引言
全球农业向可持续发展的转型迫切需要高效、环保的生物刺激剂，以部分替代或补充传统化学投入品。农业酵素（Agricultural Jiaosu，AJ），又称"垃圾酶"，是由多种微生物 consortium 对植物性材料和糖料进行共生发酵所得到的复杂液体产物，在此背景下具有广阔的应用前景（Gao et al., 2022; Wang et al., 2024; Yu et al., 2025; Zhang et al., 2024）。AJ富含有机酸、可溶性养分、氨基酸和各种生物活性化合物，在促进作物生长、增强抗逆性和改善根际微环境方面展现出潜力，与绿色化学和循环农业的原则相一致（Gao et al., 2022; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2024）。
尽管前景广阔，该领域仍面临重大挑战。目前AJ的生产主要依靠经验，导致产品功效不一致，缺乏将原料特性与产品功能联系起来的理性设计框架。根本性瓶颈在于现有研究主要关注农学效果评估或终态产品的静态成分分析（Chen et al., 2025; Wang et al., 2024）。跨越数月的漫长动态发酵过程常被当作"黑箱"对待。因此，我们对这一过程中质量转化、微生物群落组装和功能演替的动力学原理和调控机制的理解仍然非常有限（Pasalari et al., 2024）。这一知识鸿沟削弱了优化生产工艺、确保批次间一致性和实现具有特定农业功能的目标产品定向设计所需的科学与工程基础——这些是可持续生物制造语境下的关键目标。
原料的选择是决定发酵轨迹和最终产品谱系的关键初始变量。目前，AJ生产主要依赖常见的农业副产品，如果蔬残渣（Bulai et al., 2021; Chen et al., 2025; Gao et al., 2024），而有限的原料多样性制约了对内在"原料-工艺-功能"关系的系统理解。野生植物资源（如农田伴生杂草）分布广泛，在农业生态系统中生物量大，但因缺乏有效利用途径常被当作废弃物——因此对其进行高值化利用具有现实必要性。此外，野生植物通常具有较强的抗逆性和多样化的次生代谢产物（Obukohwo, 2024; Zhang et al., 2021）。利用野生植物生物质生产AJ具有多重环境效益，符合清洁生产和循环生物经济原则（Mujtaba et al., 2023）。首先，它高值化利用了闲置生物质，减少农业生态系统中植物废弃物的积累，降低处理需求，并最小化对农田的潜在危害（Yu et al., 2025）。其次，AJ的应用可部分替代合成化学肥料，从而减少与肥料生产和径流相关的环境足迹（Zhang et al., 2024）。第三，自然发酵过程在环境温度（25–30°C）下运行，无需外部加热、通气或pH调控，与工业生物工艺相比能最大程度减少能源输入（Wang et al., 2024）。
从比较的角度看，与传统果蔬废弃物相比，野生植物生物质既具有独特优势也面临特定挑战。传统果蔬废弃物富含易降解的可溶性糖和果胶，可在发酵早期阶段实现pH的快速下降，但这也导致底物消耗更快，发酵终产物的多样性可能更低（Gao et al., 2024; Pasalari et al., 2024）。某些果蔬废弃物含有足够的糖和水分，无需额外添加红糖或水即可启动发酵，具有资源节约优势（Gao et al., 2024）。相比之下，野生植物通常含有更高水平的结构性多糖和多样化的次生代谢产物。人们可能预期这些特性会延缓微生物水解并延长发酵时间。然而，我们此前的工作发现，在充分添加红糖的情况下，野生植物原料的发酵时间并未显著延长（Li et al., 2026a; Yue et al., 2025）。此外，野生植物次生代谢产物的丰富性可能通过微生物转化产生更多样化和更复杂的生物活性化合物，包括植物激素、有机酸和信号分子，使其成为潜在的生物刺激剂（Khalil et al., 2022; Li et al., 2025; Obukohwo, 2024）。这些多样化的初始化学组成提供了一个理想的自然比较模型，用于研究原料化学特性如何作为"选择性压力"和"反应底物"发挥作用，塑造发酵微环境，驱动微生物群落演替，并最终决定产物组成和生物功能。
在本研究中，我们选取了两种资源丰富且化学特征迥异的野生植物作为原料：葎草（H. scandens）和 马齿苋（P. oleracea）。我们团队进行的初步筛选进一步表明，由这两种物种制备的AJ含有较高的有机质含量（Li et al., 2026a）。H. scandens为桑科一年生或多年生攀援草本植物，含有大量有机成分，包括粗蛋白（12–18%）、粗纤维（16–23%）和粗脂肪（3–5%），同时还含有高浓度的矿质养分和多样化的次生代谢产物，如黄酮类、生物碱、木犀草素和芹菜素（Carbone and Gervasi, 2022; Choi et al., 2018; Zhang et al., 2021）。P. oleracea为马齿苋科一年生草本植物，富含碳水化合物、草酸（每100克含1294–1460毫克）、蛋白质、omega-3脂肪酸以及钾、钙、镁等矿质元素（Iranshahy et al., 2017; Obukohwo, 2024）。它们截然不同的"原料化学指纹"使我们提出假说：原料化学组成的固有差异会产生不同的初始发酵微环境（如pH、渗透压、特定底物），从而施加差异化的生态选择压力。这些压力驱动微生物群落演替向含有不同代谢功能模块的结构方向发展，进而催化不同代谢物谱系的形成（如有机酸、氨基酸、植物激素）。最终，这些差异化的产品谱系可能表现为多样的农学生物效应和最优施用策略。
为检验我们的假说并揭开发酵"黑箱"，我们采用多尺度过程工程框架，将系统视为一个间歇式生物反应器。我们的目标是系统阐明：(1) 宏观过程动力学（pH、EC、有机质和矿质养分）；(2) 关键代谢物的动力学（糖类、有机酸、氨基酸、植物激素）；(3) 微生物群落演替和功能潜力；(4) 环境-微生物-代谢物互作网络；以及(5) 通过番茄幼苗试验进行的过程输出验证。本研究提供了来自两种不同野生植物的AJ发酵的系统比较，融合工程生物学和系统生态学，揭示从原料特性到微生物功能再到产品功效的级联效应。
