编辑推荐：
合成微生物群落QE1通过筛选耐低温木质纤维素降解菌构建，含Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1，在15℃连续传代30次后仍保持高效降解能力。响应面法优化证实其降解率达51.97%，还原糖产量90.35 mg/g，动态分析显示木质纤维素降解伴随关键酶活性变化，代谢组学揭示低温适应代谢物积累机制。
双张|建妮杨|子潘|刘涛|郑安旺|雷艳
中国黑龙江省八一农垦大学生命科学与生物技术学院，寒区环境微生物学与农业废弃物循环利用重点实验室，大庆市，黑龙江，163319
摘要
农业废弃物稻草会导致环境污染，并且难以在低温条件下分解。虽然合成微生物群落能够促进其分解，但其具体机制尚不清楚。本研究通过以稻草为唯一碳源筛选耐寒性木质纤维素降解菌，开发出了QE1合成菌群。该菌群由Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1以1:1的体积比组成，在15°C下连续进行30次传代培养后，其结构组成和降解能力仍保持稳定。利用Box-Behnken设计（RSM-BBD）和理想函数优化（pH 8.0、2.5 g/L氮、9.0%接种量、53.0%培养基负荷）的方法，QE1菌群的生物降解率达到51.97%，还原糖产量为90.35 mg/g，证实了其具有优异的耐寒降解能力。动态分析显示木质纤维素逐渐减少，羧甲基纤维素酶（CMCase）、滤纸活性（FPA）、木质素过氧化物酶（LiP）、锰过氧化物酶（MnP）和漆酶（Lac）的活性也随之增强。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的结果进一步证实了这些变化。QE1菌群上调了多种木质纤维素降解酶，包括1,4-β-木糖苷酶、纤维素酶、内葡聚糖酶、L-岩藻糖-磷酸醛醇酶、醛糖1-差向酶和磷脂酶C，激活了糖酵解、戊糖磷酸途径以及淀粉/蔗糖代谢等代谢途径。这些转录变化促进了还原糖（如木糖、葡萄糖、海藻糖和蔗糖）的积累。代谢组学分析还发现了N-乙酰-L-精氨酸、脯氨酸、精氨酸和海藻糖等适应低温的代谢物，这些物质有助于在低温环境下维持细胞功能。降解酶和抗冻因子的协同上调增强了微生物生物膜的形成及稻草的结构分解，表明QE1菌群通过整合的转录-代谢重编程实现了木质纤维素的双重降解和环境适应。
引言
稻草是水稻种植的副产品，是一种极具潜力的可持续原料，富含木质纤维素、蛋白质和二氧化硅，可用于生物能源（例如通过生物质糖平台生产纤维素乙醇、氢气和烷烃）和化学生产[1]、[2]、[3]。中国是全球最大的水稻生产国，年产量约为1.46亿吨，占全球总产量的31%[4]、[5]。中国东北地区已成为重要的水稻种植区，2023年水稻种植面积达645万公顷，占全国水稻总产量的15%[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。遗憾的是，大量稻草被丢弃或露天焚烧，导致可再生资源的浪费和生态环境问题。因此，开发一种经济高效、环保的稻草生物能源利用方法至关重要，尤其是在低温条件下。
稻草主要由纤维素（28.94–46.01%）、半纤维素（13.77–31.09%）和木质素（3.51–10.53%）组成[11]。这些成分形成了复杂的聚合物网络，阻碍了木质纤维素的有效利用[12]。为克服这一障碍，已有多种木质纤维素处理方法，包括物理方法、化学方法、生物方法和综合方法。其中，利用微生物或其酶进行生物降解具有优势，如能耗低、效率高、环保且条件温和、具有选择性水解作用[4]。多项研究表明，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成为关键降解菌株[13]。此外，Bacillus、Rhodococcus、Phanerochaete、chrysosporium、Trametes versicolor、Streptomyces、Thermomonospora、Nocardia和Actinoplanes sandaracinus等菌株通过分泌多种纤维素酶，能够有效降解多糖并改变芳香结构[14]、[15]、[16]、[17]。然而，由于木质素结构复杂，单个菌株的降解效率较低。木质纤维素降解通常需要多种酶和多条代谢途径，因此单个菌株难以同时高效分泌所有所需酶。合成生物学可以通过构建新型生物系统来改善木质纤维素的转化和降解。
开发具有高酶产量和协同作用的微生物群落是促进木质纤维素降解和处理农业废弃物的有效且可持续的方法。“自上而下”的富集策略和“自下而上”的合成社区是构建木质纤维素降解微生物群落的常用方法[18]。“自上而下”的微生物群落通过调控环境条件得到富集，不仅提高了木质纤维素的转化效率，还加深了我们对相关微生物菌株和关键基因/途径的理解[19]。然而，这种方法存在局限性：无法在分子水平上进行优化，降解效率较低，且机制分析复杂[18]、[19]。通过“自上而下”的筛选和富集方法，从盐沼土壤中获得了DM-1微生物群落（由Mesorhizobium、Cellulosimicrobium、Pandoraea和Achromobacter组成），该群落的木质素降解率为28.7%，纤维素降解率为10.2%[20]。在“自下而上”的策略中，通过添加或去除特定物种重建了细菌群落。这种方法可以系统研究非生物和生物因素的影响。利用“自下而上”的方法，研究人员成功构建了包含18种菌株的MAMC微生物群落（Stenotrophomonas maltophilia、Paenibacillus sp.、Microbacterium sp.、Chryseobacterium taiwanense和Brevundimonas sp.），其木质纤维素降解率达到96.5%[21]。另一种由8种菌株（Agrobacterium rubi、Acinetobacter johnsonii、Bacillus subtilis、Aspergillus niger和Lactobacillus casei）组成的合成微生物群落也表现出良好的降解效果，降解率为42.08%[12]。
由于稻草的固有结构特性，其降解仍面临挑战。基于测序的组学技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）有助于全面了解微生物降解过程，从识别降解基因和活性酶到监测代谢变化，为稻草降解机制提供了深入的见解[12]、[22]。然而，使用系统生物学方法对稻草降解产物及其相关核心基因的全面分析仍有限。大多数合成微生物群落包含多种成员（细菌、真菌和古菌），导致培养和工业过程中的组成和功能不稳定，给降解机制的理解带来了困难，从而影响了调控策略的理论基础和降解效率。实际上，成分简单、功能互补的合成微生物群落更为理想，它们能实现稳定的培养和传代，并便于降解机制的研究，为实际应用中的调控提供了理论依据。此外，微生物菌株或群落必须具备高度的稳定性和适应性，以便在土壤环境中有效降解稻草。中国东北地区气候严寒，冬季持续低温（通常从11月持续到4月），这些条件严重抑制了微生物的生长和酶活性，导致冬季和春季的稻草降解率仅为约60%[24]。目前关于低温（10–20°C）下稻草降解的研究较少，尤其是针对稻草和糖化效率的研究更为有限[25]、[26]、[27]、[28]。因此，在这种低温环境下开发高效稻草降解和糖化的微生物群落仍是一个重要挑战。
在本研究中，我们在15°C下筛选了具有纤维素降解和木质素降解能力的细菌，并采用“自下而上”的策略和统计组合方法构建了低温合成细菌群落。评估了由P. xylanexedens QZ-Z1和S. faecium EF-Z1组成的合成细菌群落在不同培养条件下的生物降解和糖化效率，同时跟踪了稻草的分解特性和关键酶的活性。此外，还结合代谢组学和转录组学方法研究了该菌群在稻草降解中的降解机制和途径。
部分内容
菌株分离、筛选与鉴定
样品分别来自青海省青藏高原草地土壤、黑龙江省安达市的玉鹅养殖场粪便以及黑龙江省大兴安岭山脉森林土壤。将5克样品悬浮在50 mL无菌水中，于150 rpm和15°C下振荡培养1小时。将5 mL细菌悬液接种到改良的矿物盐培养基（MMSM）中，培养基成分包括1.0 g/L KH2PO4、2.5 g/L NaNO3、0.5 g/L NaCl和0.5 g/L MgSO4·7H2O。
木质纤维素降解菌的分离、筛选与鉴定
苯胺蓝和刚果红的脱色和水解圈分别指示了木质素酶和多糖降解的发生。因此，这些染料被用作木质素和纤维素降解过程的指示剂[45]、[46]。在本研究中，从能在苯胺蓝或刚果红上产生强脱色效果的10个菌株中筛选出木质纤维素降解菌，并使用添加了稻草的MMSM培养基进行鉴定。
讨论
中国是亚洲最大的水稻生产国，产量占全球总量的约53%。稻草是水稻的茎叶部分，可作为低成本的天然生物能源材料，每吨水稻可产生约1.5吨稻草[5]。每年有50%的稻草在露天焚烧，释放有害气体并带来环境风险。此外，稻草中蛋白质含量低，木质素和二氧化硅含量高，使其不适合作为饲料。
结论
由Paenibacillus xylanexedens QZ-Z1和Sphingobacterium faecium EF-Z1组成的QE1合成细菌群落在1:1体积比下表现出优异的木质纤维素降解和耐寒适应性。在稻草降解过程中，纤维素（22.79%）、半纤维素（11.00%）和木质素（3.89%）含量减少，同时酶活性增强。通过CLSM、SEM和FT-IR进行的结构分析显示，该菌群形成了蜂窝状表面空腔和生物膜。
环境影响
传统的稻草处理方式会增加温室气体排放。QE1菌群通过适应低温的酶促糖化和生物膜介导的分解作用，实现了高效的木质纤维素降解，减少了化学依赖性和降解不完全的风险，促进了寒冷地区的可持续稻草管理。
CRediT作者贡献声明
郑安旺：研究工作。雷艳：监督与资金争取。子潘：研究工作。刘涛：研究工作。双张：初稿撰写与研究工作。建妮杨：初稿撰写。利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（U22A20444）的支持。
