综述：木质纤维素生物质的微生物生物转化用于木质素增值和可再生能源生产：新兴技术综述

《Hybrid Advances》：Microbial bioconversion of lignocellulosic biomass for lignin valorisation and renewable energy production: A review of emerging technologies

　　

木质纤维素（Lignocellulose）是地球上最可持续且丰富的资源之一。研究人员对木质纤维素降解和微生物改性为增值产品以及替代传统石化产品感兴趣。从木质纤维素生物质（Lignocellulosic biomass）中生产生物燃料（Biofuel）涉及两个步骤，包括预处理和微生物转化。由于木质纤维素生物质具有抗降解结构，需要有效的预处理策略来分解它。这篇综述详细介绍了木质纤维素（Lignocellulose）的来源及其结构和组成。该综述重点介绍了预处理策略，随后是木质素生物质的微生物转化。研究人员对木质素降解的关键机制和代谢途径进行了批判性评估。这种转化方法增强了微生物群落生产生物化学品（Biochemicals）、生物燃料（Biofuels）和生物塑料（Bioplastics）的潜力。还总结了木质纤维素生物质生物产品工业化方面的关键挑战和未来方向。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**
全球人口增长导致自然资源加速消耗，而化石燃料的使用带来了空气污染和全球变暖等负面影响，亟需可持续能源。生物质（Biomass）作为可再生能源的核心要素，特别是木质纤维素生物质（Lignocellulosic biomass, LCB），因其丰富性、多样性以及含有纤维素（Cellulose）、半纤维素（Hemicellulose）和木质素（Lignin）等成分而被优先选择。木质素具有高度芳香性和碳氧比，可用于生产生物燃料和高附加值化学品。然而，木质素的抗降解性（Recalcitrance）是生物转化过程中的主要障碍，需要有效的预处理来克服。微生物转化（Microbial conversion）因其高特异性、温和操作条件和可扩展性而成为优选方法，通常涉及固态发酵（Solid-state fermentation, SSF）、酶解、发酵和产品回收等步骤。代谢工程（Metabolic engineering）和遗传工程（Genetic engineering）技术被用于优化酶功能和提升转化效率。

**2. 方法学**
本文采用综合性文献综述方法，检索了2015年至2026年间发表的相关期刊，使用的关键词包括木质纤维素生物质、微生物生物转化、木质素增值、生物预处理、木质素降解微生物、木质素降解、可再生生物能源、生物燃料和生物化学品、综合生物精炼（Integrated biorefinery）、可持续生物质增值等。对检索到的文献进行严格筛选，整合分析以识别研究空白、最新进展和未来前景。

**3. 木质纤维素生物质（Lignocellulosic biomass）**
**3.1. 来源**
木质纤维素生物质来源广泛，包括多年生草本植物、水生植物、农业加工残留物（如稻壳、甘蔗渣、麦秆、玉米芯、椰子壳、花生壳等）、森林残留物（软木、硬木）、工业废物（纸浆造纸、棕榈油、酿酒厂、制革厂等废物）、城市固体废物（Municipal solid wastes, MSW）以及动物粪便。全球农业作物残留物提供了约9%的总能源供应。玉米秸秆（Corn stover）是极具潜力的资源，其全球可用性可生产超过4500万立方米的生物燃料。森林残留物和软木（如松树、雪松）以及硬木（如橡树、杨树）也被广泛使用。这些生物质资源每年可利用的初级生物质（Primary biomass）约为8-20×10⁹吨。

**3.2. 结构与组成**
木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素以非均匀、复杂的三维模式排列组成。其典型组成为：纤维素38-50%、半纤维素23-32%、木质素10-25%。这些聚合物通过氢键、醚键等多种键合连接形成异质结构。木质纤维素生物质包含三个超微结构域：中层（Middle lamella）、初级细胞壁（Primary cell wall, PCW）和次级细胞壁（Secondary cell wall, SCW），大部分能量与质量集中在次级细胞壁。纤维素是线性的β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖聚合物，具有结晶区和无定形区。半纤维素是短链、高度支化的杂多糖，主要由木糖（Xylose）组成，还包含阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等，易水解，并作为木质素与纤维素之间的连接剂。木质素（Lignin）是主要由酚类化合物（松柏醇Coniferyl alcohol、芥子醇Sinapyl alcohol、香豆醇Coumaryl alcohol）组成的复杂聚合物，是抗降解的主要成分，通过非生产性结合阻碍酶对纤维素和半纤维素的生物转化，并为生物质提供结构完整性。

**4. 预处理策略（Pre-treatment strategies）**
**4.1. 物理方法**
物理预处理方法包括机械挤压、研磨（Milling）、微波（Microwave）、超声波（Ultrasound）、热解（Pyrolysis）和脉冲电场（Pulsed electric field）等。研磨可降低纤维素结晶度，提高酶解效率。例如，高能行星式球磨降低了木质纤维素生物质的抗降解性，使主热解温度降低20-45°C，增加了氧化降解40-170%。微波预处理可破坏细胞壁完整性，促进酶解。例如，微波辅助水基深共晶溶剂（DES）预处理燕麦壳和啤酒糟，分别实现了84%和77%的脱木素率，葡萄糖产量达838 mg/g生物质。超声波预处理通过高频声波产生机械和声学效应，可促进木质素降解和微孔形成。热解是在无氧条件下于400-650°C进行的热分解技术，慢速和快速热解用于生产生物油、生物炭和气体。纤维素、半纤维素和木质素在不同温度范围内分解，产生特征性产物。

**4.2. 化学方法**
化学预处理方法包括稀酸（Dilute acid）、温和碱（Mild alkali）、有机溶剂（Organosolv）、离子液体（Ionic liquids）、深共晶溶剂（Deep eutectic solvents, DES）和天然深共晶溶剂（Natural deep eutectic solvents, NADES）等。稀酸预处理成本低，可有效水解半纤维素为单糖。温和碱处理选择性去除木质素，保留纤维素。有机溶剂预处理使用短链醇、多元醇等，其木质素多分散性和分子量影响应用效果。深共晶溶剂（DES）和天然深共晶溶剂（NADES）是新兴的绿色溶剂，由氢键供体和受体组成，可有效溶解木质素。例如，利用柠檬酸-果糖天然深共晶溶剂从Ghaf废料中提取木质素，最大产率9.50 wt%，回收率44.10%，且结晶度指数从41.46%降至10.56%。然而，DES/NADES的高粘度限制传质，且毒性、生物降解性和溶剂回收问题仍需解决。

**4.3. 生物方法**
生物预处理利用单培养和共培养微生物，具有低能耗、无污染、化学物质需求少等优点。细菌如Cellulomonas fumi、Thermonospora fusca、Clostridium thermocellum等可有效降解木质纤维素。例如，Clostridium isatidis BK32的全基因组测序显示其含有320个与碳水化合物代谢相关的基因，可降解80%以上稻草。真菌预处理主要涉及白腐菌（White-rot fungi）、褐腐菌和软腐菌，其中白腐菌选择性降解木质素。例如，Auricularia auricula-judae可使沼气产量提高约15%。生物预处理因其环境影响小、可持续性而受到关注。

**5. 微生物生物转化策略（Microbial bioconversion strategy）**
**5.1. 细菌**
细菌如Pseudomonas、Rhodococcus、Bacillus、Streptomyces等具有广泛的氧气耐受性、pH和温度适应性，易于遗传改造。细菌主要在好氧条件下通过漆酶（Laccase）等胞内酶降解木质素，但降解效果通常低于真菌。例如，利用Clostridium thermocellum KJC19-9进行高固体含量玉米秸秆转化，生物氢产量提高>50%，纤维素和半纤维素溶解率>95%。Caldibacillus thermoamylovorans MB12B的β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）在70°C、pH 7.0下活性最佳，半衰期153.4小时，葡萄糖耐受性高（IC₅₀ = 2.2 M）。

**5.2. 真菌**
真菌是木质素降解的主要微生物，特别是白腐菌如Ceriporiopsis subvermispora和Phanerochaete chrysosporium。白腐菌在木质素生物转化中优于褐腐菌。例如，Trametes versicolor在固态发酵28°C、25天条件下，脱木素率15%，还原糖消耗24%，使氢产量提高2.06倍。海洋真菌Chaetomium sp. CS1在10天内降解5%碱木质素，转录组分析显示诱导了木质素分解酶并增强了反硝化作用。

**5.3. 酵母**
酵母如Trichosporon cutaneum、Lipomyces starkeyi、Saccharomyces cerevisiae等可用于木质素降解和生产单细胞油（Single-cell oils, SCOs）。代谢工程改造的Yarrowia lipolytica BDic5可共发酵葡萄糖和木糖，从无解毒玉米秸秆水解液中生产琥珀酸（Succinic acid）105.42 g/L。Saccharomyces cerevisiae经工程改造后，从阿魏酸（Ferulic acid）生产原儿茶酸（Protocatechuic acid），最高滴度810 mg/L。微波辅助深共晶溶剂预处理后，Saccharomyces cerevisiae发酵生产乙醇54.5 g/L，在48小时内完成。

**6. 机理与代谢途径（Mechanism and metabolic pathway）**
微生物通过多种代谢途径降解木质素。细菌将低分子量芳香化合物转化为中间体如儿茶酚（Catechol）和原儿茶酸（Protocatechuate），再通过β-酮己二酸途径（β-ketoadipate pathway）代谢为乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）、琥珀酰辅酶A（Succinyl-CoA）和β-酮己二酸（β-ketoadipate）。真菌分泌木质素降解酶（Ligninolytic enzymes），如漆酶（Laccase）、锰过氧化物酶（Manganese peroxidase）、纤维素生物水解酶（Cellobiohydrolase）等，通过直接酶解和氧化自由基攻击木质素。酵母通过释放漆酶样酶、单加氧酶等催化木质素氧化解聚，并通过β-酮己二酸途径、龙胆酸途径（Gentisate pathway）等代谢芳香化合物。

**7. 微生物木质素转化的应用（Application of microbial lignin conversion）**
**7.1. 生物燃料（Biofuels）**
微生物木质素转化可生产生物乙醇（Bioethanol）、生物柴油（Biodiesel）、喷气燃料（Jet fuel）、沼气（Biogas）和生物氢（Biohydrogen）。工程化Pseudomonas putida可代谢木质素衍生的酚类（如对香豆酸p-Coumaric acid、香草醛Vanillin）生产乙醇，产量达40 mg/L。Rhodotorula toruloides可积累超过70%细胞质量的脂质用于生物柴油。厌氧微生物群落可降解木质素产生甲烷。例如，Betula pubescens经蒸汽爆破预处理后，甲烷产量提高。Clostridium属等细菌联合体可使生物氢产量从1.07 mmol H₂/g增至2.2 mmol H₂/g。

**7.2. 生物化学品（Biochemicals）**
微生物木质素降解可产生香草酸（Vanillic acid）、香草醛（Vanillin）、焦性没食子酸（Pyrogallol）、粘康酸（Muconic acid）、儿茶酚（Catechol）、愈创木酚（Guaiacol）、原儿茶酸（Protocatechuic acid）、对香豆酸（p-Coumaric acid）、阿魏酸（Ferulic acid）和对羟基苯甲酸酯（p-Hydroxybenzoate）等。例如，P. aromaticivorans降解木质素单体生产香草酸，摩尔收率85-89%。Pycnoporus cinnabarinus将香草酸转化为香草醛，摩尔收率22%。通过基因工程菌株共表达脱羧酶和脱甲基酶，可从木质素芳香化合物生产焦性没食子酸7.3 mg/L。粘康酸通过芳香族分解代谢途径生产，最高滴度50 g/L，摩尔收率100%。

**7.3. 生物塑料（Bioplastics）**
木质纤维素生物质可用于生产聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHAs）、聚乳酸（Polylactic acid, PLA）、聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrates, PHBs）、淀粉-木质素生物塑料、蛋白质-木质素生物塑料、纤维素-木质素生物塑料、聚丁二酸丁二醇酯（Polybutylene succinate, PBS）、聚呋喃二甲酸乙二醇酯（Polyethylene furanoate, PEF）和生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio-PET）等。例如，Oceanimonas doudoroffii合成0.2-0.7 wt%的PHA。Aspergillus niger生产乳酸，产率0.4-1.4 g/L/h，用于PLA生产。木质素增值为PHB，产量1.89 g/L。淀粉-木质素生物塑料具有高拉伸强度，纤维素-木质素生物塑料具有优异的热稳定性、紫外抵抗力和水稳定性。PBS和PEF作为石油基塑料的可持续替代品受到关注。

**8. 挑战与未来展望（Challenges and future perspectives）**
木质纤维素生物质（LCB）转化面临生物、化学、技术和经济挑战。不同植物来源的木质素结构多样性使微生物降解困难；天然菌株降解效率有限；降解副产物如酚类化合物对微生物有毒；预处理方法能耗高、成本高，可能产生抑制性副产物；产品滴度低，限制商业可行性。未来方向包括：利用合成生物学和代谢工程增强微生物（如Pseudomonas、Escherichia coli、真菌）的转化能力；宏基因组学（Metagenomics）和蛋白质组学（Proteomics）探索新型降解能力；改进预处理技术提高木质素可及性；应用生物信息学、人工智能（AI）和机器学习优化微生物菌株和酶系统；政策支持和市场激励推动商业化。

**9. 结论**
本综述全面描述了木质纤维素生物质（LCB）的来源、结构、预处理方法及微生物木质素转化途径，重点关注生物燃料、生物化学品和生物塑料的生产。尽管木质素结构复杂，但微生物工程、酶优化和生物过程集成已显示出将其转化为高价值产品的潜力。整合微生物木质素增值与改进的预处理技术，为经济可行和环境可持续的生物转化提供了有前景的路径，有助于向循环生物经济转型。