一种可持续使用的由堆肥衍生细菌构成的菌剂，能够显著提升纳皮尔草（Napier grass）的生物水解及糖化效率

《Bioresource Technology》：Sustainable agent of compost-derived bacteria for enhanced biological hydrolysis and saccharification of Napier grass

生物水解预处理利用堆肥来源的细菌降解 Napier grass，发现 Klebsiella variicola 在 15000 mg VS/L 和 37°C 条件下高效产糖（1900 mg/L）且无 furfural 生成，SEM证实纤维结构破坏，为可持续生物质能源提供新策略。

　　

沈明轩|沈明彦|吴宣辰|朱晨妍

台湾台中40724凤甲大学绿色能源科学技术硕士项目

摘要

本研究开发了一种利用堆肥衍生细菌进行木质纤维素生物质生物水解的工艺。选择高产的非食品原料——纳皮尔草（Pennisetum purpureum）作为底物。分离出两种菌株：Klebsiella variicola和Microbacterium aurum，其中K. variicola在嗜温（37°C）有氧条件下表现出最高的水解效率，可产生1,900 mg L^-1的糖分，且不产生糠醛。糖分释放和固体降解的最佳条件为底物浓度15,000 mg VS L^-1和37°C。扫描电子显微镜（SEM）分析证实纳皮尔草经过处理后纤维结构被破坏。Klebsiella variicola作为木质纤维素生物质的有效生物预处理剂表现出强大潜力，能够实现高糖产量且不产生抑制性化合物。所提出的有氧水解工艺是一种可持续且可扩展的生物质增值策略，有助于循环生物经济和清洁能源技术的发展。

引言

全球能源行业正在经历根本性变革，这一变革受到气候变化、环境退化以及有限化石燃料储备枯竭的日益关注（Sulich和So?oducho-Pelc，2022年）。为此，世界各国正在加速向可持续、低碳能源系统的转型（Vanegas Cantarero，2020年）。在各种可再生能源途径中，基于生物质的能源因其提供碳中和、分散式和多功能能源解决方案的潜力而成为有前景的选择（Blay-Roger等，2024年；Mignogna等，2024年）。生物质包括农业废弃物、林业副产品和专用能源作物，是一种可再生且广泛可获得的原料，可用于生产多种生物燃料和生物基产品（Inyang等，2022年；Okolie等，2021年）。

Pennisetum purpureum（纳皮尔草）因其高生物质产量、快速生长周期（Dussadee等，2017年）以及对热带和亚热带气候的适应性（Negawo等，2017年）而被推广为关键的非食品原料。纳皮尔草主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，使其成为第二代生物能源生产的宝贵底物（Surendra等，2018年）。Takara和Khanal（2015年）报告称，尽管纳皮尔草在不同生长阶段的碳水化合物结构变化不大，但成熟原料（8个月大）的葡聚糖和木聚糖含量更为稳定，木质素含量也更高。这些特性加上成熟时的高干物质产量，使得纳皮尔草成为评估生物质分解的代表性且实用的模型。然而，纤维素微纤丝与半纤维素紧密结合，并被木质素基质包裹，形成了一种坚硬的保护屏障（Huang等，2022年；Penttil?等，2018年）。由于木质纤维素生物质的顽固性质，将其高效转化为可发酵糖在技术上仍具有挑战性（Zhu和Pan，2022年）。

为了克服这一障碍，需要进行初步预处理或水解步骤，以将复杂的多糖转化为可发酵的中间体。传统的水解方法（如物理方法（例如蒸汽爆炸）、化学方法（例如酸、碱）和酶法）存在关键限制（Brodeur等，2011年）。物理方法通常需要大量的能量输入和专用设备，从而增加运营成本（Ahmed等，2022年）。化学水解可能导致产生糠醛和羟甲基糠醛（HMF）等发酵抑制剂，可能还需要额外的中和和解毒步骤（Baruah等，2018年；Sodré等，2021年）。虽然酶法具有选择性，但通常依赖于昂贵的商业酶，并且对pH值和温度等环境条件敏感（Agrawal等，2021年；Saini等，2022年）。相比之下，本研究采用堆肥衍生细菌进行生物水解，这是一种温和、低能耗且潜在成本效益较高的替代方法（Ahmed等，2022年；Ferde?等，2020年）。这些细菌具有天然的木质纤维素降解能力，可减少抑制剂的产生，并能灵活适应不同的生物质组成。这种生物方法的优点与多个联合国可持续发展目标（SDGs）密切相关，特别是目标7（负担得起的清洁能源）、目标12（负责任的消费和生产）和目标13（气候行动）。通过消除对外部能源输入和化学试剂的需求，该方法提高了生物质增值的可持续性。未来，当前的有氧水解系统将适应厌氧条件，以促进氢气和甲烷等可再生能源的生产。

本研究旨在开发有效的微生物水解技术，重点关注木质纤维素生物质的有氧降解。使用堆肥样品作为微生物培养基，从中分离出多种木质纤维素降解菌株。经过选择性培养基筛选后，最有效的菌株在受控有氧条件下进行培养，用于预处理纳皮尔草。预期研究结果将为开发有效的木质纤维素生物质预处理策略提供宝贵见解，从而推动可持续生物能源生产技术的发展，并提高生物质转化为能源的可行性。

部分摘录

底物材料

纳皮尔草（Pennisetum purpureum，品种Napiergrass Taishugrass No.2）采自台湾中部的一个当地牧场（24.0452°N，120.3912°E）。收获后，生物质在充足的阳光下晒干三天以降低水分含量。干燥后的茎和叶通过机械粉碎机研磨成细粉，筛分至粒径小于2毫米，然后充分混合以确保样品均匀性。

分离菌株的形态、系统发育和生长曲线

为了从富含堆肥的土壤中分离和鉴定木质纤维素降解细菌，将土壤悬浮液涂布在羧甲基纤维素（CMC）琼脂上，并在有氧条件下培养。菌落生长后，应用刚果红染色来显示CMC水解区域，作为纤维素分解活性的指标。选择了两个具有明显晕圈区域的菌落进行进一步研究，包括基因组测序和酶谱分析。

图1显示了刚果红染色结果

结论

本研究展示了一种利用堆肥衍生细菌在有氧条件下预处理纳皮尔草的强大微生物水解方法。Klebsiella variicola表现出卓越的木质纤维素降解能力，在48小时内产生1,900 mg L^-1的可发酵糖分，且不产生糠醛。最佳水解条件为底物浓度15,000 mg VS L^-1和37°C，实现了最高的糖产量、SCOD释放和生物质溶解度。SEM分析证实纤维结构被破坏，表明微生物作用显著。

同意发表

我们确认所有作者均已阅读并同意将手稿发表在《Bioresource Technology》期刊上。

未引用的参考文献

Ahmed等，2021年，TATM，无日期。

CRediT作者贡献声明

沈明轩：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。沈明彦：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。吴宣辰：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件使用、资源获取、概念化。朱晨妍：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调，

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

作者衷心感谢台湾国家科学技术委员会的财政支持，资助编号为NSTC 114-2221-E-035-075；114-2218-E-035-003；112-2923-E-035-001-MY3。