《Circular Economy》：Accelerating
Zizania latifolia leaf silage fermentation using lactic acid bacteria
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本文针对茭白叶天然青贮发酵周期长、品质不稳的难题，研究团队通过接种筛选的植物乳杆菌和戊糖片球菌，系统探究了其加速青贮进程的效果与微生物学机制。研究发现，接种处理可在3天内将pH值降至4.2以下，显著抑制丁酸生成，并将粗蛋白保留率提升最高达86%，同时将青贮周期缩短至少35天。高通量测序与功能预测揭示了群体感应是乳酸菌快速建立优势、协同代谢的关键加速器。该研究为高纤维农业废弃物高效资源化提供了可靠的技术方案和理论依据，对保障饲料供应、促进循环经济发展具有重要意义。
在中国广袤的水田中，生长着一种名为茭白（Zizania latifolia）的经济作物。人们在收获其鲜美可食的肉质茎的同时，每年也会产生高达数百万吨的茭白叶片副产物。这些富含纤维的叶片本是反刍动物潜在的优质粗饲料来源，能将农业废弃物“变废为宝”，对保障粮食安全、减少环境污染具有多重意义。然而，理想很丰满，现实却充满挑战。茭白叶片季节性集中产出，但畜牧业需要的是全年稳定供应的高品质饲料。传统的自然青贮——一种利用微生物发酵来保存青绿饲料的方法——在面对茭白叶时显得有些力不从心。叶片自身粗糙的纤维结构难以压实，无法创造理想的厌氧环境，而且附着了大量不利于发酵的酵母、霉菌等杂菌，本应有的“主力军”——乳酸菌（LAB）——却数量稀少。这导致自然青贮过程缓慢且结局难料：往往发酵数十天后，pH值仍居高不下，营养物质大量流失，甚至可能发霉变质，产生难闻的丁酸味。如何为茭白叶青贮安装一个“加速器”和“稳定器”，实现其高效、优质的规模化利用，成为了一个亟待解决的产业与科学问题。
近期，一项发表在《Circular Economy》上的研究为我们带来了突破性的答案。浙江工商大学环境科学与工程学院的研究团队另辟蹊径，他们不再被动依赖原料上附着的零星“土著”乳酸菌，而是主动引入经过预先筛选的“外援”精英菌株。研究选取了两种表现出色的乳酸菌：植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum, LP）和戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus, PP），将其接种到茭白叶中进行青贮实验，并与不接种的对照组（CK）进行系统对比。结果令人振奋，接种处理就像为发酵过程按下了一个“快进键”，仅用3天时间就将发酵体系的pH值降低到了优质青贮的标准（pH < 4.2），而对照组即使在42天后也未能达到这一阈值。同时，接种组的丁酸含量被成功压制在1 g/kg干物质（DM）以下，远低于对照组的4.84 g/kg DM，这意味着蛋白质被更好地保存了下来，粗蛋白（CP）保留率分别提升了86%（LP组）和52%（PP组）。更惊人的是，整个高质量青贮的完成周期被缩短了至少35天。那么，这些外来的乳酸菌究竟是如何在复杂的微生物“战场”上快速取得压倒性胜利，并高效指挥发酵进程的呢？研究人员通过高通量测序和基因组功能预测等现代技术手段，深入微生物世界的内部，揭示了其协同作战的“通信密码”——群体感应（Quorum Sensing）。
为了深入探索乳酸菌加速茭白叶青贮的机制，研究团队运用了几个关键的技术方法。首先，他们采用了可控的青贮模拟实验，设置了接种LP、PP以及不接种的CK三组进行对比，在42天的发酵期内定期取样分析pH、有机酸、氨态氮及营养成分的变化。其次，利用高通量测序技术（基于16S rRNA基因）对青贮过程中不同时间点的微生物群落结构进行动态解析，明确了接种乳酸菌的定植与优势建立过程。再者，基于测序数据，通过KEGG（京都基因与基因组百科全书）功能谱预测，在代谢通路水平上分析了接种处理对微生物群落功能潜能的影响，特别是对有机酸代谢、氨基酸代谢以及细胞通讯相关通路基因丰度的改变。此外，在研究初期，还对所使用的LP和PP菌株的基本特性（产酸特性、无细胞上清液的抗菌活性）进行了体外评估，为其青贮应用潜力提供了前期依据。本研究所用的茭白叶原料采集自中国南方某城市的种植园。
3.1. 纯乳酸菌的基本特性
研究人员首先在体外验证了所选菌株的“战斗力”。产酸特性测试显示，两种菌株在12小时内均能快速生长并产酸，使培养基pH迅速下降至4.2左右，24小时后pH分别降至3.78和3.99，证明了其强大的产酸能力。抗菌活性实验则发现，两种菌株的无细胞上清液（CFS-LAB）对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等常见病原菌均有显著抑制效果，即使将上清液pH调至中性（6.0），其抗菌活性依然存在，且呈剂量依赖性，表明其抗菌物质不仅来源于低pH环境，还包括细菌素等代谢产物。这些优良特性为它们加速青贮奠定了生物学基础。
3.2. 乳酸菌对茭白叶青贮速率的影响
3.2.1. 茭白叶片的基本特性
对原料的分析揭示了天然青贮的难点：新鲜茭白叶片的水溶性碳水化合物（WSC）含量为5.39% DM，虽能满足基本发酵需求，但其粗纤维（CF）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量很高（分别达70.35%、56.99%和31.82% DM），属于难降解碳水化合物比例高的原料。更重要的是，叶片附生的天然乳酸菌数量仅为105cfu/g FM，未达到有效发酵所需的106~107cfu/g门槛，而酵母、大肠菌群和霉菌的数量却高达106.69~107.65cfu/g FM，这解释了其自然青贮周期长、品质不稳定的原因。
3.2.2. 纯乳酸菌对茭白叶青贮发酵过程的影响
接种展现了革命性的效果。在发酵特性上，LP组和PP组的pH在3天内即降至4.2以下并保持稳定，而CK组42天后仍高于4.2。乳酸（LA）含量在接种组中快速积累，LP组在5天、PP组在14天即达到约29.6 g/kg DM的平台期，而CK组在42天时仅为11.39 g/kg DM。丁酸（BA）含量在接种组中始终低于1 g/kg DM，在CK组中则于第5天高达4.83 g/kg DM。相应的，氨态氮（AN）含量在接种组中显著低于CK组，表明蛋白质分解被有效抑制。在营养保存上，接种显著降低了营养损失。发酵结束后，LP组和PP组的粗蛋白保留量相比CK组分别高出86%和52%，同时ADF含量降低更多（分别降低52.44%和19.66%），意味着接种不仅保存了更多蛋白质，还分解了更多难以消化的纤维，提高了青贮料的营养价值。
3.3. 纯乳酸菌参与加速青贮过程的可能机制
3.3.1. 对细菌群落的影响
高通量测序结果显示，微生物群落结构发生了根本性改变。接种后仅1天，LP组和PP中乳杆菌属（Lactiplantibacillus）的相对丰度就分别达到约90%和93%，迅速确立了绝对优势。而CK组在发酵初期的菌群复杂，以乳球菌属、肠球菌属、肠杆菌属等为主，直到第5天乳杆菌属才成为优势菌（50%），且在第7天其丰度又降至38%，表明土著乳酸菌生长缓慢且不稳定。这说明接种的高剂量纯菌通过“种子”优势，瞬间改变了生态位的竞争格局，有效压制了杂菌的生长空间。
3.3.2. 功能基因预测
KEGG功能预测从基因潜能角度解释了上述表型变化。在有机酸代谢方面，接种组中与糖酵解、乳酸脱氢酶、乙酸激酶相关的基因相对丰度更高，而与丁酸代谢、丁酸激酶相关的基因丰度更低，这直接对应了高乳酸、低丁酸的产生模式。在氨基酸代谢方面，接种组中与多种氨基酸降解和尿素水解相关的基因丰度较低，解释了其低氨态氮含量的原因。最为关键的发现在于细胞过程相关通路。接种组中与“细胞群落-原核生物”和“群体感应”相关的基因相对丰度（约0.8）显著高于CK组（约0.5）。同时，与霍乱弧菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌生物膜形成相关的基因丰度在接种组中更低。这强烈暗示，接种的高浓度、同源性强的乳酸菌，可能通过增强自身的群体感应信号系统，快速达到启动协同行为的阈值（如同步大量产酸和分泌抗菌物质），同时抑制了有害菌群生物膜的形成，从而像安装了一个“同步启动开关”，快速、协调地主导了整个发酵进程。
该研究得出结论，接种预筛选的植物乳杆菌和戊糖片球菌可显著加速茭白叶的青贮进程，在7天内即可达到高质量青贮阶段，比自然青贮缩短至少35天。其核心机制在于接种使乳杆菌迅速成为绝对优势菌，并通过增强群体感应机制，协同、快速地启动产酸等发酵活动，同时抑制了有害微生物的竞争。这不仅在实践上为茭白叶等高纤维农业废弃物的高效、高值资源化利用提供了明确且高效的技术路径——有望将青贮设施的年周转批次提高50%以上，极大提升资产利用效率——更在理论上为青贮发酵调控提供了全新的视角，即从单纯补充菌群数量，转向调控微生物种间通讯与群体行为。尽管群体感应的具体作用机制有待更深入的研究，但本工作无疑为开发针对难处理基质的青贮品质提升策略树立了新的效率标杆，对推动循环农业和保障饲料供应链韧性具有重要的科学价值与应用前景。
