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《Bioresource Technology Reports》：From coconut water to hydrophobic three-dimensional carbon aerogels: A recyclable and sustainable platform for oil recovery

黄粉虫肠道中分离出高效降解木质纤维素的芽孢杆菌N-5，基因组验证其含丰富降解相关基因。优化培养条件（5%接种量，pH6，45℃发酵48h）后，其FPA活性达17.58±1.00 U/mL。添加1.0% N-5至饲料使木质纤维素降解率提升15%，并增强宿主抗氧化能力。转录组分析揭示该菌通过调控蛋白质消化吸收及胆固醇代谢相关基因实现促降解机制。

　　

毛新瑞|金文彪|李佳明

中国广东省深圳市哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院城市水资源与环境国家重点实验室，518055

摘要

黄粉虫（Tenebrio molitor）通过肠道微生物群介导的生物转化高效利用木质纤维素资源。然而，现有研究缺乏对促进黄粉虫降解木质纤维素底物的关键微生物菌株的筛选，以及相关机制的阐明。在本研究中，从黄粉虫肠道中分离出一种能够降解纤维素的Bacillus licheniformis（B. licheniformis），基因组测序证实其基因组中富含与纤维素降解相关的基因。通过优化培养条件（接种量5%，pH 6，45°C，发酵48小时），B. licheniformis的FPA活性最高可达17.58 ± 1.00 U/mL。在黄粉虫饲料中添加1.0%的B. licheniformis后，木质纤维素废物的降解率提高了15%，同时增强了黄粉虫肠道的抗氧化能力。此外，转录组分析显示B. licheniformis促进了与蛋白质消化和吸收途径相关的基因表达，并抑制了与胆固醇代谢途径相关的基因。通过改变宿主的能量代谢，提高了黄粉虫对木质纤维素废物的生物转化能力。本研究为利用黄粉虫肠道微生物资源提供了一种新策略。

引言

全球农业生产和食品加工的持续扩张产生了大量的有机废物，包括作物秸秆、食品加工残渣和酒糟（Ojo, 2023）。这些废物中的木质纤维素因其复杂的难降解结构而给自然降解带来了挑战。传统的处理方法（如填埋和焚烧）不仅浪费了生物质的潜在价值，还会造成环境污染和温室气体排放（Binsulong等, 2023）。因此，开发高效、绿色和可持续的有机废物转化策略，特别是利用昆虫进行转化，已成为一个重要而紧迫的任务。黄粉虫拥有强大的消化系统，能够高效降解多种有机废物，包括木质纤维素废物、各种塑料、氧化石墨烯和食品废物（Yang等, 2024）。值得注意的是，利用黄粉虫处理木质纤维素废物是一种环保的转化方法，可产生高价值的副产品，如昆虫蛋白和有机肥料（Chu等, 2021; Gkinali等, 2022; Yang等, 2019）。

具有降解木质纤维素能力的昆虫进化出了专门的肠道微生物群落以实现高效降解（Ceja-Navarro等, 2019）。此外，昆虫肠道微生物资源的探索已成为生物能源生产和农业废物高价值利用领域的研究重点（Mannaa等, 2024）。目前，微生物组技术已经阐明了昆虫肠道微生物群的组成和功能特征，从而识别出参与木质纤维素降解的核心微生物类群和关键功能基因（Mamtimin等, 2023）。先前的研究已成功从多种昆虫物种的肠道中分离出纤维素分解菌株，包括白蚁（Danso等, 2022）、蝗虫（Li等, 2023a）和蚕（MsangoSoko等, 2021）。然而，具有高木质纤维素分解活性的黄粉虫微生物菌株的分离和功能表征仍然有限，这严重阻碍了这些潜在应用的转化。

在动物生产领域，向饲料中添加微生物已被证明可以显著提高水生生物、家畜和经济重要昆虫的生产力，通过改善生长性能、饲料效率和免疫能力（Ravanal等, 2025）。先前的研究从猪、家禽、反刍动物和水生动物的肠道中分离出了多种功能性细菌，以增强宿主的生长性能和营养利用（Khongkool等, 2025; La等, 2024; Sharna等, 2025）。这些方法也应用于昆虫。例如，从蜜蜂和蚕的肠道中分离出的功能性细菌已被用于增强免疫功能并促进生长（Liang等, 2022; Powell等, 2021），研究表明宿主来源的微生物对肠道环境具有更强的适应性，并能增强定植能力（Li等, 2016）。然而，作为蛋白质饲料原料和废物处理者，关于黄粉虫肠道细菌中纤维素分解菌株的分离及其对生理和肠道基因表达影响的研究仍然有限。

在先前的研究中，观察到以木质纤维素为唯一饲料的黄粉虫肠道中核心微生物群落显著富集，表明它们对木质纤维素生物降解起着关键作用（Mao等, 2024）。此外，抗生素干扰黄粉虫肠道微生物群会抑制宿主生长和木质纤维素降解效率，证实了宿主与微生物之间的功能协同作用（Mao等, 2025）。在本研究中，从以木质纤维素废物为食的黄粉虫肠道中分离出了具有纤维素降解能力的B. licheniformis N-5。通过基因组测序系统分析了其纤维素降解的遗传基础。通过优化培养条件，显著提高了B. licheniformis N-5的纤维素酶活性，为工程应用提供了参数指导。此外，将B. licheniformis N-5添加到黄粉虫的饮食中后，木质纤维素废物的降解率提高了15%，并减轻了宿主的抗氧化压力。转录组分析揭示了B. licheniformis N-5对关键代谢途径的调节作用。本研究旨在探索黄粉虫肠道中纤维素降解菌株的资源，并开发新型微生物饲料添加剂，以促进木质纤维素废物的绿色高效生物转化。

部分内容摘要

黄粉虫肠道纤维素降解菌株的分离与筛选

将黄粉虫幼虫的肠道匀浆液依次稀释后接种到羧甲基纤维素（CMC-Na）选择性培养基上，然后在37°C下培养24小时，每个稀释梯度重复五次。培养24小时后，选择在颜色、大小和质地方面具有明显特征的菌落，并在CMC-Na培养基上纯化三到五代。纯化的菌株再次接种到CMC-Na选择性培养基上，在37°C下培养三天。

从Tenebrio molitor肠道中分离和鉴定纤维素降解菌株

通过从以木质纤维素废物为食的黄粉虫肠道中分离菌株，并在CMC-Na培养基上培养，评估其纤维素利用能力。使用刚果红染色法检测菌落周围的光环形成情况，并通过交叉法测量菌落直径（d）和水解区直径（D）。计算每个菌株的D/d比值。其中，9个菌株的D/d比值大于3，占所有筛选菌株的8.33%（图1a）。菌株N-9表现出...

结论

本研究从黄粉虫肠道中分离并鉴定出了具有高效木质纤维素降解能力的B. licheniformis N-5。基因组分析显示其基因组中富含纤维素降解基因。在饲料中添加1.0%的Bacillus licheniformis N-5后，木质纤维素废物的降解率提高了15%，同时增强了黄粉虫的抗氧化能力。转录组分析表明，这种益生菌机制与蛋白质消化、吸收和胆固醇代谢有关。

CRediT作者贡献声明

毛新瑞：撰写——初稿、可视化、资源获取、实验设计、数据分析。金文彪：撰写——审稿与编辑、指导、概念构思。李佳明：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作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（编号32502746）的支持。