欧洲广泛来源的水解木质纤维素培养Cupriavidus necator菌株及其在生物精炼中的潜力

为替代化石原料，研究人员针对欧洲广泛存在的木质纤维素生物质（如小麦秸秆、山毛榉等）开展预处理及酶解研究，发现土壤细菌C. necator（含实验室进化菌株）可在16种水解液中生长且无需脱毒，为生物精炼（Biorefinery）提供了多底物转化潜力，助力SDG 7/12/13目标实现。

　　

论文解读

在全球85%有机化学品仍依赖化石原料的背景下，欧洲正面临资源枯竭与CO₂排放的双重压力。木质纤维素生物质作为第二代生物精炼原料，虽不占用粮食资源，但其高效转化仍存在技术瓶颈。小麦秸秆、山毛榉、松树等欧洲广泛分布的农林废弃物，因结构复杂且含抑制物，传统微生物难以直接利用。奥地利研究团队在《Biotechnology Reports》发表的研究，首次系统评估了土壤细菌Cupriavidus necator（原名Ralstonia eutropha）在木质纤维素水解液中的生长潜力，为未来"多底物-多产品"生物精炼提供了关键解决方案。

研究采用四大关键技术：1）蒸汽爆破预处理（160-190°C，0.5% H₂SO₄）结合酶解（Novozymes Cellic? CTec3 HS）释放单糖；2）HPLC定量分析葡萄糖/木糖等单糖及糠醛/HMF等抑制物；3）实验室适应性进化（ALE）改造C. necator DSM 428的糖利用能力；4）96孔深孔板培养系统评估16种水解液的微生物耐受性。

研究结果

1. 生物质选择：小麦秸秆含最高木糖（23.4%）和最低木质素（20.1%），而山毛榉木质素达30%，云杉含14%甘露糖，反映欧洲生物质的成分多样性。

2. 预处理优化：酸辅助高温（180°C）蒸汽爆破使山毛榉（B2）游离木糖达11.35g/L，但导致"伪木质素"形成，干扰成分分析。

3. 酶解效率：小麦秸秆A2样品葡萄糖产率最高（57%，30.2g/L），而木材类普遍低于30%，可能与15%高固含量及原料尺寸（云杉芯片达25mm）有关。

4. 菌株性能：

• 适应性进化：C. necator H16经14代ALE后，在含20g/L葡萄糖的TSB培养基中OD₆₀₀提升3倍（图1），但木糖利用仍依赖培养基本底葡萄糖。
• 水解液培养：突变株H1G⁺3在50%稀释水解液中OD增长5倍，且生长与葡萄糖浓度显著相关（R²=0.89，图3）。即便含1.1g/L糠醛（E2）或1.5g/L HMF（C2）仍可生长，而对比菌株Paraburkholderia sacchari IPT 101在此浓度下完全抑制。

结论与意义
该研究证实C. necator对木质纤维素抑制物的卓越耐受性，其天然PHB（多羟基脂肪酸酯）合成能力（占生物量80-90%）与遗传可塑性（已实现CO₂/H₂转化）使其成为理想生物精炼平台。尽管当前水解液糖浓度（最高30.2g/L）远低于工业发酵需求（目标200g/L细胞干重），但通过基因改造扩展木糖/甘露糖利用（如引入xylAB基因）、结合水解液浓缩工艺，可推动其在实际生产中的应用。研究为欧盟"绿色新政"2050气候中和目标提供了微生物技术支撑，未来需通过生命周期评估优化能源与PHB提取成本。

（注：Halima Aliyu Alhafiz等作者单位未明确国别，但资助方含欧盟"地平线2020"及奥地利研究促进署，推测为欧洲团队。技术细节如蒸汽爆破设备来自瑞典Process- & Industriteknik公司，酶制剂由丹麦Novozymes提供。）