综述：从废物到财富：利用黄孢原毛平革菌的创新生物技术方法实现循环生物经济

本综述系统探讨了利用白腐真菌黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）通过生物预处理、代谢工程和合成生物学技术，将农业废弃物木质纤维素（LC）转化为高附加值生物产品（如生物燃料、生物塑料和药物）的创新策略，为应对环境污染和推动循环生物经济（Circular Bioeconomy）提供重要解决方案。

　　

引言

木质纤维素（LC）是农业加工过程中产生的副产品，主要由纤维素（25–45%）、半纤维素（20–40%）和木质素（10–30%）组成，其复杂结构和交联特性使其难以直接利用。不当处理方式（如露天焚烧）会释放大量温室气体（CO₂、CH₄）、黑碳和颗粒物（PM_2.5、PM₁₀），加剧气候变化并引发呼吸系统疾病。全球每年产生约1815亿吨LC，其中中国和印度是主要产区。开发可持续的LC增值策略对实现循环生物经济至关重要。

进化中的代谢工程与废弃物增值技术

代谢工程在废弃物增值中的应用始于20世纪70-80年代的重组DNA技术，最初专注于药物生产，后逐渐转向废弃物管理。90年代至2000年代，合成生物学、系统生物学和基因组编辑技术的发展推动了微生物工程化改造，使其能够高效降解LC并生产高附加值产品。黄孢原毛平革菌因其强大的木质素降解能力（产生LiP、MnP、VP等酶）成为研究焦点，其基因组已于2004年完成测序，为代谢工程提供了重要基础。

黄孢原毛平革菌在LC增值中的应用

黄孢原毛平革菌是一种白腐真菌，能够通过分泌胞外氧化酶系统完全降解木质素。其酶系包括木质素过氧化物酶（LiP）、锰过氧化物酶（MnP）和 versatile peroxidase（VP），这些酶通过自由基机制断裂木质素中的醚键（占结构约30%）。与褐腐真菌和软腐真菌不同，白腐真菌能够同时降解木质素、纤维素和半纤维素，使黄孢原毛平革菌成为LC生物处理的理想候选。该真菌还能在厌氧或半需氧条件下产生乙醇、乙酸和草酸，进一步拓展了其在生物精炼中的应用潜力。

增强生物转化的生物技术方法

为提高LC降解效率，研究聚焦于酶系的优化与工程化改造。例如，通过同源重组在平菇（Pleurotus ostreatus）中超表达MnP；利用CRISPR-Cas9技术敲除黄孢原毛平革菌的cre1基因（碳代谢抑制因子），增强纤维素酶表达；以及通过异源表达漆酶（laccase）提升木质素降解能力。此外，启动子工程（如使用sdi1启动子）和蛋白质定向进化被用于提高酶的热稳定性和催化效率。这些策略显著提升了LC的生物转化率和产物得率。

工程化改造策略生产高附加值产品

LC可作为生产生物燃料、化学品和生物塑料的可再生资源。针对木质素降解的挑战，工程化黄孢原毛平革菌通过代谢通路优化生产香草醛、丁香醛和阿魏酸等芳香化合物。同时，通过共发酵纤维素和半纤维素衍生的糖类生产生物乙醇和生物丁醇。微生物燃料电池技术则利用其降解过程直接产生生物电能。此外，LC衍生的纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）及烷基苯等产品在电子、材料和清洁剂行业具有广泛应用。

环境可持续性与经济可行性

利用黄孢原毛平革菌进行LC增值处理显著降低了露天焚烧导致的空气污染和温室气体排放，同时通过生产生物基产品替代化石燃料衍生品，减少了碳足迹。生命周期评估（LCA）显示，该过程在能源消耗和环境影响方面优于传统物理化学方法。尽管目前大规模应用仍面临成本挑战，但通过工艺优化和酶回收技术（如酶固定化），其经济可行性正在逐步提升。

挑战与未来展望

黄孢原毛平革菌在LC增值中的应用仍存在降解速率慢、酶合成与降解效率关联性不明确、大规模培养中的传质限制等问题。未来研究需整合多组学分析（转录组、蛋白质组、代谢组）深入理解降解机制，开发高效发酵策略，并通过合成生物学工具设计更高效的工程菌株。政策支持和跨学科合作也将加速该技术从实验室向工业应用的转化。

结论

黄孢原毛平革菌凭借其强大的木质素降解酶系和可工程化潜力，在LC废弃物增值和循环生物经济构建中发挥关键作用。通过整合代谢工程、合成生物学和过程优化技术，该真菌有望实现农业废弃物的高效转化，生产多种高附加值产品，为可持续发展提供创新解决方案。