基于宏基因组分析的木质素解聚途径在实验室规模生物反应器中的揭示与生物甲烷化应用

本研究针对木质素高值化利用难题，通过优化pH（5-9）、温度（20-55°C）等参数，在2.0L生物反应器中实现木质素富集残渣（LRR）70%降解率和120-130mL/g沼气产量。结合Py-GC/MS和宏基因组技术，解析了微生物群落动态与代谢通路，为木质素生物炼制提供新策略。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料环境问题的凸显，寻找可持续的替代能源成为迫切需求。木质素作为地球上第二丰富的生物聚合物，占植物质量的20-35%，每年仅造纸工业就产生4000-5000万吨黑色液体木质素，但商业化利用率不足2%。这种富含碳的芳香族聚合物因其结构复杂性和顽固性，成为生物精炼领域的"最后堡垒"。传统热化学处理方法能耗高且污染严重，而生物法因其环境友好特性备受关注。然而，木质素直接厌氧消化效率低下，微生物降解机制尚不明确，成为制约其高值化利用的关键瓶颈。

针对这一挑战，研究人员开展了一项突破性研究，通过实验室规模生物反应器结合多组学技术，系统解析了木质素解聚与生物甲烷化的全过程。研究采用来自稻秆生物乙醇生产的木质素富集残渣（LRR）为底物，在2.0L全自动发酵罐中优化了pH、温度（20-55°C）、底物浓度（0.2-2% w/v）等参数。关键技术包括：热重分析（TGA）监测热稳定性变化；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）追踪官能团转变；热解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）鉴定代谢中间体；宏基因组学揭示微生物群落动态与功能基因表达。

Substrate Selection
研究选用碱性木质素（AL）和稻秆乙醇生产的LRR作为底物，后者具有高挥发性固体含量（61.26%）和低灰分（34.20%）特性，适合生物转化。

Characterization of Lignin rich residue
分析显示LRR经微生物预处理后，热稳定性显著降低（DTG曲线变化），扫描电镜观察到明显表面侵蚀，FT-IR证实C=O键断裂和芳香环开环，这些结构改变为后续生物甲烷化奠定基础。

Conclusions
在优化条件下（pH7.5，37°C，C/N比20），研究实现了70%木质素降解率和130mL/g沼气产量。宏基因组分析揭示了以Rhodococcus和Pseudomonas为主导的微生物群落，其通过过氧化物酶（LiP）和漆酶（Lac）协同作用，将木质素解聚为香草醛等单芳烃，进而通过β-酮己二酸途径完成开环转化。Py-GC/MS数据与基因组功能注释共同绘制了从木质素到甲烷的完整代谢网络，包括：1) 过氧化物酶介导的Cα-Cβ键断裂；2) 脱氢酶催化的芳香环羟基化；3) 加氧酶引导的环裂解。

该研究的意义在于首次在实验室规模实现了LRR的高效生物转化，通过多组学联用技术阐明了微生物群落的代谢分工机制。相比传统真菌处理，细菌群落展现出更优的环境适应性和代谢多样性，特别是在处理碱性预处理木质素时表现出独特优势。研究提出的参数优化模型（如C/N比20-30时甲烷产量提升35%）为工业放大提供了理论依据，而发现的Sphingobium菌株对甲氧基苯酚的特异性降解能力，则为定向改造菌种提供了新靶点。这些发现推动了木质素从"工业废料"向"生物精炼核心组分"的转变，为实现"双碳"目标提供了关键技术支撑。论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》，通讯作者为Sarita Sachdeva和Debasis Bhattacharyya。