综述：厌氧肠道真菌作为循环木质纤维素生物精炼厂中的生物催化平台：酶、菌群、过程集成与生物安全性

《Biomass and Bioenergy》：Anaerobic gut fungi as biocatalytic platforms for circular lignocellulosic biorefineries: Enzymes, consortia, process integration and biosafety

　　

摘要

木质纤维素残渣是丰富的可再生碳源，但其微生物转化仍受植物细胞壁抗降解性、酶成本、预处理强度和碳回收不完整的制约。新小核菌门（Neocallimastigomycota）的厌氧肠道真菌提供了一种独特的生物学解决方案，因为它们结合了侵入性菌丝生长、广泛的碳水化合物活性酶库、真菌纤维素酶体和氢化酶体联锁的发酵代谢。这些特性使它们能够在无氧条件下直接定殖并解构未处理或轻度预处理的植物生物质。本综述整合了分类学、酶结构、共生代谢、过程工程和生物安全考量，以评估厌氧肠道真菌作为循环生物精炼厂实用生物催化剂的潜力。特别关注从以发现为导向的酶学研究向可编程的真菌-细菌和真菌-古菌共培养体系、合并水解、原料特异性预处理、产品调控和反应器规模控制的转变。证据表明，在需要机械穿透、低酶量运行以及与湿态农业残渣兼容的场合，厌氧肠道真菌最具前景。然而，工业转化需要更快的培养速度、稳定的接种物系统、改进的基因和组学工具、严格的 containment 以及定量的技术经济性和生命周期评估。本文提出了一个开发路线图，旨在将这些生物体从生物学奇观转变为安全、标准化且可区域性适应的生物质增值平台。修订后的综合论述强调了菌株和酶工具的开发，旨在实现更高产率的纤维素酶复合体分泌，以及整合全链条生物精炼概念，将低强度预处理、真菌水解、共生体代谢、产品回收和残渣增值联系起来。它还进一步区分了实验证实的厌氧真菌功能与提出的可编程配置，并为转化效率、停留时间、碳回收、过程稳定性和生物安全治理下的规模化引入了定量基准。

引言

农业残渣、草本植物、林业副产品、食品加工废弃物和动物相关的纤维质残渣是循环生物经济的中央资源。其价值受到木质纤维素结构复杂性的限制：纤维素微纤丝嵌入在半纤维素、果胶、木质素和酚类网络中，这些网络限制了酶的接触并减缓了微生物利用[1,2]。传统生物精炼方案通常将预处理、酶水解和发酵分开，每个阶段都增加了成本、能源输入和抑制风险[3,4]。因此，合并生物加工仍是一个有吸引力的目标，因为它在更少的操作中结合了酶生产、水解和产品形成[5]。近期的绿色预处理和整合生物技术研究也表明，生物质转化必须跨整个链条进行评估，包括底物可及性、酶需求、抑制剂形成、副产物回收、碳效率和废物最小化[6,7]。

厌氧肠道真菌是早期分化的真菌，适应于食草动物的消化道。它们的生物技术重要性源于一种在一个生物体中罕见的组合：对植物颗粒的物理侵入、强大的多糖降解酶系统、基于氢化酶体的能量代谢以及与细菌和产甲烷古菌的共生兼容性[[8],[9],[10],[11]]。这些真菌不应仅仅被视为酶源，而可以被视为活的预处理剂和共培养体系的锚。它们打开植物组织，释放可溶性糖和有机酸，并通过氢和甲酸将电子转移给共生体。

该领域已进入一个过渡阶段。早期的工作建立了分类学、瘤胃生态学和纤维分解活性，而近期的基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢建模揭示了植物细胞壁解构的分子基础[[12],[13],[14]]。实际问题不再是有氧真菌是否降解木质纤维素，而是如何控制、标准化并将其整合到安全的微生物过程中。因此，本综述将厌氧肠道真菌作为生物催化平台而非孤立的酶或瘤胃共生体来考察。图1展示了将厌氧肠道真菌整合到循环木质纤维素生物精炼厂中的整体工作流程，从原料选择和真菌定殖到水解、共生转化、产品回收和生物安全控制。相应地，本综述的新颖性在于其将厌氧真菌生物学与合成生物学工具开发、纤维素微纤丝可及性、超声辅助真菌/酶强化、定量过程基准和循环生物精炼实施相整合[6,7,[15],[16],[17],[18],[19]]。图1展示了将厌氧肠道真菌整合到循环木质纤维素生物精炼厂中的整体工作流程。示意图突出了无定形纤维素断裂点作为初始真菌定殖和生物质解构阶段的局部酶攻击的高可及性位点。该框架区分了实验证实的模块与提出或未来整合的配置；代表性的定量证据总结在表3中，而指示性的技术就绪度和取舍标准提供在表4中。

章节片段

文献检索和综述方法
使用术语组合进行了结构化的叙述性检索，包括厌氧肠道真菌、新小核菌门、瘤胃真菌、真菌纤维素酶体、碳水化合物活性酶、木质纤维素、合并生物加工、生物精炼、共生共培养体系、产甲烷菌、氢化酶体、作物残渣和生物安全。检索涵盖了从数据库建立到2026年8月的时期。一个代表性的布尔策略是：（"厌氧肠道真菌" OR 新小核菌门 OR "瘤胃真菌"）AND...

厌氧真菌木质纤维素转化的生物学基础
分类学和生态学提供了第一层设计。厌氧肠道真菌存在于反刍动物和非反刍动物食草动物中，并被分类在新小核菌门内。非依赖性培养的研究证实了不同宿主间的广泛多样性，而系统基因组学分析精化了科水平的关系，并强调了标记选择影响分类学分辨率[20,21]。对于生物技术而言，分类学不仅仅是命名：菌丝形态、菌丝体发育、孢囊子...

酶系统和真菌纤维素酶体
真菌纤维素酶体是厌氧肠道真菌最具吸引力的特征之一。细菌纤维素酶体长期以来一直作为模块化酶组装、底物靶向和协同水解的模型[[27],[28],[29]]。厌氧真菌系统通过独特的dockerin家族和生命周期特异性定位模式扩展了这一概念。蛋白质组学和成像研究表明，酶复合体可以集中在菌丝和孢囊子上，从而对...创造空间组织的攻击

全菌加工和原料适配性
全菌加工具有吸引力，因为厌氧肠道真菌定殖完整的植物组织并物理破坏细胞壁架构。早期的显微镜和降解研究表明，单中心型和多中心型分离株在定殖模式和植物组织攻击方面存在差异[10,30,36,37]。这一特征建议将其用作生物预处理，特别是在干燥、研磨和化学预处理在经济上不吸引人的湿态残渣方面。

原料适配性至关重要。水稻...

合成共培养体系和产品调控
自然的瘤胃功能依赖于微生物网络，而非孤立的生物体。厌氧真菌释放的糖、有机酸、甲酸和氢可以被产甲烷菌、产乙酸菌、溶剂生成细菌或工程化发酵生物体消耗[48,49]。与产甲烷菌共培养可以通过移除氢和转移代谢来增强真菌活性，而与溶剂生成细菌共培养可以将碳重新定向到丁酸、丁醇和相关产品中[[49],[50], ...]

组学、建模和工程工具
基因组学和转录组学通过将难以培养的一群转化为可预测的酶功能来源，彻底改变了厌氧真菌生物技术。基因组资源揭示了庞大的酶库以及复杂的水平基因转移、结构域扩展和厌氧适应的历史[12,22,56]。转录组学研究现在可以将底物响应基因映射到过程条件下，而蛋白质组学可以识别在生物质攻击期间实际部署的酶。

过程整合和规模化
工业整合需要将真菌生物学与反应器架构相匹配。批处理培养适用于筛选，但连续或半连续系统用于测试稳定性、生产力和抗污染能力。重要变量包括接种物年龄、粒径、固体负荷、混合强度、气液传质、pH、缓冲容量、氮源和痕量金属[40,46]。由于真菌生长涉及附着在颗粒上的菌丝体，过度的剪切力可能...

生物安全、containment和环境责任
厌氧肠道真菌通常不被讨论为病原体，但生物技术需要更广泛的生物安全视角。风险包括非本土菌株的意外释放、移动遗传元件的转移、孢子或抗性阶段的存活、来自非预期产甲烷共生体的甲烷排放以及产品中瘤胃衍生生物的污染[41,64,65]。因此，过程设计应使用定义的菌株、封闭式厌氧设备、经验证的灭菌、废物处理...

转化路线图和研究优先事项
转化路线图应通过四个相互连接的阶段进行。第一阶段是跨宿主动物、饮食和地区的菌株和酶发现，具有标准化的元数据和基因组质量控制。第二阶段是在现实底物和固体负荷下的功能筛选。第三阶段是定量碳和电子平衡的共生体开发。第四阶段是技术经济、生命周期和生物安全...支持的试运行验证。

结论
厌氧肠道真菌代表了一类强大但尚未开发的木质纤维素转化生物催化剂。其价值在于侵入性生长、模块化酶系统、真菌纤维素酶体和共生代谢的整合。这些特性使它们在纤维质残渣的低强度加工中具有吸引力，特别是当优先考虑湿态原料和循环生物精炼目标时。主要障碍既是概念性的也是实际性的：围绕未解决的问题...

CRediT作者贡献声明
Aziz Ullah：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。Atif Ali Khan Khalil：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Sajid Ali：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，监督，调查，数据...

数据可用性
未生成或分析新的数据集。讨论的所有信息均可在引用的文献中找到。

资金
作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、拨款或其他支持。

利益冲突
作者没有相关的财务或非财务利益需要披露。

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