综述：提高稻草中木质纤维素生物降解率的策略

《Sustainable Materials and Technologies》：Strategies for improving biodegradation of lignocellulose in rice straw

可持续能源需求推动稻秆作为可再生资源替代化石燃料，其降解受纤维素、半纤维素和木质素复合结构限制。研究提出通过天然菌群、合成微生物群落及预处理技术协同优化降解效率，天然微生物产酶（如木质素过氧化物酶、漆酶）与合成生物学构建工程菌株（如改造底盘细胞、人工合成群落）结合，显著提升稻秆生物降解效率。 微生物降解机制与木质素-纤维素复合结构关系、合成菌群构建策略、预处理技术优化是研究重点，为农业废弃物资源化提供新路径。

　　

Xiaotong He|Shuang Zhang|Yue Dong|Yating Wang|Yanan Sheng|Lei Yan

中国黑龙江省八一农业大学生命科学与生物技术学院环境微生物学与寒区农业废弃物循环利用重点实验室，大庆市，黑龙江163319

摘要

随着全球对可持续能源需求的增加，人们越来越关注利用木质纤维素生物质（如稻草）作为化石燃料的可再生替代品。稻草是一种主要的农业副产品，富含纤维素、半纤维素和木质素。然而，其坚硬的结构给高效生物降解带来了挑战。本文探讨了增强稻草微生物降解的策略，重点关注三种方法：利用天然微生物群落、工程化合成微生物群落以及优化预处理技术。天然木质纤维素降解微生物（包括细菌和真菌）能产生多种酶（如木质素过氧化物酶、漆酶和纤维素酶），这些酶共同作用分解复杂的聚合物。合成生物学的进步使得可以创造出具有更好降解能力的定制微生物群落。物理、化学和联合预处理方法可以提高底物的可利用性。通过整合这些策略，本研究为提高稻草的生物降解提供了全面的框架，从而支持其作为生物能源和生物产品的可持续资源的潜力。

引言

全球人口的快速增长导致了燃料消耗的增加，进而使得化石燃料储备减少、能源成本上升和全球变暖加速。这些因素凸显了对可持续能源替代品的需求[1]。稻草作为一种可再生的木质纤维素资源，引起了全球范围内的广泛研究兴趣。在中国，小麦、玉米、棉花、油料作物、豆类和马铃薯等作物产生的稻草占总稻草产量的近23%。研究表明，稻草是第三大农业废弃物，仅次于甘蔗和玉米秸秆[2]。尽管产量很高，但稻草常常在露天焚烧以快速廉价地处理，这会释放有害的细颗粒物和有机碳。利用木质纤维素生物质的一个主要挑战是将其转化为可发酵的单糖。虽然传统的化学和物理方法有效，但往往成本高昂、对环境有损害，并可能干扰后续工艺。相比之下，微生物木质纤维素降解提供了一种更可持续和环保的解决方案[3]。

微生物酶、整个微生物或微生物群落可以介导木质纤维素的降解。迄今为止，已经进行了大量的筛选工作来鉴定木质纤维素降解微生物。然而，单个细菌菌株的降解能力通常有限且不稳定，尤其是在处理复杂底物时效率较低。自然微生物的进化还受到环境限制，不足以满足工业应用的需求。相比之下，微生物群落协同降解木质纤维素具有显著优势，包括在不同环境中的稳定性和适应性。尽管分离和培养单个菌株可以扩大木质纤维素降解微生物的库，但这种方法可能会破坏菌株间的潜在协同作用。一种更有前景的策略是直接筛选具有降解能力的复合菌株，或在采样过程中结合不同的菌株和环境样本进行定向富集培养。此外，整合组学技术对样本进行预处理并监测降解过程中的微生物群落动态和功能变化，可以为分离高效木质纤维素降解微生物提供关键见解。

微生物降解木质纤维素的机制以及木质纤维素在植物细胞壁中的结构组织尚未完全明了。全面阐明这些机制将有助于有效整合基础研究和应用研究。我们可以根据特定的有机废弃物组成和所需的微生物功能，通过合成生物学方法精确选择或工程化微生物菌株。这一过程可以通过酶工程和代谢途径改造进一步优化，从而实现将木质纤维素快速转化为能源、饲料和肥料的理想目标。微生物降解和利用木质纤维素是一项关键技术，可以将农业废弃物转化为有价值的资源，缓解化石燃料危机，保护环境，并有助于遵守稻草焚烧法规和综合利用政策。

本综述系统地探讨了增强微生物降解过程的关键策略。主要方法包括筛选高效天然微生物群落和纯培养菌株。另一种关键策略是构建人工微生物群落和工艺优化的底盘细胞。此外，优化降解条件和预处理方法显著促进了稻草的降解。实施这些互补策略显著提高了稻草木质纤维素的生物降解效率。

部分内容摘录

稻草中木质纤维素的组成

稻草主要由植物细胞壁组成，包括初生壁和次生壁。初生壁在细胞扩展过程中形成，包含纤维素基质、半纤维素和果胶。这种多层结构中，每一层都有纤维素网络，半纤维素通过非共价键连接，果胶填充细胞间隙[4]、[5]。次生壁在细胞成熟后形成，由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中木质素起到

稻草中木质纤维素的生物降解机制

木质纤维素的生物降解涉及微生物（细菌、真菌）或酶的作用，将木质纤维素材料分解为低分子量化合物。在有氧条件下，完全矿化会产生二氧化碳和水；而在厌氧条件下，最终产物为甲烷和水[2]。真菌和细菌降解木质纤维素的能力主要取决于它们产生的各种酶。如图2所示（稻草中木质纤维素的酶促水解）

微生物菌株的筛选

自然环境中的微生物群落组成非常复杂，包含多种能够直接或间接参与稻草木质纤维素降解的微生物。因此，从天然来源筛选木质纤维素降解微生物是一种关键且有效的方法。当前的方法通常包括从各种环境中收集样本，包括含有木质纤维素材料的堆肥[46]等。

高效稻草降解微生物的人工合成

人工合成微生物系统已成为提高稻草降解效率的一种有前景的方法。本章重点介绍两种关键策略：底盘细胞的构建和群落设计。微生物底盘细胞是通过基因编辑优化的功能菌株，而人工合成群落则是根据代谢协同作用组装多种底盘细胞的功能系统。

提高稻草降解效果的预处理方法

木质纤维素是一种天然存在的复合材料，具有结晶稳定性和抗生物降解性。随着可持续发展计划的推进，关于木质纤维素降解的研究显著增加（表2）[106]、[107]、[108]、[109]、[110]、[111]、[112]、[113]、[114]。预处理方法对于克服木质纤维素材料的固有物理化学障碍至关重要，使其能够转化为有价值的

结论与展望

稻草的生物降解为可持续废物管理和可再生能源生产提供了一条有前景的途径。木质纤维素复杂的结构（由紧密结合的纤维素、半纤维素和木质素组成）需要多方面的方法才能实现高效降解。通过天然和工程化的微生物群落促进的微生物降解，利用针对不同木质纤维素成分的酶途径，提供了一种环保的解决方案。

作者贡献声明

Xiaotong He：撰写——初稿。Shuang Zhang：撰写——审阅与编辑。Yue Dong：撰写——审阅与编辑。Yating Wang：撰写——审阅与编辑。Yanan Sheng：形式分析。Lei Yan：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国龙江森林工业集团有限公司科学技术计划项目（KJXMSQ2025-00042）和国家自然科学基金（U22A20444）的支持。