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本文聚焦白蚁肠道，深入探讨其在生物燃料生产领域的潜力。白蚁肠道微生物能分泌木质纤维素酶（CAZy），高效水解木质纤维素生成发酵糖，部分微生物还可将糖转化为生物燃料，如生物乙醇、生物甲烷、生物氢气和生物柴油，极具研究和开发价值。
1. 引言
水解酶用于木质纤维素解聚，是高效利用生物质残渣的理想生物工艺策略。当前市售（半）纤维素水解酶存在稳定性差、效率低等问题，限制了其工业应用。植食性昆虫的肠道微生物可高效降解木质纤维素，白蚁便是典型例子。白蚁肠道富含木质纤维素分解微生物，能分解草和木质生物质。此外，白蚁肠道还存在可用于工业生产生物燃料的真菌、酵母和细菌。然而，此前缺乏对这些微生物相关研究的全面综述，本文旨在探索白蚁肠道在生物燃料生产方面的潜力。
2. 白蚁肠道中的生物质利用
白蚁进化出容纳多种微生物的能力，以促进生物质利用。其肠道结构包括前肠、中肠和后肠，后肠在高等白蚁中进一步细分。根据后肠是否存在鞭毛虫原生生物，白蚁分为高等和低等白蚁。低等白蚁后肠有鞭毛虫，有助于水解纤维素；高等白蚁虽无此原生生物，但获得更多原核共生体，进化出更高效的木质纤维素分解策略。
白蚁摄取的生物质经咀嚼和前肠机械研磨，颗粒变小，增加了表面积，便于后续微生物作用。前肠和中肠主要修饰木质素和半纤维素，纤维素降解主要发生在厌氧的后肠。后肠微生物数量和种类最多，食物在肠道内的停留时间不同，后肠相对较长，有利于微生物分解生物质。白蚁肠道微生物分泌多种木质纤维素酶，能高效分解木质纤维素，使其成为木质纤维素降解酶的重要来源。
3. 白蚁肠道微生物的多样性
白蚁肠道微生物群落已被研究超三十年，包含真核和原核生物。细菌在低等和高等白蚁肠道微生物中占比最大，其群落可垂直或水平传播。
原生生物在低等白蚁的木质纤维素利用中起重要作用，它们是严格厌氧生物，数量多、体积大，部分还含有细胞内共生体，协助纤维素解聚。但关于它们对白蚁纤维素水解的贡献存在争议。
白蚁肠道中还存在酵母，部分酵母可降解木质素等芳香化合物，产生有工业价值的生物产品。丝状真菌虽在肠道中比例较低，但能大量产生木质纤维素酶，对生物质水解至关重要。
细菌是白蚁肠道中最丰富的微生物类群，不同种类白蚁肠道中优势细菌类群有所差异。螺旋体、厚壁菌门、变形菌门、纤维杆菌门等是常见的优势类群，其优势地位受宿主种类、栖息地和食物影响，这些细菌主要负责产生木质纤维素酶，促进生物质水解。
4. 白蚁肠道微生物产生的木质纤维素酶
木质纤维素酶可分为碳水化合物活性酶（CAZy）的不同类别，包括糖苷水解酶（GHs）、碳水化合物酯酶（CEs）等。这些酶协同作用，实现木质纤维素的高效解聚。以植物生物质为食的白蚁，其肠道微生物产生的木质纤维素酶丰度相对较高，而土壤食性白蚁肠道微生物产生的此类酶活性较低。
4.1 纤维素酶
纤维素是植物中最丰富的多糖，由葡萄糖单体通过 β-1,4 键连接而成，结构稳定。纤维素酶是一种多酶复合物，由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和 β- 葡萄糖苷酶组成，共同作用可释放葡萄糖单体。
内切葡聚糖酶（Endo-1,4-β-glucanase）能切断纤维素微纤维无定形区域的内部糖苷键，暴露多糖链末端。细菌来源的内切葡聚糖酶在白蚁肠道中较为常见，部分细菌菌株具有较高的酶活性，且在固态发酵下，白蚁肠道真菌产生的内切葡聚糖酶活性更高。
外切葡聚糖酶（Exo-1,4-β-glucanase）从纤维素多糖链的暴露末端切割葡萄糖单元，释放纤维二糖。白蚁肠道中存在具有外切葡聚糖酶活性的细菌和真菌，但真菌的产量相对较低，可能是由于与高活性细菌共生导致其表达下调。
β- 葡萄糖苷酶（β-glucosidase）水解纤维二糖和纤维寡糖，释放葡萄糖单体，与葡聚糖酶协同作用，防止产物抑制。白蚁肠道中的酵母、真菌和细菌均可产生 β- 葡萄糖苷酶，它们相互协作，促进生物质的高效解聚。
4.2 半纤维素酶
半纤维素是植物中第二丰富的多糖，结构复杂。木聚糖是大多数半纤维素的主要成分，需多种水解酶协同作用才能分解，包括木聚糖酶和辅助酶。
木聚糖酶（Xylanases）作用于木聚糖主链，释放富含木糖的寡糖。白蚁肠道中的细菌、酵母和丝状真菌均可产生木聚糖酶，细菌木聚糖酶因具有多种优势，在工业生物质水解中具有吸引力；真菌虽产量高，但有一定局限性；酵母的木聚糖酶活性普遍较低。
辅助酶（Accessory enzymes for hemicellulose hydrolysis）如 β- 木糖苷酶、α-L - 阿拉伯呋喃糖苷酶等，协同木聚糖酶促进半纤维素的解聚。目前对可培养的白蚁肠道微生物产生的辅助酶研究较少，但多组学研究已鉴定出相关基因，不过分子克隆面临诸多挑战。
4.3 木质素酶
木质素是生物体内第三丰富的生物聚合物，结构复杂，与纤维素和半纤维素紧密结合，阻碍微生物和酶对生物质的降解。白蚁肠道微生物产生的木质素修饰酶可选择性改变木质素结构，促进（半）纤维素的溶解。
漆酶（Laccases）在有氧条件下催化木质素中酚类和酚氧基的氧化，从而修饰木质素。白蚁肠道中部分细菌和真菌可产生漆酶，细菌漆酶具有多种优势，活性高于其他来源的漆酶。
过氧化物酶（Peroxidases）利用过氧化氢作为共底物，催化木质素衍生物和酚类的解聚。白蚁肠道酵母、真菌和细菌均可产生过氧化物酶，不同微生物产生的过氧化物酶可能协同作用。目前尚未有关于白蚁肠道微生物产生通用过氧化物酶（VP）和染料脱色过氧化物酶（DyP）的研究报道。此外，一些辅助酶可增强漆酶和过氧化物酶的活性，但对白蚁肠道微生物产生这些辅助酶的研究尚少。
为实现高效的工业酶法生物质解聚，可使用含有多种木质纤维素酶的鸡尾酒配方，通过混合纯酶、优化微生物培养或共培养不同微生物来制备。
5. 利用白蚁肠道微生物组和基于酶的工厂生产生物燃料
白蚁高效利用木质纤维素的能力备受关注。其肠道微生物释放的酶可水解木质纤维素，产生单体糖，这些糖可被微生物用于代谢，生成各种生物燃料，或转化为生物产品用于生产非发酵性生物燃料。
5.1 白蚁肠道微生物生产生物乙醇
生物乙醇是一种重要的生物燃料，但传统发酵菌株酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）存在对温度和乙醇浓度敏感、只能发酵己糖等问题。白蚁肠道中存在具有双重功能的微生物，如能发酵木糖的酵母和可分泌木质纤维素降解酶并发酵产生生物乙醇的细菌。此外，构建的微生物 consortium 可同时糖化生物质并产生乙醇，未来有望开发出更优的发酵微生物用于工业生物乙醇生产。
5.2 白蚁肠道微生物生产生物甲烷
生物甲烷是一种重要的气态燃料，但排放到环境中会产生温室效应。白蚁肠道微生物可将水解生物质产生的葡萄糖发酵为二氧化碳、氢气和乙酸，乙酸被宿主利用，二氧化碳和氢气在产甲烷菌作用下转化为甲烷。白蚁肠道中的产甲烷菌主要是古菌，存在于低等和高等白蚁中，它们通过氢营养型产甲烷途径产生甲烷，部分细菌也具有产甲烷能力。在工业生产中，需去除与产甲烷菌竞争氢气的细菌，以提高甲烷产量。
5.3 白蚁肠道微生物生产生物氢气
生物氢气是一种有潜力的未来燃料，具有高效、清洁等优点。白蚁肠道在消化过程中会产生氢气，部分微生物可利用氢气创造厌氧环境。研究发现白蚁肠道中存在多种产氢厌氧菌，如一些梭菌属细菌和肠杆菌属细菌。但肠道中的氢营养型厌氧菌会消耗氢气，影响生物氢气的总体产量，在工业生产中需抑制这些氢气消费者的活动，并及时去除产生的氢气和二氧化碳，以提高氢气产量。
5.4 白蚁肠道微生物生产生物柴油
生物柴油通常由油脂生产，植物油脂作为原料的可持续性受到质疑。单细胞微生物积累的单细胞油脂（SCOs）可作为生物柴油生产的可持续原料。白蚁肠道中存在产油酵母，在特定条件下可积累大量 SCOs，有用于生物柴油生产的潜力，但目前对其工业适用性的研究较少。此外，白蚁脂肪体中的油脂也可用于生产生物柴油，但利用整个白蚁体作为原料在工业上存在可行性和伦理环境问题。
6. 结论和未来展望
从白蚁肠道等未充分开发的环境中寻找新型高效的木质纤维素水解微生物，是实现工业生物质高效糖化的理想途径。白蚁肠道微生物中，细菌和真菌是主要的木质纤维素酶生产者，有助于实现可持续的工业生物质糖化系统。目前对白蚁肠道及其微生物的研究尚处于初期，基于宏基因组学的方法可用于发现更多高效的木质纤维素分解微生物。通过设计酶鸡尾酒配方、基因工程和蛋白质工程等技术，可提高酶的产量和性能。利用这些酶糖化生物质后，产生的糖可用于发酵生产各种生物燃料。总之，白蚁肠道在工业生物质糖化和生物燃料生产方面具有巨大潜力，但仍有待进一步探索和开发。
