探秘毛霉门真菌：解锁同时糖化发酵制备二代生物燃料的新密码

为解决毛霉门真菌用于木质纤维素同时糖化发酵（SSF）的菌株筛选问题，多国研究人员评估了相关菌株。结果显示 Lichtheimia corymbifera 最适宜。该研究为脂质衍生二代生物燃料生产筛选菌株提供依据，值得科研人员一读。

　　

在生物能源的广阔天地里，科学家们一直在寻找更高效、更环保的能源生产方式。单细胞油（Single-cell oils，SCOs）作为一种潜在的生物能源原料，吸引了众多研究者的目光。它是在产油微生物细胞内积累的脂质，大多以三酰甘油（triacylglycerols，TGAs）的形式存在。一些产油微生物积累的脂质甚至能达到自身干重的 80%，这可是相当惊人的比例！在众多产油微生物中，毛霉门（Mucoromycota）真菌脱颖而出，它们生长速度快，能利用多种底物，还能同时生产其他有价值的化合物，比如胡萝卜素、有机酸以及像几丁质和壳聚糖这样的氨基多糖，简直就是微生物界的 “多面手”。

然而，将毛霉门真菌用于实际的生物炼制过程并非一帆风顺。在利用木质纤维素生物质生产第二代生物燃料时，需要把木质纤维素转化为可发酵的糖类，再进一步转化为生物燃料。这个过程中，同时糖化发酵（simultaneous saccharification and fermentation，SSF）技术备受关注，它能将酶水解和发酵过程整合在同一步骤中，简化了流程，还降低了成本。但是，毛霉门真菌缺乏高效降解木质纤维素的完整酶系统，例如它们缺少纤维二糖水解酶，这就像战士上战场却少了一件关键武器，严重阻碍了它们对纤维素的降解效率。而且，纤维素酶的最佳活性条件（50°C 和 pH 4.5 - 5.5）与微生物生长的最佳条件（25 - 30°C，pH 6.0 - 7.0）相差甚远，这就好比两个小伙伴想去不同的地方玩耍，很难协调一致。此外，商业酶的使用成本高昂，占 SSF 生产乙醇运营成本的 28%，这也给大规模应用带来了经济压力。

为了解决这些难题，研究人员们开始了一场 “探索之旅”。来自多个研究机构的科研人员对毛霉门真菌用于 SSF 的适用性展开了深入研究，并在《Biotechnology for Biofuels》期刊上发表了题为 “Evaluation of Mucoromycota species for lignocellulose - based simultaneous saccharification and fermentation” 的论文。他们通过一系列实验，找到了一些关键的特性，为筛选适合 SSF 的毛霉门真菌提供了重要依据。这一研究成果意义重大，为未来利用脂质生产第二代生物燃料的微生物筛选指明了方向，就像在黑暗中为生物能源的发展点亮了一盏明灯。

在这场探索中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们首先通过测量不同温度下真菌菌落直径的生长情况，来确定菌株的耐热范围；接着，使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（FT - Raman）技术，分析不同温度下真菌生物质的组成变化；此外，还利用酶活性检测方法，评估菌株在纤维二糖和纤维素存在时的纤维素酶诱导情况。这些技术就像科研人员手中的 “魔法工具”，帮助他们揭开了毛霉门真菌在 SSF 过程中的神秘面纱。

下面让我们一起看看研究人员在这场 “探索之旅” 中都有哪些重要发现吧！

耐热范围大揭秘

研究人员挑选了 9 种属于 8 个不同物种的毛霉门真菌菌株进行研究。他们把这些菌株放在不同温度的环境中培养，观察它们的生长情况。结果发现，这些菌株在不同温度下的生长速度大不相同。就像每个小朋友都有自己喜欢的活动温度一样，不同的菌株也有各自的最佳生长温度。比如，匍枝根霉（Rhizopus stolonifer，RS）在 25°C 时生长速度最快，每小时菌落直径能增长 2.4 毫米；而伞枝犁头霉（Absidia glauca，AG）和透明被孢霉（Mortierella hyalina，MH）则更喜欢 20°C 的环境。

从适合 SSF 的角度来看，伞状犁头霉（Lichtheimia corymbifera，LC）表现得最为出色。它就像一个 “耐热小能手”，能在 20°C - 45°C 甚至 50°C 的温度范围内生长，而且这个温度范围与酶水解的最佳温度（50°C）比较接近。不过，考虑到实际情况，实验中 LC 菌株的培养温度最好控制在 40 - 45°C，因为在这个温度区间，虽然纤维素酶的活性不是最高的，但酶的热失活较低，能保持较长时间的活性，最终的水解产量反而可能更高。此外，高大毛霉（Cunninghamella blakesleeana，CB）和卷枝毛霉（Mucor circinelloides，MC）等菌株在 35 - 37°C 左右的温度下也能生长良好，这也是 SSF 生产乙醇时常用的温度范围。而像 AG、高山被孢霉（Mortierella alpina，MA）和葡酒色被孢霉（Umbelopsis vinacea，UV）等菌株，它们的生长温度比较低，分别只能在 30°C 和 25°C 左右培养，这使得它们在 SSF 过程中不太实用，不过研究人员也提出，可以尝试一些其他策略，比如先在纤维素酶的最佳温度下进行短时间的预水解，然后再在较低的温度下进行接种和发酵。

温度对真菌生物质组成的奇妙影响

温度不仅影响真菌的生长速度，还会改变它们的 “内在组成”。研究人员利用 FTIR 和拉曼光谱这两种 “魔法工具”，对不同温度下培养的真菌生物质进行了分析。

FTIR 光谱分析结果显示，不同菌株的生物质组成差异很大。比如，被孢霉属（Mortierella）的物种（MH 和 MA）与其他菌株相比，生物质组成就非常不同。尽管它们生长速度较慢，但积累脂质的能力却很强，这可能是因为它们的产孢能力较弱，营养和能量都没有被用于产孢，而是都 “储存” 在了营养菌丝中，用来积累脂质。同时，研究人员还发现，随着温度的变化，不同菌株的生物质组成也会发生改变。例如，匍枝根霉（RS）在 20 - 30°C 时，蛋白质含量会随着温度升高而增加；而 AG 和 CB 则相反，它们的多糖含量会增加，蛋白质含量会减少。

拉曼光谱分析则为研究提供了更有趣的发现。一些毛霉门真菌，如卷枝毛霉（M. circinelloides），能够积累大量的胡萝卜素。研究人员发现，随着生长温度的升高，与胡萝卜素相关的信号强度会增加，这表明胡萝卜素的产量在上升。而且，在两个卷枝毛霉菌株中，MC 菌株比 MCVI 菌株更擅长生产胡萝卜素，这也与之前的研究结果一致。不过，研究人员也提到，这种温度对胡萝卜素产量的影响，可能不仅仅是温度本身的作用，还可能与气生菌丝的发育以及与空气界面的接触有关，就像植物在不同环境下会有不同的生长表现一样。

温度对脂质谱的独特作用

由于研究的重点是利用毛霉门真菌生产脂质来制备生物燃料，所以研究人员对温度如何影响脂质谱进行了更深入的研究。

他们发现，不同菌株的脂质不饱和度和积累量与温度之间的关系非常复杂，没有普遍的规律，具有很强的物种特异性。例如，高山被孢霉（M. alpina）和透明被孢霉（M. hyalina）以生产 C20 多不饱和脂肪酸而闻名，所以它们的不饱和比率最高；而伞枝犁头霉（A. glauca）和匍枝根霉（R. stolonifer）的不饱和比率则最低。特别值得一提的是伞状犁头霉（L. corymbifera），随着温度升高，它的不饱和度会逐渐降低。这对于生物柴油生产来说是个好消息，因为在 SSF 过程中，在较高温度下培养 L. corymbifera，不仅可以提高水解效率，而且生产出来的油用于生物柴油时，特性会更加优良。另外，两个卷枝毛霉菌株在 35°C 时，不饱和度也会显著下降；而葡酒色被孢霉（U. vinacea）和高大毛霉（C. blakesleeana）在 20 - 30°C 时，不饱和度几乎没有变化，C. blakesleeana 在 35°C 时，不饱和度才略有下降。

纤维二糖和纤维素对纤维素酶的诱导作用

研究人员还研究了纤维二糖和纤维素对毛霉门真菌纤维素酶的诱导作用。他们分别用含有纤维二糖和纤维素的培养基来培养这些菌株，观察它们的生长和酶活性变化。

在纤维二糖培养基中，大多数菌株都能生长良好，但高山被孢霉（M. alpina）和透明被孢霉（M. hyalina）却 “水土不服”，怎么都长不好。这可能是因为它们缺乏代谢纤维二糖的 “工具”，无法吸收利用这种物质。有趣的是，几乎所有能够生长的菌株，在细胞外 β - 葡萄糖苷酶表达之前，就已经开始生长了，这说明它们可以通过膜转运蛋白吸收纤维二糖，并在细胞内进行加工。在这些菌株中，高大毛霉（C. blakesleeana）、匍枝根霉（R. stolonifer）和伞状犁头霉（L. corymbifera）的 β - 葡萄糖苷酶活性较高。而且，R. stolonifer、M. circinelloides 和 L. corymbifera 这几种菌株在纤维二糖的刺激下，不仅 β - 葡萄糖苷酶表达，内切葡聚糖酶也会表达，这可能与它们在自然界中的生存环境有关，这些酶可以帮助它们更好地侵染植物，获取营养。

在纤维素培养基中，除了 M. hyalina 和 U. vinacea，其他菌株都能检测到细胞外蛋白质。β - 葡萄糖苷酶活性在多数菌株中都能检测到，但 M. alpina、M. hyalina 和 U. vinacea 却没有。内切葡聚糖酶活性则只在 R. stolonifer 中检测到，不过这些酶活性的值都比在纤维二糖培养基中的实验结果要低。

总的来说，这项研究对毛霉门真菌用于 SSF 的关键特性进行了全面分析。研究发现，伞状犁头霉（L. corymbifera）是最适合 SSF 的菌株，它就像一个 “全能选手”，在耐热性、对纤维二糖的利用以及纤维素酶的诱导表达等方面都表现出色。FTIR 和拉曼光谱技术为研究提供了丰富的信息，让我们更深入地了解了真菌生物质的组成变化。此外，研究还发现了匍枝根霉（R. stolonifer）的一些特性，这些特性与它能够快速侵染和破坏水果、蔬菜等食物的能力密切相关，也从侧面反映了微生物在不同环境下的适应性和生存策略。

这项研究成果为未来利用毛霉门真菌进行 SSF 生产第二代生物燃料奠定了坚实的基础，为生物能源领域的发展开辟了新的道路。它不仅帮助我们找到了更合适的微生物菌株，还让我们对微生物与环境之间的相互作用有了更深入的认识，就像打开了一扇通往生物能源新世界的大门，让我们看到了未来生物能源发展的更多可能性。相信在未来，随着研究的不断深入，我们能够更好地利用这些微生物，实现生物能源的高效、可持续生产，为解决全球能源问题贡献一份重要的力量。