相互关联但不等同的生态单元：酒曲生态系统、发酵粮食生态系统、窖泥 - 酒醅界面以及车间元群落。选择、扩散、生态漂变、优先效应和生物互作被视为并行的、依赖于情境的过程，其重要性在不同发酵阶段、空间生态位和生产体系中有所不同。群落演替改变了负责水解、乙醇发酵、有机酸产生和消耗、代谢物交换以及厌氧链延长的生物体及其生理状态。这些活动重塑了 pH 值、乙醇胁迫、温度、氧气可用性、氧化还原条件和底物可及性，产生了延迟且空间受限的反馈回路。本综述进一步区分了检测与定殖、遗传潜力与表达活性、代谢物浓度与代谢通量，以及统计关联与因果贡献。最后，该框架被转化为基于过程的调控，通过可重复的功能输入、阶段特异性监测、演替轨迹、速率匹配以及针对已诊断反馈失衡的干预措施来实现，并通过从受控实验到真实生产体系的验证。这种证据校准方法为改善风味形成、过程稳定性和生产重复性提供了机制基础。

引言
白酒是通过用酒曲发酵熟粮，然后蒸馏制成的（Kang, Huang, et al., 2024）。不同于以定义明确的酵母接种物为中心的均质液体发酵，传统白酒生产允许微生物从酒曲、原料、加工表面、空气以及相关的窖池发酵系统中的窖泥反复进入（Wang et al., 2017; Xu et al., 2024; Yuan et al., 2026）。粮食颗粒、孔隙液体和充气质腔同时产生了温度、氧气、水分、氧化还原电位和底物可及性的陡峭梯度。这些特征使得白酒发酵成为一个微生物扩散、质量传递和局部环境选择同时发生的空间结构化生态系统（L. Chen, X. Qin, et al., 2024）。
以往的研究已经表征了细菌和真菌的演替，追踪了潜在的微生物来源，将微生物分类单元与风味相关代谢物联系起来，从宏基因组重建代谢潜力，并测试了选定的分离株或合成菌群（Du et al., 2020; Fu et al., 2021; Wang et al., 2019; Wang et al., 2017）。总体而言，这些方法使该领域超越了依赖培养的分类目录，并展示了群落组成、环境条件和风味代谢之间的紧密关联。然而，在不同分析水平产生的证据往往被结合成一个连续的因果叙事，即使个别研究仅解决了该叙事的一部分。在酒曲、窖泥、原料或车间环境中检测到微生物本身并不能证明其转移进入酒醅、转移后的存留、原位活性或对产物形成的定量贡献。
这一证据差距使本综述与来源目录和风味关联综述区分开来。代表性属的列表对于描述群落组成是有用的，但它们不能解释为什么一些与来源相关的种群在接种后消失，为什么非细胞性酒曲输入物保持功能性，或者为什么相似的分类单元在不同的空间生态位中产生不同的结果。同样，连接分类单元和代谢物的统计网络无法识别是哪个成员产生、消耗或运输了某种化合物。因此，机制解释需要一系列生态和证据过渡，每个过渡都由不同类型的观察支持，并受限于定义的推断边界。
来源到功能框架需要区分至少五个水平：来源发生、移民或转移、生存和定殖、原位活性以及功能或因果贡献。此处，定殖是指移民后的成功建立，包括存留以及（如有证明）种群生长。来源追踪模型估算受体群落与候选来源的组成相似性，但它们不能独立确立被分配的种群在转移后保持活力或在受体栖息地中变得活跃（Richa et al., 2022）。相对丰度也是组成性的，可能会发生变化而不伴随细胞数量的相应变化，而基于 DNA 的功能注释表明遗传潜力，而非途径表达或代谢通量（Du et al., 2020; Gloor et al., 2017）。因此，将这些水平视为等同可能会夸大关于微生物起源和功能的结论。
微生物演替也经常被描绘为对温度、pH 值、乙醇、氧气或底物可用性的单向响应。实际上，微生物代谢也会改变这些变量。水解和快速生长改变了资源可及性并释放热量；呼吸作用消耗氧气；乙醇和有机酸既作为代谢产物又作为生态胁迫因子；厌氧伙伴可以改变局部氢分压。在浓香型酒窖中，酒醅和窖泥形成相邻但化学性质不同的栖息地，其中有机酸的产生和交换在空间上是分区的（Qian et al., 2021）。在堆积过程中，氧气定义的层表现出不同的演替动态，说明了微生物活动和质量传递如何共同构建随后的生态位（L. Chen, X. Qin, et al., 2024）。因此，白酒发酵应被解释为一种互惠的群落 - 代谢 - 环境系统，而不是群落对环境强迫的被动响应。
这些生态机制的相对作用和重要性因白酒生产体系而异。在酱香型发酵中，高温大曲、反复堆积和多次发酵轮次创造了交替的热和氧气条件；氧气解析采样进一步表明堆积产生了层特异性的空间异质性和演替动态（L. Chen, X. Qin, et al., 2024）。在浓香型发酵中，窖泥 - 酒醅界面形成定义性的生态边界，两个相邻栖息地保持不同的物理化学条件，并在有机酸产生和转化中发挥互补作用（Qian et al., 2021）。清香型体系通常缺乏功能上可比的窖泥区室，增加了酒曲和车间相关微生物输入的相对重要性；对白酒车间的空间和时间调查显示，空气、地板、墙壁和加工表面构成了异质性且可重复利用的环境来源池（Li et al., 2022）。基于小曲的发酵在启动子结构上进一步不同，糖化霉菌、酵母和细菌实现了糖化与酒精发酵之间的紧密耦合；在受控条件下，定义明确的合成菌群重现了小曲清香型白酒的关键发酵和风味相关特性（H. Wang et al., 2024）。即使在相同的香型类型内，容器几何形状、翻拌操作、水分分布、原料和当地车间微生物群也可以改变观察到的空间和时间模式的方向或幅度。因此，这些机制应在其特定的生产体系和空间边界内解释，并分类为广泛支持、仅在选定体系中支持或仍属假设。
在这一背景下，本综述解决了三个问题：(1) 来自多个来源的微生物和非细胞输入物如何成为酒醅发酵的活性成分？(2) 选择、扩散、漂变、历史偶然性和空间异质性如何产生群落演替？(3) 代谢输出如何重塑环境选择并创造潜在的干预目标？本综述遵循从微生物输入和生态边界到群落组装、时空演替、互惠代谢反馈、证据强度和基于过程调控的顺序。贯穿始终，因果语言与研究设计相匹配，除非证明了微生物转移、存留、活性或功能连续性，否则不会将一个生态单元中获得的证据外推到另一个生态单元。该框架有意是机制性的而非详尽的。它并不试图为每种白酒风格编录所有报告的分类单元或芳香化合物。相反，使用代表性研究来评估哪些推断是合理的，哪些发现是体系特异性的，以及为什么看似相似的观察可能导致不同的解释。例如，宏基因组重建和代谢建模可以识别候选功能亚群落和可行的代谢途径，但它们不能独立证明原位活性或方向性代谢通量（C. Chen et al., 2024）。这一区别很重要，因为高度解析的分类单元或代谢关联可能仍然提供关于功能的弱证据，而在狭义定义体系内的受控合成菌群干预可能提供更强的方向性证据（H. Wang et al., 2024）。因此，检测的广度和推断的强度被分开评估。
因此，本综述的贡献既是概念性的也是方法学的。在概念上，它在来源到功能框架内整合了微生物来源、群落组装、功能演替和环境反馈，该框架区分了相互关联但不等同的生态单元。在方法上，它将每个功能主张与支持它的证据水平联系起来，区分了发生与定殖、遗传潜力与表达活性、代谢物浓度与方向性通量，以及统计关联与因果贡献。该框架还将过程特异性发现置于其生态边界内，并提供了评估微生物观察何时可以转化为机制解释和过程调控的共同基础。

章节片段
白酒发酵中的微生物输入与生态边界
白酒生产环境包含几个相互连接的微生物栖息地，但这些栖息地不是可互换的。酒曲生态系统包括制造和储存期间与大曲、小曲以及其他类型酒曲（包括麸曲、麦曲和红曲）相关的微生物群落；它为后续发酵提供上游微生物细胞、酶和代谢物（Kang, Xue, et al., 2022）。发酵粮食生态系统包括酒醅，是核心栖息地...
从微生物移民到群落组装
群落组装始于一个种群变得丰富之前。移民决定了哪些生物体到达某个地点，但建立取决于生存、资源获取、相互作用伙伴以及在当地条件下的活性。选择、扩散、生态漂变、分化以及历史偶然性可以同时发生，且每个都可以包含可预测和概率性成分（Nemergut et al., 2013; Zhou & Ning, 2017）。组装框架的目的是...
不同白酒体系中的时空演替
图 3 展示了白酒发酵期间时间演替和空间分带的通用模型。在早期好氧或微好氧阶段，霉菌和杆菌水解粮食大分子，同时发生热量产生、吡嗪前体形成以及部分由非酿酒酵母介导的早期酯类积累（Hong et al., 2026; Jiwei Wang et al., 2023; Wang et al., 2025）。在过渡到主要厌氧发酵阶段期间，酿酒酵母转化...
群落、代谢与环境的相互耦合
图 4 总结了物理化学环境、功能活跃微生物种群和代谢网络之间的动态耦合。温度、pH 值、氧气、乙醇和底物可用性强加选择压力，过滤功能活跃种群（L. Chen, X. Qin, et al., 2024; Kang, Hu, et al., 2022; Kang, Zheng, et al., 2022; Miao et al., 2025; Wei, Lu, et al., 2023; Wu, Yan, et al., 2025）。细菌、酵母和霉菌演替和活性的变化...
从检测到因果贡献的证据
图 5 总结了用于白酒微生物组研究的主要方法学方法。传统分离和培养技术实现菌株回收、鉴定、模拟发酵和性能评估。分子生物学和多组学方法通过测序、转录组学、蛋白质组学和代谢组学表征微生物群落结构并分析群落功能和发酵产物。培养组学结合多样化培养条件...
基于生态过程的调控
来源到功能框架提供了从生态解释到过程调控的机制路线。调控应首先定义相关的生态单元和功能状态，然后根据现有证据的强度确定限制发酵轨迹的关键功能过程或反馈。随后，干预措施应针对已诊断的机制，而不是孤立地针对某个分类单元或代谢物，其有效性应由...验证。
结论与展望
白酒发酵群落不是酒曲、原料、窖泥和车间中检测到的生物体的简单混合物。来源种群必须转移、生存、定殖并在特定的酒醅生态位中保持活跃，然后才能直接做出贡献。酒曲还提供胞外酶和预形成代谢物，其效应可在无持续定殖的情况下持续存在。分离酒曲、发酵粮食、窖泥界面和车间单元可防止来自一个...的证据...
CRediT 作者贡献声明
Yonghong Fan：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督，资源，概念化。Jiang Zhang：撰写 - 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Fengxia Yan：验证。Yiyue Wang：形式分析。Xingwang Gao：验证，形式分析。Yan Chen：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。

未引用参考文献 Chen 等，2024 年；Chen 等，2024 年；Chen 等，2025 年；Chen 等，2025 年；Kang 等，2024 年；Kang 等，2022 年；Kang 等，2022 年；Wang 等，2024 年；Wang 等，2023 年；Wang 等，2023 年；Wang 等，2022 年；Wang 等，2018 年；Wei 等，2023 年；Wu 等，2025 年；Yang 等，2024 年。
利益冲突声明。作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会被视为影响本文报告的工作。
数据可用性。本文所述研究未使用任何数据。
利益冲突声明? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会被视为影响本文报告的工作。
致谢：人才发展专项基金天池人才计划（5105240151）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（04212420501）以及"2+5"高层次人才计划项目（202506140002）。
Yan Chen|Huilin Shi|Fengxia Yan|Yiyue Wang|Xingwang Gao|Yonghong Fan|Jiang Zhang 新疆大学生命科学与技术学院，中国乌鲁木齐 830017