《International Biodeterioration & Biodegradation》：Cross-scale adaptation and biotechnological potential of cold-active bacteria in lignocellulose degradation
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低温环境下木质纤维素降解微生物的多样性、适应机制及生物技术应用，系统整合遗传调控、细胞结构重塑与酶系统优化策略，为寒区生物质资源开发提供理论依据。
Jiahui Tian|Shuang Zhang|Xinxin Fan|Sheng Qiao|Tao Liu|Lei Yan
中国黑龙江省大庆市黑龙江八一农业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，邮编163319
摘要
木质纤维素生物质是一种可再生能源，它由纤维素、半纤维素、木质素以及提取物/天然化合物组成。由于木质纤维素的复杂性及其高度聚合的芳香结构，加之微生物在低温环境下的生长和酶生产能力受到限制，导致木质纤维素的降解过程变得困难且缓慢。来自低温环境的木质纤维素降解微生物被认为是进行木质纤维素生物处理的理想候选者。本文总结了自然界中具有耐低温和耐寒性的木质纤维素微生物，探讨了它们的生态分布和生物应用，并展望了新型低温微生物和酶的发展前景。文章揭示了通过基因调控、细胞结构重塑和酶系统功能优化所构成的系统化低温适应机制，同时期待低温微生物的开发和利用方法。这为后续筛选低温木质纤维素降解菌株、在寒区利用木质纤维素资源以及该领域的研究提供了科学参考。与现有综述相比，本文首次从跨尺度角度综合分析了耐寒和嗜冷细菌对木质纤维素的降解作用，整合了基因调控、细胞膜重塑和酶系统优化等内容，并进一步阐述了低温生物技术的应用路径。
引言
木质纤维素生物质被认为是最丰富的可再生碳资源，其高效利用对可持续发展至关重要（Madadi等，2025年）。值得注意的是，每年产生的数十亿吨农业和林业废弃物中，有很大一部分分布在常年低温或季节性变化显著的地区（Kimeklis等，2025年）。在这些环境中，由于植物细胞壁的天然抗性以及传统微生物系统的生物活性降低，木质纤维素的降解过程受到阻碍，从而导致资源利用效率低下并带来环境问题（Pu等，2013年；Raulo等，2019年）。
目前大多数木质纤维素降解技术和微生物制剂都是在中温或高温条件下开发的，也在相同条件下进行了评估，因此它们在寒区的应用受到限制（Simmons等，2014年）。然而，嗜冷和耐寒细菌能够在低温下维持活跃的代谢活动和酶合成，为低温木质纤维素生物处理提供了有前景的解决方案（Dolashki等，2024年）。然而，现有的综述往往呈现碎片化特征，要么侧重于木质纤维素的化学性质，要么仅关注其耐寒适应性方面，缺乏将这三者结合的综合分析。这样的综合研究应涵盖细菌的生态分布、跨尺度适应机制以及面向应用的转化策略。
因此，本综述旨在系统总结嗜冷和耐寒细菌在低温木质纤维素生物降解中的作用和生物技术潜力。首先整理了这类细菌在寒环境中的多样性、生态分布及已报道的降解性能；随后综合分析了关键的低温适应机制，这些机制包括四个核心方面：低温活性酶系统、细胞膜和细胞壁重塑、应对低温压力的机制，以及底物识别与相互作用策略；最后探讨了提升低温降解效果的未来发展方向，涉及微生物制剂开发、微生物组工程和合成生物学方法。总体而言，本综述为筛选耐寒木质纤维素降解菌株、在寒区高效利用木质纤维素资源提供了理论和技术参考。
相关内容片段
与寒冷或季节性强烈地区相关的生物质资源
全球木质纤维素生物质主要分为三类：森林资源、农业废弃物和专用能源作物（Bilal和Iqbal，2020年；Shekhar等，2025年；Spiridon，2020年）。图1展示了全球木质纤维素生物质的主要来源。虽然大多数生物质转化技术和工业原料基地都集中在温带和热带地区，但对寒区木质纤维素的关注相对较少
生态多样性与地理分布
耐寒或嗜冷微生物广泛分布于地球上的极端低温环境中，包括极地生态系统（南极和北极）、永久冻土带、高山冰川、极地针叶林、深海以及高海拔地区的动植物体内（Loperena等，2012年；Margesin等，2017年；Singh等，2020年）。根据温度适应性，这些微生物通常被分类为不同的类型
木质纤维素降解机制
降解细菌对木质纤维素的高效降解依赖于酶系统的协同作用、微生物群落间的相互作用以及增强环境适应性的调控网络。在酶系统层面，高效的木质纤维素降解依赖于特定细菌分泌的酶——这些酶具有优异的生化特性，能够有效催化木质素、纤维素和半纤维素的分解
农业废弃物处理
农业废弃物的处理对可持续发展至关重要。具有耐低温特性的细菌系统在寒冷季节或北方地区能够有效分解废弃物（如秸秆）。研究表明，多菌株协同作用可提升降解效率和杂草控制效果。优化后的微生物制剂在15°C时仍保持高活性，非常适合冬季堆肥，从而加速有机物循环（Tian等，2024年；Wang等，未完成引用）
未来建议与结论
近年来，通过纯培养技术、高通量测序和多组学方法鉴定出了许多能够降解木质素的细菌。然而，在低温环境下，微生物的生长和酶产生受到限制，导致木质纤维素降解缓慢且困难。尽管环境恶劣，某些微生物仍能分泌降解木质纤维素的酶。因此，未来的研究应重点关注这些微生物的特性
作者贡献声明
Jiahui Tian：撰写——综述与编辑；撰写——初稿。Shuang Zhang：数据分析与概念构建。Xinxin Fan：实验研究与概念构思。Sheng Qiao：方法学设计与实验实施。Tao Liu：结果验证与监督。Lei Yan：撰写——综述与编辑；结果验证与监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国龙江林业产业集团有限公司科技计划项目（KJHT2025-14）的支持。
