Proteus mirabilis（奇异变形菌）通过酶介导的氨积累作用，改变了Hermetia illucens（豆娘幼虫）的肠道微环境，并增强了蛋白质降解与氮转化过程

《Journal of Cleaner Production》：Proteus mirabilis reshapes the gut microenvironment and enhances protein degradation and nitrogen conversion in Hermetia illucens larvae via enzyme-mediated ammonia accumulation

摘要

黑水虻幼虫（BSFL）能够高效转化高氮有机废物，如食物废弃物和畜禽粪便，其肠道共生微生物群是蛋白质降解和氮循环的核心调控者。从黑水虻幼虫中分离出一种产尿素酶的Proteus mirabilis菌株。体外实验验证了该菌株具有胞外尿素酶、丝氨酸蛋白酶和苯丙氨酸脱氨酶活性，这些活性可通过尿素水解和氨基酸脱氨基作用产生氨。共培养实验表明，该菌株通过两种机制抑制优势肠道细菌Klebsiella：氨的积累提升了微环境pH值，并通过氨的细胞毒性发挥抑制作用。Klebsiella代谢产生的酸会改变微环境，导致蛋白质絮凝和沉淀，从而阻碍底物水解。相比之下，Proteus mirabilis产生的氨能中和酸性，缓解这一蛋白质沉淀问题。体内接种结合宏基因组分析证实，Proteus mirabilis的定植重塑了肠道微生物群结构，减少了Klebsiella的数量，并增强了与蛋白质降解相关的代谢途径的活性。因此，Proteus mirabilis通过多种产氨功能抑制Klebsiella种群，调节局部肠道微环境pH值，提高了以高氮有机废物为食的黑水虻幼虫的蛋白质消化能力，提升了有机氮转化效率。这些发现为应用功能性微生物增强昆虫介导的有机固体废物生物转化提供了理论支持。

引言

作为优秀的有机废物处理昆虫，Hermetia illucens L.（黑水虻幼虫，BSFL）被视为可持续的蛋白质来源。由于其广泛的适应性和多源食物特性，常被用于处理厨余垃圾和动物粪便，在近年来受到了广泛关注（Su等人，2025；Yu等人，2026；Salam等人，2024）。先前的研究已证明BSFL能高效转化猪和鸡的粪便，产生富含营养的幼虫粪便，可作为有机肥料（Wu等人，2024）。随着相关产业的发展，氨排放问题逐渐凸显，尤其是在用于畜禽饲养和粪便处理的养殖环境中（Zhao等人，2025）。NH₃的细胞毒性不仅会导致呼吸系统疾病，降低畜禽的生产性能，还会在释放到环境中时引起水体富营养化和大气二次污染（Bai等人，2021；Yi等人，2025）。一方面，我们希望BSFL能更好地转化有机废物以生产蛋白质；另一方面，需要减少NH₃的排放。这是业界亟需解决的问题。

在生物体内，氨的产生与食物底物的转化密切相关（Kroupina等人，2022）。对于BSFL而言，蛋白质的降解和转化以及从外部来源（如尿素和尿酸）吸收氮化合物是NH₃转化的重要途径。除了BSFL自身外，一些肠道细菌也通过分泌酶参与这一过程。此外，这一过程还与肠道菌群之间的竞争密切相关。例如，Proteus mirabilis具有高效分泌蛋白酶、尿素酶和苯丙氨酸脱氨酶的能力，有助于BSFL消化和吸收含蛋白质的食物并释放NH₃（Drzewiecka等人，2016；Sanches等人，2019；Baek等人，2011）。同时，由于其对氨代谢的影响，也会改变肠道微生态的组成（Han等人，2021；Zheng等人，2025）。尽管有一些关于BSFL肠道氨代谢和肠道微生物的研究，但这些研究还不足以解释特定细菌在此生物过程中的作用。因此，本研究以Proteus mirabilis为例，探讨其产生的蛋白酶、尿素酶和转氨酶在蛋白质降解、氨产生以及对肠道微生物群的影响中的作用，从而进一步加深人们对BSFL转化蛋白质和减少有机废物中NH₃排放的理解，并为解决这一问题提供理论依据。

章节片段

实验材料来源

我们使用了实验室菌株群中的五龄黑水虻幼虫（BSFL），在28°C和70%相对湿度条件下饲养。从BSFL的肠道中分离出GML712和Kp2-3菌株。

细菌菌株和培养条件

除非另有说明，GML712和Kp2-3菌株通常在28°C的Luria–Bertani（LB）培养基中需氧培养。所有实验菌株的初始细胞密度调整为约1.5×10⁷ CFU·mL^?1。

GML712的基因组测序

对GML712进行了基因组测序。原始测序数据采用第三代Nanopore测序技术获得。

GML712的基因组分析

在本研究中，我们对Proteus mirabilis菌株GML712进行了基因组测序和高质量组装。基因组组装结果显示（图1A），GML712的染色体为环状分子，总长度为4,126,693 bp。共预测出3,656个蛋白质编码基因。将这些基因的功能注释与COG数据库进行比对（图1B）后，其中3,656个基因中有3,046个被成功归类到24个功能类别中。

讨论

黑水虻幼虫（BSFL）是典型的腐生性杂食性昆虫，能够高效利用厨余垃圾、动物和家禽粪便等高氮有机废物，在有机固体废物资源化领域得到广泛应用。这些有机物富含来自动植物的各种蛋白质，以及动物排泄物中的氨类物质（Lu等人，2021）。蛋白质类物质的降解是一个重要过程

结论

本研究探讨了Proteus mirabilis在BSFL肠道微生态系统中的作用。该菌株具有强蛋白酶活性，与宿主幼虫协同分解动物粪便和食物废物中的含氮化合物，从而提高幼虫对氮的利用效率和废物的价值转化。从机制上看，幼虫分泌的蛋白酶、苯丙氨酸脱氨酶和尿素酶可降解含氮底物并释放氨，进而改变肠道环境

作者贡献声明

Linhui Lai：数据可视化、方法学研究、数据整理。Zailin Wu：初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法学研究、数据分析、正式分析、数据整理。Ting Huang：验证、软件使用、数据分析、正式分析。Jiacheng Zhao：研究工作。Yutong You：研究工作。Shengmeixiang Hu：研究工作。Xiaoli Ren：研究工作。Xinhai Zhang：研究工作。Meng Luo：研究工作。Hongmei Liu：资源获取、资金申请。Xianyi Wang：

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

贵州省普通本科院校支持农村产业革命的战略行动计划（Qian Jiao He KY Zi (2018)088）；贵州省蔬菜废物高效综合利用科学

Linhui Lai|Zailin Wu|Ting Huang|Jiacheng Zhao|Yutong You|Shengmeixiang Hu|Xiaoli Ren|Xinhai Zhang|Meng Luo|Hongmei Liu|Xianyi Wang|Yaohang Long