一種用于稻草糖化的低溫木質纖維素降解合成細菌聯合體的構建及其機制分析
《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Construction and mechanistic profiling of a low-temperature lignocellulolytic synthetic bacterial consortium for rice straw saccharification
【字體：
大
中
小
】
時間：2026年03月01日
來源：Journal of Environmental Chemical Engineering 7.2
編輯推薦：
合成微生物群落QE1通過篩選耐低溫木質纖維素降解菌構建，含Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1，在15℃連續傳代30次后仍保持高效降解能力。響應面法優化證實其降解率達51.97%，還原糖產量90.35 mg/g，動態分析顯示木質纖維素降解伴隨關鍵酶活性變化，代謝組學揭示低溫適應代謝物積累機制。
雙張|建妮楊|子潘|劉濤|鄭安旺|雷艷
中國黑龍江省八一農墾大學生命科學與生物技術學院，寒區環境微生物學與農業廢棄物循環利用重點實驗室，大慶市，黑龍江，163319
摘要
農業廢棄物稻草會導致環境污染，并且難以在低溫條件下分解。雖然合成微生物群落能夠促進其分解，但其具體機制尚不清楚。本研究通過以稻草為唯一碳源篩選耐寒性木質纖維素降解菌，開發出了QE1合成菌群。該菌群由Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1以1:1的體積比組成，在15°C下連續進行30次傳代培養后，其結構組成和降解能力仍保持穩定。利用Box-Behnken設計（RSM-BBD）和理想函數優化（pH 8.0、2.5 g/L氮、9.0%接種量、53.0%培養基負荷）的方法，QE1菌群的生物降解率達到51.97%，還原糖產量為90.35 mg/g，證實了其具有優異的耐寒降解能力。動態分析顯示木質纖維素逐漸減少，羧甲基纖維素酶（CMCase）、濾紙活性（FPA）、木質素過氧化物酶（LiP）、錳過氧化物酶（MnP）和漆酶（Lac）的活性也隨之增強。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）和共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）的結果進一步證實了這些變化。QE1菌群上調了多種木質纖維素降解酶，包括1,4-β-木糖苷酶、纖維素酶、內葡聚糖酶、L-巖藻糖-磷酸醛醇酶、醛糖1-差向酶和磷脂酶C，激活了糖酵解、戊糖磷酸途徑以及淀粉/蔗糖代謝等代謝途徑。這些轉錄變化促進了還原糖（如木糖、葡萄糖、海藻糖和蔗糖）的積累。代謝組學分析還發現了N-乙酰-L-精氨酸、脯氨酸、精氨酸和海藻糖等適應低溫的代謝物，這些物質有助于在低溫環境下維持細胞功能。降解酶和抗凍因子的協同上調增強了微生物生物膜的形成及稻草的結構分解，表明QE1菌群通過整合的轉錄-代謝重編程實現了木質纖維素的雙重降解和環境適應。
引言
稻草是水稻種植的副產品，是一種極具潛力的可持續原料，富含木質纖維素、蛋白質和二氧化硅，可用于生物能源（例如通過生物質糖平臺生產纖維素乙醇、氫氣和烷烴）和化學生產[1]、[2]、[3]。中國是全球最大的水稻生產國，年產量約為1.46億噸，占全球總產量的31%[4]、[5]。中國東北地區已成為重要的水稻種植區，2023年水稻種植面積達645萬公頃，占全國水稻總產量的15%[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。遺憾的是，大量稻草被丟棄或露天焚燒，導致可再生資源的浪費和生態環境問題。因此，開發一種經濟高效、環保的稻草生物能源利用方法至關重要，尤其是在低溫條件下。
稻草主要由纖維素（28.94–46.01%）、半纖維素（13.77–31.09%）和木質素（3.51–10.53%）組成[11]。這些成分形成了復雜的聚合物網絡，阻礙了木質纖維素的有效利用[12]。為克服這一障礙，已有多種木質纖維素處理方法，包括物理方法、化學方法、生物方法和綜合方法。其中，利用微生物或其酶進行生物降解具有優勢，如能耗低、效率高、環保且條件溫和、具有選擇性水解作用[4]。多項研究表明，Pseudomonas、Delftia和Paenibacillus在15°C下初期（7天）和中期（14天）是主要的稻草降解菌株；而在后期（21天和28天），Rhizobium、Chryseobacterium、Sphingobacterium、Brevundimonas和Devosia成為關鍵降解菌株[13]。此外，Bacillus、Rhodococcus、Phanerochaete、chrysosporium、Trametes versicolor、Streptomyces、Thermomonospora、Nocardia和Actinoplanes sandaracinus等菌株通過分泌多種纖維素酶，能夠有效降解多糖并改變芳香結構[14]、[15]、[16]、[17]。然而，由于木質素結構復雜，單個菌株的降解效率較低。木質纖維素降解通常需要多種酶和多條代謝途徑，因此單個菌株難以同時高效分泌所有所需酶。合成生物學可以通過構建新型生物系統來改善木質纖維素的轉化和降解。
開發具有高酶產量和協同作用的微生物群落是促進木質纖維素降解和處理農業廢棄物的有效且可持續的方法。“自上而下”的富集策略和“自下而上”的合成社區是構建木質纖維素降解微生物群落的常用方法[18]。“自上而下”的微生物群落通過調控環境條件得到富集，不僅提高了木質纖維素的轉化效率，還加深了我們對相關微生物菌株和關鍵基因/途徑的理解[19]。然而，這種方法存在局限性：無法在分子水平上進行優化，降解效率較低，且機制分析復雜[18]、[19]。通過“自上而下”的篩選和富集方法，從鹽沼土壤中獲得了DM-1微生物群落（由Mesorhizobium、Cellulosimicrobium、Pandoraea和Achromobacter組成），該群落的木質素降解率為28.7%，纖維素降解率為10.2%[20]。在“自下而上”的策略中，通過添加或去除特定物種重建了細菌群落。這種方法可以系統研究非生物和生物因素的影響。利用“自下而上”的方法，研究人員成功構建了包含18種菌株的MAMC微生物群落（Stenotrophomonas maltophilia、Paenibacillus sp.、Microbacterium sp.、Chryseobacterium taiwanense和Brevundimonas sp.），其木質纖維素降解率達到96.5%[21]。另一種由8種菌株（Agrobacterium rubi、Acinetobacter johnsonii、Bacillus subtilis、Aspergillus niger和Lactobacillus casei）組成的合成微生物群落也表現出良好的降解效果，降解率為42.08%[12]。
由于稻草的固有結構特性，其降解仍面臨挑戰。基于測序的組學技術（基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學）有助于全面了解微生物降解過程，從識別降解基因和活性酶到監測代謝變化，為稻草降解機制提供了深入的見解[12]、[22]。然而，使用系統生物學方法對稻草降解產物及其相關核心基因的全面分析仍有限。大多數合成微生物群落包含多種成員（細菌、真菌和古菌），導致培養和工業過程中的組成和功能不穩定，給降解機制的理解帶來了困難，從而影響了調控策略的理論基礎和降解效率。實際上，成分簡單、功能互補的合成微生物群落更為理想，它們能實現穩定的培養和傳代，并便于降解機制的研究，為實際應用中的調控提供了理論依據。此外，微生物菌株或群落必須具備高度的穩定性和適應性，以便在土壤環境中有效降解稻草。中國東北地區氣候嚴寒，冬季持續低溫（通常從11月持續到4月），這些條件嚴重抑制了微生物的生長和酶活性，導致冬季和春季的稻草降解率僅為約60%[24]。目前關于低溫（10–20°C）下稻草降解的研究較少，尤其是針對稻草和糖化效率的研究更為有限[25]、[26]、[27]、[28]。因此，在這種低溫環境下開發高效稻草降解和糖化的微生物群落仍是一個重要挑戰。
在本研究中，我們在15°C下篩選了具有纖維素降解和木質素降解能力的細菌，并采用“自下而上”的策略和統計組合方法構建了低溫合成細菌群落。評估了由P. xylanexedens QZ-Z1和S. faecium EF-Z1組成的合成細菌群落在不同培養條件下的生物降解和糖化效率，同時跟蹤了稻草的分解特性和關鍵酶的活性。此外，還結合代謝組學和轉錄組學方法研究了該菌群在稻草降解中的降解機制和途徑。
部分內容
菌株分離、篩選與鑒定
樣品分別來自青海省青藏高原草地土壤、黑龍江省安達市的玉鵝養殖場糞便以及黑龍江省大興安嶺山脈森林土壤。將5克樣品懸浮在50 mL無菌水中，于150 rpm和15°C下振蕩培養1小時。將5 mL細菌懸液接種到改良的礦物鹽培養基（MMSM）中，培養基成分包括1.0 g/L KH2PO4、2.5 g/L NaNO3、0.5 g/L NaCl和0.5 g/L MgSO4·7H2O。
木質纖維素降解菌的分離、篩選與鑒定
苯胺藍和剛果紅的脫色和水解圈分別指示了木質素酶和多糖降解的發生。因此，這些染料被用作木質素和纖維素降解過程的指示劑[45]、[46]。在本研究中，從能在苯胺藍或剛果紅上產生強脫色效果的10個菌株中篩選出木質纖維素降解菌，并使用添加了稻草的MMSM培養基進行鑒定。
討論
中國是亞洲最大的水稻生產國，產量占全球總量的約53%。稻草是水稻的莖葉部分，可作為低成本的天然生物能源材料，每噸水稻可產生約1.5噸稻草[5]。每年有50%的稻草在露天焚燒，釋放有害氣體并帶來環境風險。此外，稻草中蛋白質含量低，木質素和二氧化硅含量高，使其不適合作為飼料。
結論
由Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1組成的QE1合成細菌群落在1:1體積比下表現出優異的木質纖維素降解和耐寒適應性。在稻草降解過程中，纖維素（22.79%）、半纖維素（11.00%）和木質素（3.89%）含量減少，同時酶活性增強。通過CLSM、SEM和FT-IR進行的結構分析顯示，該菌群形成了蜂窩狀表面空腔和生物膜。
環境影響
傳統的稻草處理方式會增加溫室氣體排放。QE1菌群通過適應低溫的酶促糖化和生物膜介導的分解作用，實現了高效的木質纖維素降解，減少了化學依賴性和降解不完全的風險，促進了寒冷地區的可持續稻草管理。
CRediT作者貢獻聲明
鄭安旺：研究工作。雷艷：監督與資金爭取。子潘：研究工作。劉濤：研究工作。雙張：初稿撰寫與研究工作。建妮楊：初稿撰寫。利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（U22A20444）的支持。
生物通微信公眾號
生物通新浪微博
今日動態 |
人才市場 |
新技術專欄 |
中國科學人 |
云展臺 |
BioHot |
云講堂直播 |
會展中心 |
特價專欄 |
技術快訊 |
免費試用
版權所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved
聯系信箱：
粵ICP備09063491號
