瘤胃微生物共发酵蘑菇废料和食物垃圾增强挥发性脂肪酸生产：性能与机制

《Anaerobe》：Enhanced volatile fatty acid production from co-fermentation of spent mushroom waste and food waste with rumen microbes: Performance and mechanism

　　• 共发酵促进了水解和挥发性脂肪酸 (VFA) 的产生• VFA 产量是单独 *Auricularia auricula* 废弃物发酵的 2.2 倍• 共发酵富集了一些关键的水解和产酸微生物• 与水解和 VFA 产生相关的关键基因表达上调• 伦理声明## 引言随着中国食用菌产业的大规模扩张，*Auricularia auricula* 作为消费量最大的食用菌品种之一，2020 年的产量达到了 710 万吨 [1]。相应地，每生产 1.0 kg *Auricularia auricula* 就会产生 3.5-5.0 kg 的 *Auricularia auricula* 废弃物 (AW) [2]。AW 是食用菌产业的主要副产品，富含纤维素、半纤维素和粗蛋白 [3]。它是一种潜力巨大的木质纤维素资源，适合作为厌氧发酵生产挥发性脂肪酸 (VFAs) 的基质 [4]。VFAs 可用于生物塑料和生物燃料生产，也可作为生物营养去除的重要碳源 [5]。然而，像大多数木质纤维素生物质一样，由于木质纤维素结构致密且碳氮比 (C/N 比) 高 [6]，AW 的厌氧发酵仍面临降解率低和 VFA 产量低的问题。例如，Wang 等人 [7] 使用不同的废蘑菇废料作为基质通过厌氧发酵生产 VFA，VFA 产率仅达到 248.5 mg/g 挥发性固体 (VS)。共基质发酵可以通过互补特性极大地改善营养平衡，并通过互补特性增强 VS 去除和 VFA 生产，这有助于解决单一基质发酵的瓶颈 [8]。食物废弃物 (FW) 作为有机废弃物的主要来源，全球每年产生近十亿吨 [9]。FW 富含碳水化合物和蛋白质，可被微生物快速分解和利用。同时，FW 具有合适的 C/N 比 (C/N ≈ 10-20:1)，可通过营养互补帮助共发酵系统的 C/N 平衡 [10]。Xing 等人 [11] 发现，FW 与农业木质纤维素废弃物共发酵不仅提高了 VS 去除率，还增加了 VFA 浓度。Jiang 等人 [12] 也报告称，脱水污泥与 FW 按 4:1 比例共发酵的 VFA 浓度是单独污泥发酵的 8.9 倍。目前，AW 与 FW 共发酵对增强 VFA 生产的效果尚不清楚。同时，尽管有一些关于通过木质纤维素生物质和 FW 共发酵增强 VFA 生产的报道，但除了 16S rRNA 测序之外，其潜在机制仍知之甚少，需要进一步研究。瘤胃微生物是瘤胃消化系统中的工作者，与厌氧活性污泥相比，显示出更高的水解能力、更短的发酵周期和更大的 VFA 产量 [13]。近年来，瘤胃微生物已被广泛用作厌氧发酵生产 VFA 的有效接种物 [11]。因此，本研究考察了 AW 和 FW 与瘤胃微生物共发酵的可行性，首次探索了 AW/FW 比例 (1:0, 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 0:1) 下的性能，并通过宏基因组测序从群落结构、碳水化合物酶和功能基因表达方面提供了对增强机制的更深层次见解。具体目标包括 (1) 调查 VS 去除率的变化；(2) 探索 VFA 浓度和组成（乙酸、丙酸和丁酸等）；(3) 分析最佳 AW/FW 比例下细菌和真菌群落结构的多样性和组成；(4) 阐明与水解和 VFA 生产相关的关键功能基因的表达；(5) 揭示 AW/FW 共发酵增强 VFA 生产的机制。本研究为废蘑菇废弃物的高效 VFA 生产提供了一种实用且可行的策略。## 章节摘要### 瘤胃液和 *Auricularia auricula* 废弃物的收集瘤胃液是从当地屠宰场牛只的瘤胃内容物中收集的。收集的瘤胃液通过四层纱布过滤，并放在密封容器中快速运送到实验室。在接种前，瘤胃液保持在 39°C 以确保微生物活性。接种物通过将瘤胃液与人造唾液按 1:2 的比例混合制备而成。AW 来自天津食用菌工程中心。收集的 AW 通过筛子过筛### AW 和 FW 共发酵的水解通过分析厌氧发酵过程中可生化需氧量 (SCOD)、VS 去除率以及可溶性蛋白和多糖浓度的动态变化，评估了不同 AW 和 FW 混合比例对瘤胃发酵水解性能的影响（图 1）。SCOD 越高，从固相转化为液相的可溶性有机化合物越多。如图 1(a) 所示，所有实验组中均观察到 SCOD 随时间的积累，反映了### 结论AW 和 FW 的共发酵显著增强了水解和 VFA 生产。在 VS 比例为 1:1 (AW:FW) 时，VS 去除率和 VFA 浓度最高，分别是单独 AW 发酵的 2.2 倍和 2.2 倍。共发酵优化了微生物群落结构，并富集了具有水解和 VFA 生产功能的关键细菌和真菌属，如 *Rummeliibacillus*、*Leuconostoc*、*Piromyces*、*Neocallimastix* 等。同时，动态变化在### CRediT 作者贡献声明**Longyi Lv:** 写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，方法论，调查，概念化。 **Xue Tao:** 写作 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。 **Zhangping Du:** 写作 – 审阅与编辑，方法论，数据整理。 **Wenxiu Zou:** 写作 – 审阅与编辑。 **Jinsong Liang:** 写作 – 原稿起草，方法论，调查，资金获取，数据整理，概念化。 **Yajie Zhang:** 写作 – 审阅与编辑。 **Xianchen Wang:** 写作 –### 利益冲突声明? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响本文报告的工作。### 致谢本研究得到了国家自然科学基金 (52400160 和 52360020)，仁怀市科技计划 (RKJH[2025]26)，贵州省基础研究计划青年科技人才项目 (Qiankehe Jichu QN [2025] 292)，河北省自然科学基金 (E2024202030)，以及黑龙江省自然科学基金 (YQ2025D007) 的支持。Jinsong Liang|Wenxiu Zou|Zhangping Du|Xue Tao|Xianchen Wang|Yajie Zhang|Guangming Zhang|Longyi Lv