传统发酵食品微生物群落生态驱动因素的多组学研究揭示底物类型对菌群结构的关键影响

《BMC Microbiology》：Ecological factors that drive microbial communities in culturally diverse fermented foods

　　本研究针对非欧系传统发酵食品微生物群落认知空白问题，通过多国采样和宏基因组学分析，揭示底物类型是驱动微生物群落构建的关键生态因子，发现植物基与动物基发酵食品具有截然不同的菌群结构和代谢通路特征，为传统发酵食品的标准化生产和功能开发提供理论依据。

　　

在全球饮食文化中，发酵食品占据着独特地位，不仅承载着千年传承的酿造智慧，更被现代科学证实具有调节免疫、促进肠道健康等多种生理功能。然而当前研究存在明显的地域偏见——欧洲发酵食品的微生物生态系统已被深入解析，而亚洲、非洲等地丰富多彩的传统发酵食品（如尼泊尔的achar、韩国的kimchi、埃塞俄比亚的injera）其微生物多样性仍如同未被勘测的深海，蕴含着大量未知菌种和功能特性。更关键的是，驱动这些复杂微生物群落构建的生态因素，以及不同菌群之间的相互作用机制，始终是食品微生物学领域的黑箱。

针对这一科学盲区，Gautam研究团队在《BMC Microbiology》发表了开创性研究。他们跨越尼泊尔、韩国、埃塞俄比亚和哈萨克斯坦四个国家，系统收集了90份24种不同类型的传统发酵食品样本，涵盖植物基（蔬菜、谷物、豆类）和动物基（乳制品、肉制品）五大类别。研究采用16S rRNA和ITS2扩增子测序技术解析细菌和真菌群落结构，运用加权UniFrac距离进行β多样性分析，通过PERMANOVA检验生态因子的贡献度，并利用PICRUSt2进行功能预测，最后通过FastSpar构建微生物共现网络揭示种间互作关系。

研究结果首先通过样本前处理实验证实了发酵食品表面与内部微生物群落的一致性，为后续非破坏性采样提供了方法学依据。

显示不同基质发酵食品的制备参数差异，对应分析（CA）表明底物类型是区分样品的主要因素。

微生物组成分析揭示：这些传统发酵食品不仅是乳酸菌（LAB）、芽孢杆菌目（Bacillales）和酵母菌（Saccharomycetales）等典型发酵菌种的栖息地，更包含22%的细菌和29%的真菌属于"食品发酵中功能未明微生物（PUFF）"。

展示细菌和真菌群落中典型发酵菌与PUFF微生物的相对丰度分布，系统发育树显示微生物类群与底物类型的关联性。

生态因子分析表明：地理差异主要源于PUFF微生物的分布，而底物类型是决定菌群结构的首要因素（PERMANOVA，p<0.05）。发酵时长、油脂使用和盐度等制备参数显著影响菌群组成，高盐环境富集Salinivibrio sp.和Leuconostoc mesenteroides等耐盐菌株。

聚类分析识别出四个特征性细菌集群：Cluster 1以纤维丰富的发酵蔬菜和谷物为主；Cluster 2富集乳制品相关菌群（Streptococcus sp.、Corynebacterium sp.）；Cluster 3以豆类和动物制品为特征（Bacillus sp.为核心）；Cluster 4则包含所有保质期超一年的蔬菜发酵品，富含Levilactobacillus brevis等产酸菌。

通过主坐标分析和随机森林模型验证了聚类可靠性。

真菌群落呈现不同规律：底物类型的影响不显著，而发酵时间和starter culture的使用是主要驱动因素。使用starter culture的样品真菌群落均匀度显著高于自然发酵样品（p<0.05）。

展示真菌群落的聚类结果和影响因素。

功能预测分析揭示显著底物特异性：植物基发酵食品富集碳水化合物代谢、叶酸生物合成、视黄醇（维生素A）和硫胺素（维生素B₁）代谢通路；而动物基发酵品则富集氨基酸代谢和维生素B₆代谢通路。

显示不同底物间显著差异的代谢通路。

微生物互作网络分析发现五个细菌共现群（CAGs）和五个真菌CAGs，呈现复杂的跨界互作关系。Lactobacillus delbrueckii-CAG（乳制品主导）与Bacillus-CAG（豆类和肉制品主导）存在强烈拮抗；而蔬菜发酵中的LAB类CAGs与耐酸真菌Candida-CAG形成共生关系。

详细展示了微生物共现网络和跨界互作模式。

研究结论强调：传统发酵食品是一个被严重低估的微生物资源宝库，其群落构建主要受底物营养成分驱动，而非地理起源。植物基与动物基发酵食品形成截然不同的微生物生态系统，具有特异的代谢功能特征。研究中鉴定的大量PUFF微生物（如Brevibacterium、Corynebacterium、Debaryomyces nepalensis等）可能是影响发酵食品风味、外观和健康功效的关键未开发资源。

该研究的重大意义在于首次系统揭示了非欧传统发酵食品的微生物生态规律，建立了底物类型-菌群结构-代谢功能之间的关联框架，为传统发酵食品的标准化生产、风味调控和功能化开发提供了科学基础。未来通过宏基因组测序、代谢组学和共培养实验进一步验证这些微生物的功能，将有望解锁传统发酵食品的全部潜力，推动食品工业向精准发酵方向变革。