《Biomass and Bioenergy》：Investigation of changes in microbial communities and metabolites for the nutrient re-utilization of fermented agricultural wastes in watermelon
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西瓜藤叶发酵过程中代谢组学和宏基因组学分析表明，发酵使pH从6.4降至5.5，可溶性糖减少而氨基酸增加，微生物丰度和多样性显著提升，以Enterobacter属为主，碳循环途径功能增强，代谢物涵盖碳水化合物、氨基酸等，为农业废弃物资源化利用提供新方向。
魏同路|李彦革|裴茂松|刘海楠|朱雪杰|朱中厚|郭大龙
河南科技大学园艺与植物保护学院，中国河南省洛阳市471023
摘要 西瓜的枝叶常常被丢弃，导致资源浪费和环境污染。发酵是农业废弃物再利用的重要方法；然而，其在西瓜中的应用仍然有限。本研究采用了宏基因组学和非靶向代谢组学方法，来阐明西瓜枝叶发酵过程中微生物和代谢物的变化。结果表明，发酵过程降低了pH值和可溶性糖的含量，同时增加了氨基酸的含量。发酵后微生物的数量和多样性显著增强。肠杆菌科（Enterobacteriaceae），尤其是Enterobacter 属，在发酵后的西瓜营养器官中表现出极高的丰度。对微生物群落的功能分析突显了碳循环途径在发酵过程中的关键作用。代谢组学分析鉴定出许多发酵后的差异代谢物，包括碳水化合物、氨基酸、脂肪酸和有机酸，其中许多代谢物参与了ABC转运蛋白途径。本研究揭示了发酵在西瓜农业废弃物资源再利用中的潜在作用，指出了其副产品开发和利用的方向。
引言 西瓜（
Citrullus lanatus ）是一种全球广泛种植的水果，以其高营养价值而闻名，富含糖分、番茄红素和瓜氨酸[1]。作为世界上最大的西瓜生产国，中国在种植面积和产量方面均处于领先地位，约占全球产量的60%（FAO数据库，
http://www.fao.org/ ）。虽然西瓜主要作为新鲜水果或果汁食用，但其非果实部分（包括果皮、种子和叶子）也含有丰富的营养成分。这些部分可以作为有价值的饲料来源、有机肥料和副产品[2]。西瓜的枝叶是重要的营养器官，具有巨大的利用潜力。先前的研究表明，富含皂苷、甾醇和多酚的西瓜叶提取物对人类健康具有益处[3]。然而，目前尚无关于西瓜枝叶废弃物再利用的研究。目前尚不清楚这些废弃物是否具有利用价值，如何进行再利用，以及是否可以将其开发成副产品。
西瓜的枝叶在收获后通常被丢弃，导致资源浪费和严重的环境问题。根据不完全的统计数据，由于各种原因产生的西瓜废弃物占全球总量的20%，基于2019年的生产水平，总量约为2000万吨[4]。目前用于农业废弃物再利用的方法包括焚烧、堆肥和作为动物饲料。然而，这些方法未能充分利用西瓜组织的营养价值，且可能产生环境污染和生态问题[5]。发酵是一种具有千年历史的食品生产技术，被认为是一种环保、低能耗、易于操作且经济价值高的农业废弃物回收方法[6]。发酵过程通过内源性酶和微生物活性诱导原材料的代谢变化，生成新的生物活性成分[7]。发酵食品具有便于食用、保质期长、口感良好、抗氧化能力强和益生菌含量高的优点[8]。因此，利用发酵技术降解农业废弃物不仅有助于废物回收，减轻对环境和土壤的压力，还有利于农业副产品的开发和利用。
关于发酵在农业废弃物再利用中的作用已有大量研究。例如，葡萄叶在发酵后表现出氨基酸、抗氧化酚类化合物和稀有糖（D-吡喃糖、麦芽糖醇、乳糖醇）含量的增加[9]。在木薯叶的自然发酵过程中，氨基酸含量增加，同时有益微生物群落也发生了变化，表明它们具有食品化和高价值利用的潜力[10]。西瓜果皮和种子显示出显著的抗菌活性，使其在功能性食品、营养补充剂和制药应用中具有价值[2]。研究表明，西瓜果皮可以发酵产生聚半乳糖醛酸酶和木聚糖酶[11]，发酵后的西瓜种子表现出强大的自由基清除能力和独特的瓜香[12]。尽管西瓜叶和枝叶是重要的营养器官，但关于它们发酵的研究尚未开展，其作为副产品的利用也较为有限。
宏基因组测序可以从环境样本中解码完整的微生物谱型，为分析全面的微生物信息和发现参与发酵过程的新微生物提供了有力方法。近年来，宏基因组分析已鉴定出与发酵相关的关键微生物，这些微生物负责香气形成[13]、风味开发[14]、蛋白质分解[10]、生物质降解[15]以及生物活性成分的产生[16,17]。除了微生物活动外，发酵过程中代谢物（如有机酸、核苷酸、苯丙素和生物碱）也发生了显著变化[9],[17],[18],[19]。随着质谱、色谱和组学技术的进步，代谢组学能够无偏地检测所有代谢物，并发现样本中的新代谢物[20,21]。发酵是一个高度活跃的微生物过程，伴随着代谢物的变化和新代谢物的产生。因此，将宏基因组学与代谢组学结合使用，可以全面了解发酵过程中微生物和代谢物的质性和定量变化，为相关生化机制提供新的见解，并为农业副产品的再利用提供理论支持。
本研究采用了宏基因组学和代谢组学方法，来阐明西瓜枝叶发酵过程中代谢物和微生物的变化。分析了发酵过程中微生物群落的动态变化，并鉴定出关键微生物和代谢物。此外，还对微生物和代谢物进行了初步的功能分析，揭示了西瓜废弃物的潜在利用价值。本研究为发酵在农业废弃物中的应用提供了理论基础和宝贵参考，表明发酵后的西瓜废弃物未来可以潜在地作为生物有机肥料或养分循环土壤改良剂使用。
样本收集和发酵过程 2024年6月，从中国洛阳市洛阳农发农业科技有限公司的温室中收集了西瓜枝叶。收集了健康且均匀的西瓜植株，保留了第1至第10个节。样品在60°C的烤箱中干燥至水分含量低于10%，然后使用研磨机粉碎，通过40目筛网筛选，并在-80°C的冷冻柜中储存，以便在24小时内进行后续处理。
发酵营养器官中可溶性糖和氨基酸的变化 西瓜枝叶的发酵过程显示pH值有所变化：前8小时内从6.4升至7.4，随后在16小时时稳定下降至约6.0，到24小时结束时进一步降至约5.5（图1b）。pH值的初始上升可归因于发酵混合物中的化学变化，而之后的下降可能是由于微生物的生长，这创造了更有利于微生物生长的酸性环境。结论 本研究详细研究了西瓜废弃物（枝叶）自然发酵过程中宏基因组学和代谢组学的变化。研究结果表明，发酵导致可溶性糖含量下降，氨基酸含量增加。此外，微生物的数量和多样性显著增加，尤其是在肠杆菌科（Enterobacteriaceae）或Enterobacter 属中，其丰度异常高。
作者贡献声明 魏同路： 撰写——原始草稿、数据可视化、方法学、数据管理。李彦革： 撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。裴茂松： 数据可视化、方法学、数据管理。刘海楠： 撰写——审稿与编辑、方法学。朱雪杰： 研究、数据管理。朱中厚： 研究、数据管理。郭大龙： 撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明 作者声明他们没有可能影响本文工作的利益冲突。
致谢 本工作得到了河南省农业品种改良联合研究 （2022010503）、洛阳市关键科技项目 （首位）（2301024A）、河南科技大学 的青年创新人才计划（2025HNKJDXYXQNCXRC21）以及洛阳市 的河洛青年人才支持项目（2025HLTJ33）的财政支持。
