基于白蚁肠道微生物组的新型木质纤维素生物加工技术优化芦荟叶皮产丙酮丁醇乙醇(ABE)的代谢组学与经济学分析

本研究针对木质纤维素生物质(LCB)传统预处理工艺复杂、成本高的问题，通过白蚁肠道微生物组(ETC-3)的适应性实验室进化(ALE)，开发出能同步降解木质素(51.86±2.03%)和纤维素(41.97±2.99%)的强化菌群，采用整合生物加工(CBP)策略使芦荟叶皮(AVLR)的丁醇产量提升至7.97±0.40 g/L，为生物炼制提供经济可行的解决方案。

　　

在能源危机和环境污染的双重压力下，木质纤维素生物质(LCB)的高效转化成为全球研究热点。传统多步加工工艺面临酶成本高、抑制剂生成等技术瓶颈，而整合生物加工(CBP)技术因其"一锅法"的独特优势备受关注。然而，缺乏能同步完成酶生产、底物水解和发酵的工业级微生物体系，成为制约该技术发展的关键障碍。自然界中，白蚁肠道经过亿万年进化形成的微生物共生系统，展现出惊人的木质纤维素降解能力，这为人工构建高效菌群提供了理想模板。

SRM科学技术研究院的研究团队创新性地将适应性实验室进化(ALE)策略应用于白蚁肠道微生物组改造，通过连续传代培养筛选出对芦荟叶皮(AVLR)具有特异降解能力的ETC-3菌群。该研究通过宏基因组学揭示了菌群结构变化规律，并系统评估了两种工艺路线（CPBP与CBP）的经济性。相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为木质纤维素生物炼制提供了新的技术范式。

研究采用三项核心技术：1) 白蚁肠道微生物的ALE培养体系（底物包括锯末和AVLR）；2) 高通量测序分析菌群结构演变；3) 基于DES（低共熔溶剂）预处理的CBP工艺优化。通过比较CPBP（直接发酵）与CBP（预处理后发酵）的糖化效率，结合成本效益分析确立最优方案。

结果与讨论

1. 菌群构建与底物降解
   ETC-3菌群经ALE筛选后表现出卓越的降解性能：木质素(51.86±2.03%)、半纤维素(29.27±1.29%)和纤维素(41.97±2.99%)的降解率显著提升。宏基因组显示变形菌门(Proteobacteria)和子囊菌门(Ascomycota)分别占88.95%和99.94%，证实ALE能定向富集功能菌株。

2. 工艺路线比较
   CBP策略的葡萄糖产量较CPBP提高1.6倍，最终丁醇产量达7.97±0.40 g/L。DES预处理有效破除木质素屏障，使后续微生物酶解效率大幅提升。

3. 经济性评估
   成本分析表明，CBP虽增加预处理环节，但通过减少酶用量和缩短周期，整体成本降低23.5%，具备工业化推广价值。

结论与展望
该研究首次将ALE策略应用于白蚁肠道菌群改造，构建的ETC-3菌群通过"分工协作"机制实现LCB高效降解。CBP工艺突破传统多步反应的局限，为AVLR等农业废弃物的高值化利用提供新思路。未来研究可进一步优化菌群配比，探索其在不同LCB底物中的普适性应用。Gunasekaran Rajeswari等学者的工作为生物炼制领域的菌群工程与工艺集成提供了重要参考。