Page 44 - 《华中农业大学学报》2024年第4期

36 华 中 农 业 大 学 学 报 第 43 卷

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素降解生境的研究中却未得到广泛重视，在木质纤 糖、木糖） 。但上述原则仅限于理论，在实际研究
维素转化菌群的构建中也未得到充分应用，这也是 中并未得到证实，而且维持“投资与回报原则”的微
导致人工菌群结构和功能失衡的重要因素。 生物学机制仍有待揭示。在人工菌群的构建中，利
用水解菌株为发酵菌株提供碳源，从而完成木质纤
维素的转化是常用策略。在该过程中，发酵菌株通
常扮演“糖骗子”的角色，发酵菌株对碳源的过度利
用无疑会造成降解菌株可用碳源的减少，进而导致
其丰度降低、系统崩溃。针对人工菌群构建中的这
一问题，Wen 等 ［33］ 依据菌株间转运系统的差异提供
了一种解决方案，分别以 Clostridium cellulovorans和
C. beijerinckii为水解菌株和发酵菌株构建菌群，并进
行了一系列代谢改造。在C. cellulovorans中，敲除了
乙酸激酶和乳酸脱氢酶，过表达丁酸激酶，强化菌株
利用葡萄糖合成丁酸的能力；在 C. beijerinckii 中，强
化了菌株利用木糖和丁酸的能力，确保菌株能够合
成丁醇。在该系统中 C. cellulovorans 水解碱处理的
玉米芯，产生葡萄糖和木糖，葡萄糖被自身利用，而木
糖则被C. beijerinckii利用，避免了菌株间对碳源的竞
争；溶剂最终产量能够达到 22.1 g/L，其中丙酮 4.25
g/L，丁醇 11.5 g/L，乙醇 6.37 g/L。然而，天然高效
木质纤维素降解菌群中是否存在其他限制“糖骗子”
丰度的机制仍有待进一步挖掘，在人工菌群构建中
的应用仍有待深入验证。
4 种间分工协作在木质纤维素转化
图2 木质纤维素降解菌群中氨基酸、维生素的交叉喂养
Fig. 2 The cross-feeding of amino acids and vitamins 中的应用
within lignocellulolytic consortia
考虑到真菌在木质纤维素降解上的出色能力，
3 木质纤维素转化菌群中“糖骗子” 以真菌为水解菌株，并衔接发酵菌株已成为人工菌
的控制 群构建的策略之一。一般而言，真菌对木质纤维素
的降解往往发生在好氧条件下，而乙醇等生物燃料
在木质纤维素降解菌群中，参与底物降解的菌 的发酵则需要厌氧条件。为了同时满足二者对生态
株通常被称为“贡献者”，“贡献者”通过分工水解底 位的需求，研究人员设计出一种多物种生物膜反应
物向环境中释放单糖或寡糖，这些能被菌群中其他 器。在该系统中，真菌附着于硅胶膜上，氧气通过硅
成员直接利用的碳源也被称为“公共货物”。除此之 胶膜向系统内传递时被真菌消耗，从而为系统中的
外，菌群中不参与底物降解的菌株则被称为“糖骗 厌氧菌提供厌氧环境。利用这一系统，Brethauer
子”，“糖骗子”对菌群中“公共货物”的剥夺会造成 等 ［12］ 构建了由 T. reesei 和 Saccharomyces cerevisiae
“贡献者”在菌群中的投资没法得到相应的回报。因 组成的人工菌群，以稀酸预处理的小麦秸秆为底物
此，在木质纤维素降解菌群中限制“糖骗子”的丰度 时，该系统的乙醇产量达到 9.8 g/L。在此基础上，
是维持菌群高效功能的关键 ［31］ 。目前，木质纤维素 Shahab 等 ［16］ 对该系统进一步优化，在 T. reesei 后面
降解菌群中“贡献者”和“糖骗子”的丰度在理论上遵 衔接兼性厌氧菌 Lactobacillus pentosus。L. pentosus
循“投资与回报原则”，即“糖骗子”主要利用木质纤 一方面继续消耗未被 T. reesei消耗的氧气，为后续短
维素中含量较低的糖类（如果糖、半乳糖），而“贡献 链脂肪酸发酵菌株提供厌氧环境；另一方面将 T. re⁃
者”则主要利用木质纤维素中的主要糖类（如葡萄 esei 水解产生的葡萄糖、木糖及寡糖转化为乳酸，乳