综述：微生物群落将生物质转化为燃料和化学品

这篇综述系统探讨了利用天然和合成微生物群落（microbial consortia）实现木质纤维素（lignocellulose）高效转化的策略，重点分析了群落稳定性调控（如群体感应QS、代谢物交换）和过程优化（如CBP整合生物加工）的技术挑战，为生物燃料（如乙醇、丁醇）和平台化学品（如3-羟基丙酸、己二酸）的工业化生产提供了新思路。

　　

微生物群落助力木质纤维素高效转化

自然界中，木质纤维素降解依赖于复杂微生物群落的协同作用。如图1所示，厌氧消化过程通过水解菌、产酸菌和产甲烷古菌的分工合作，将纤维素逐步转化为甲烷。这种"分工协作"模式启发了人工构建合成群落的设计理念，例如将纤维素水解真菌^{Trichoderma reesei}与乳酸菌^{Lactobacillus}共培养，实现木质纤维素到乳酸的直接转化。

突破木质纤维素转化瓶颈

传统生物炼制仅利用纤维素组分（占生物质干重<50%），而木质素（约20%）和半纤维素（约35%）常被废弃。通过工程化改造，^{Pseudomonas putida}可将木质素衍生物转化为己二酸（尼龙前体），^Rhodococcus菌株则能生产吡啶羧酸（聚酯替代品）。如图2所示，木质纤维素三大组分（纤维素、半纤维素、木质素）的复杂结构要求多种特异性酶的协同作用，这为微生物群落的应用提供了天然优势。

合成群落的工程化策略

针对合成群落的不稳定性，研究者开发了多种调控工具：

• 群体感应调控：通过工程化QS系统控制毒素基因表达，实现种群比例动态平衡
• 空间隔离技术：如将厌氧菌封装在凝胶中，与好氧真菌形成氧浓度梯度微环境
• 光电遗传控制：蓝光激活的抗生素抗性系统可精确调节菌株生长速率

如图3所示，通过整合水解、发酵等步骤（如SSCF同步糖化共发酵），可显著降低生产成本。膜生物反应器等创新设计解决了好氧/厌氧菌的共存难题，实现了乳酸到短链脂肪酸的连续转化。

未来展望

将光合微生物（如^{Synechococcus}）与异养菌共培养，有望同时利用CO₂和木质纤维素碳源。如图5所示的实时控制回路，结合拉曼光谱监测和光电调控，为复杂群落的工业化应用提供了关键技术支撑。尽管存在监测手段（如荧光标记）受木质纤维素颗粒干扰等挑战，微生物群落仍是实现生物质全组分高值化利用的最优解。