揭示复合微生物群落的木质纤维素降解机制：基于宏基因组学和代谢组学的视角

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unraveling the lignocellulose degradation mechanism of composite microbial communities: A metagenomic and metabolomic perspective

高效纤维素降解复合微生物群落的协同机制研究。通过宏基因组学和代谢组学分析发现，三种菌群（HE、H、RJ）虽在物种组成和代谢物谱上存在显著差异，但均具备完整的木质纤维素降解酶系统，其中纤维素酶（GH、AA、CE）组成差异极小，导致降解效率相近。非靶向代谢组学检测到12种关键代谢物差异，涉及三羧酸循环、碳水化合物代谢等通路，揭示菌群间代谢协同调控机制。

　　

刘一娜|孟青欣|姜波乐|周俊宇|莫吉贤

齐齐哈尔大学生命科学、农业与林业学院，中国齐齐哈尔，161006

摘要

本文利用玉米秸秆和不同类型的土壤（棕土、黑土、红土）构建了微环境，以筛选高效的纤维素降解复合微生物菌群（HE、H、RJ）。通过宏基因组学和非靶向代谢组学方法阐明了这三个菌群在木质纤维素降解机制上的相似性和差异性。宏基因组分析显示，这三个菌群的物种组成存在显著差异。HE菌群主要由Klebsiella主导，其次是Cohnella、Brucella和Cellulosimicrobium；H菌群主要由Klebsiella、Cellulosimicrobium、Brucella和Stenotrophomonas组成，这些菌株通过产生糖苷水解酶（GHs）和辅助活性物质（AAs）发挥核心作用，并因其高度的环境适应性和代谢协同性而发挥作用。相比之下，RJ菌群主要由Brucella、Microbacterium、Franconibacter和Achromobacter主导，这些菌株的共同存在赋予了菌群多样的酶谱和独特的木质纤维素降解策略。CAZy注释结果显示，这三个菌群的GHs、AAs和碳水化合物酯酶（CEs）组成存在细微差异。然而，非靶向代谢组学分析表明，这三个菌群的代谢物组成存在显著差异，检测到12种参与TCA循环、碳水化合物代谢、抗氧化代谢和芳香化合物降解的关键差异代谢物。总体而言，尽管这三个微生物菌群在物种组成和代谢物方面存在显著差异，但由于其纤维素酶谱的变化较小，它们的木质纤维素降解代谢途径仍然完整。因此可以得出结论，物种组成的差异对这三个菌群高效降解木质纤维素的能力影响不大。

引言

全球每年产生的农作物秸秆量超过30亿吨[1]。其主要成分木质纤维素是最丰富的可再生生物质资源[2]。这种致密的聚合物网络由纤维素、半纤维素和木质素组成[3]，使得秸秆难以降解。因此，高效降解和资源利用对于减轻环境污染和促进可持续发展至关重要。因此，微生物降解因其环保性、温和的操作条件、无污染和低成本而成为研究热点[4],[5]。与单一菌株相比，复合微生物菌群通过协同作用和更多样的酶系统可以提高秸秆降解效率，从而更好地应对高效秸秆降解这一关键挑战[6],[7],[8]。然而，其降解能力背后的机制需要借助多组学技术进行深入分析。

近年来宏基因组技术的快速发展为复合微生物菌群降解木质纤维素的分子机制提供了新的视角。通过宏基因组测序，研究人员可以全面分析微生物基因组信息，并准确识别核心降解菌类，例如在堆肥过程中Firmicutes和Actinobacteria的显著富集[9]。宏基因组学不仅用于探索微生物多样性，还用于识别支持微生物群落在多种环境中生存的代谢过程[10]。在先前的研究中，宏基因组分析从多种家族中鉴定出39,907个编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因；其中18,462个基因可能参与木质纤维素降解，这些酶协同作用以分解复杂的木质纤维素结构[11]。2025年发现的一种新型纤维素氧化裂解酶（CelOCE）通过外切核酸酶机制作用于纤维素，仅产生纤维二糖酸，为纤维素降解提供了新的酶学机制[12]。

相比之下，代谢组学专注于动态追踪降解过程中的代谢物，分析核心代谢途径，并阐明中间代谢物的积累和最终产物的形成。具体而言，一项研究探讨了嗜热细菌在秸秆厌氧消化中的纤维素降解机制，并阐明了食物垃圾在调节营养条件和优化微生物群落结构中的作用[13]。通过优化碳氮代谢途径，纤维素和半纤维素的降解效率超过了80%，而食物垃圾的转化率从32.5%提高到47.3%。另一项研究使用J-6微生物菌群，代谢组学分析表明，真菌分泌的代谢物（如betanidin、ergosterol）调节细菌代谢，而细菌分泌的代谢物（如L-phenylalanine、taurine）调节真菌代谢，从而提高了木质素的降解效率[14]。总的来说，宏基因组学和代谢组学为微生物菌群的降解机制提供了互补的见解，前者揭示了基因组和分类学特征，后者揭示了动态代谢过程。

此外，一些研究人员首次发现，在木质素降解细菌菌群中，低丰度的非降解菌也发挥着不可或缺的作用[15]。他们利用宏基因组学为四种关键菌株重建了基因组规模的代谢模型（GSMMs），并结合非靶向代谢组学分析。研究发现，非降解菌可以分泌代谢物，包括氨基酸、有机酸和醇类，同时与降解菌建立动态协同作用，从而将木质素的降解效率提高到单一菌株的3-5倍。这为构建高效木质纤维素降解复合菌群提供了一种新策略：调节降解菌与非降解菌的比例，而不仅仅是单纯富集降解菌。重要的是，这进一步证实了整合宏基因组学和代谢组学是揭示微生物菌群复杂降解机制的有效方法。

基于这一研究趋势和现有的知识空白，本研究使用综合宏基因组学和代谢组学技术比较了三种微生物菌群（HE、H和RJ）在木质纤维素降解方面的分子机制。具体目标是比较这三个微生物菌群的微生物群落组成、物种功能贡献、CAZyme注释、木质纤维素降解途径、代谢物谱、差异代谢途径富集和差异代谢物的鉴定。此外，本研究还分析了差异代谢物与微生物类群之间的相关性，以阐明微生物群落与代谢过程之间的协同关系。

部分摘要

复合微生物菌群

如先前报道[16]，使用三种土壤（棕土，标记为HE；黑土，标记为H；红土，标记为RJ）和玉米秸秆粉（粉碎至粒径小于5毫米）建立了选择性富集系统。具体富集条件如下：将90克玉米秸秆与60克每种土壤样品混合，在30°C的恒温培养箱中培养。样品收集于

玉米秸秆的降解速率

在15天的培养实验中评估了三种复合微生物菌群的木质纤维素降解能力，其玉米秸秆降解速率的差异见图S1。培养期间降解速率逐渐增加，其中第1天到第3天的增幅最大。有趣的是，在第3天，HE、RJ和H三个菌群之间的降解速率存在显著差异。

结论

总体而言，三种复合微生物菌群在物种组成和代谢物方面存在显著差异。尽管物种组成不同，但所有三个菌群都具备完整的木质纤维素降解代谢途径，并能高效降解木质纤维素。这是因为这三个微生物菌群的碳水化合物活性酶组成存在细微差异。

作者贡献声明

莫吉贤：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。刘一娜：撰写 – 原稿撰写，方法学研究，数据分析。孟青欣：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。姜波乐：验证，监督。周俊宇：验证，监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明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：

本研究得到了黑龙江省高校基本科研业务费（项目编号145409453）的财政支持。