《Food Research International》：Biofilm-mediated spatial persistence shapes fungal-to-bacterial succession in baijiu fermentation
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•在白酒发酵过程中，碳流的变化驱动了从真菌到细菌的演替。•宏转录组学研究表明，在后期乳酸菌（LAB）中，与生物膜相关的应激功能得到增强。•淀粉的消耗和酸化的作用促进了细菌生物膜的形成。•多尺度实验验证了生物膜的持久性增强了乳酸菌的竞争优势。引言在自发的食物发酵过程中，微生物群落从
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在白酒发酵过程中，碳流的变化驱动了从真菌到细菌的演替。
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宏转录组学研究表明，在后期乳酸菌（LAB）中，与生物膜相关的应激功能得到增强。
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淀粉的消耗和酸化的作用促进了细菌生物膜的形成。
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多尺度实验验证了生物膜的持久性增强了乳酸菌的竞争优势。
引言
在自发的食物发酵过程中，微生物群落从以真菌为主转变为以细菌为主是一种常见的生态现象（Auchtung等人，2025年；Huang等人，2024年；Kang等人，2024年；Mudoor Sooresh等人，2023年；Nikoloudaki等人，2024年）。这种演替转变伴随着发酵过程中底物生物可利用性、代谢活动以及环境参数的重大变化（Kang等人，2022年；Li等人，2024年；Xiong等人，2024年；Xu等人，2024年；Xue等人，2023年；Zeng等人，2025年）。由于主导的微生物种类对发酵效率和最终产品的质量具有决定性影响，因此揭示控制这种演替的生态和代谢机制一直是食品发酵微生物组研究中的长期重点任务（Auchtung等人，2025年；Kang等人，2024年；Liu等人，2025年；Mudoor Sooresh等人，2023年；Nikoloudaki等人，2024年）。因此，目前的研究主要集中在描述群落的组成、功能基因丰度的时间变化，以及物理化学变量与微生物组成之间的相关性。然而，在食品发酵过程中控制从真菌到细菌转变的生态驱动因素仍不明确（Kang等人，2022年；Luo等人，2022年）。
大多数研究通过扩增子测序或其他群落分析技术来研究食品发酵中的微生物演替，并发现了可重复的、具有阶段特异性的微生物更替模式（Liao等人，2024年；Shi等人，2025年；Tang & Peng，2024年）。在发酵初期，真菌通常占主导地位，而细菌（尤其是乳酸菌）在后期发酵阶段大量繁殖并成为优势菌群（Zapa?nik等人，2022年）。与此同时，这些变化与关键环境参数（包括pH值、水分含量、温度和营养物质的可利用性）的动态变化密切相关（Kang等人，2022年）。此外，功能研究表明，微生物演替不仅仅是分类学上的更替，还涉及整个群落的协同代谢重组。例如，在中国白酒等固态发酵过程中，真菌通过分泌胞外酶分解复杂的大分子为可溶性碳水化合物，从而为后续细菌的生长创造了适宜的营养条件（Shi等人，2025年；Song等人，2026年）。随着发酵的进行，微环境逐渐变得营养受限、酸度持续升高且空间异质性增加，在这种条件下，单纯的快速生长已不足以保证微生物的持续存在（Ghosh等人，2022年；Gong等人，2021年；Ibrahim等人，2021年；Li等人，2021年；Liu等人，2025年；Luo等人，2022年；Shen等人，2025年；Yao等人，2022年）。在这种极端条件下，如生物膜形成等适应压力的策略可能对微生物在营养受限、持续酸性和空间异质性环境中的持续存在至关重要（Li等人，2023年；Li等人，2024年；Liao等人，2024年；Xiong等人，2024年；Xue等人，2023年；Zeng等人，2025年）。在这里，我们探讨了后期乳酸菌的生物膜机制是否在分子层面适应了这种持续酸性的环境，并探讨这种适应性是否赋予了其功能上的持久性优势。
在这项研究中，我们结合了宏转录组分析和计算建模来阐明传统食品发酵过程中从真菌到细菌的演替机制，选择白酒发酵作为代表性模型系统（图1）。首先，我们描述了不同发酵阶段微生物群落的时间动态变化，特别是量化了从早期真菌主导的群落到后期细菌主导的群落的转变过程。其次，我们揭示了碳代谢途径的顺序重组，表明从早期真菌降解淀粉到后期细菌代谢产物的明确转变。第三，我们结合了以生物膜为重点的功能分析、环境相关性分析和空间竞争建模来验证两个假设：（1）碳代谢活性的下降与细菌生物膜形成的增强相关；（2）这种空间定殖策略在后期发酵过程中提供了关键的竞争优势。第四，我们结合了蛋白质水平的分子模拟和表型生物膜测定，以检验后期乳酸菌的生物膜机制是否在分子层面适应了持续酸性的环境，以及表面附着生长是否赋予了抗酸生存优势。总体而言，这项工作将碳代谢转变与空间定殖动态联系起来，阐明了生物膜形成如何促进固态发酵中的微生物演替，对于基于微生物组的传统发酵调控具有重要意义。
章节片段
采样
样品采集自中国河北省的一个传统白酒生产设施（37°44′N, 115°40′E）。在六个代表性时间点采集样品：第0天、第1天、第5天、第11天、第20天和第30天，涵盖了整个发酵周期。在每个时间点，从每个发酵池的中心和边缘各采集三个生物样本，以捕捉潜在的空间异质性。采集的样本立即被冷冻
白酒发酵过程中环境因素的变化
我们监测了四个与环境因素相关的变量（pH值、水分、温度和淀粉含量），这些因素在发酵的六个阶段中都有明显的变化（图2）。
这些物理化学参数在发酵过程中表现出明显的时间依赖性变化。在发酵初期（0–1天），系统表现为相对稳定的酸性条件（pH值3.5–3.8，图2a）、中等的水分水平（约53%，图2b）和相对较低的温度（大约
讨论
在碳资源逐渐减少的情况下，是什么驱动了从真菌到细菌的演替并稳定了这一群落转变，这是自发性固态发酵中的一个关键问题。通过白酒发酵中的多组学分析和建模，我们发现这种转变反映了功能上的演替：从真菌对淀粉的降解转变为乳酸菌主导的糖类发酵。资源枯竭和酸性压力也促进了生物膜的形成，帮助乳酸菌在后期阶段持续存在并占据主导地位
结论
我们的白酒发酵结果支持了从真菌到细菌的顺序生态机制。首先，真菌到细菌的转变是由碳代谢的交接开始的：真菌在初期通过降解淀粉起主导作用，而乳酸菌在中后期通过吸收糖类和进行发酵代谢逐渐占据优势。其次，随着可 fermentable carbon 的减少和酸性的持续，与生物膜相关的功能
CRediT 作者贡献声明
Zijian Miao：撰写 – 初稿撰写、验证、软件开发、方法学设计、实验设计、数据分析、数据管理。Zeyang Li：实验设计、数据分析、数据管理。Haixian Cheng：实验设计、数据分析。Xinlei Wang：资源协调、实验设计。Yana Su：资源协调、实验设计。Bowen Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、方法学设计、经费筹措、概念构思。Huan Cheng：撰写 – 审稿与编辑、监督，
资助
本论文得到了国家自然科学基金（NSFC）（资助编号32472476）、国家重点研发计划（2022YFD2101205）、中央引导地方科技发展项目（246Z2815G）以及“三农酒坊”浙江科技合作项目（资助编号2025SNJF067）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
Zijian Miao|Zeyang Li|Haixian Cheng|Xinlei Wang|Yana Su|Bowen Wang|Huan Cheng|Jinyuan Sun|Hehe Li|Xingqian Ye|Baoguo Sun
