综述：利用丝状真菌整合微生物群落从木质纤维素生物合成生物基产品

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Biosynthesis of biobased products from lignocellulose using filamentous fungi-integrated microbial consortia

本综述系统总结了丝状真菌（Filamentous fungi）整合微生物群落（Microbial consortia）在木质纤维素（Lignocellulose）生物精炼中的应用进展。文章重点阐述了丝状真菌通过分泌纤维素酶（Cellulase）实现木质纤维素降解的关键作用，分析了真菌-真菌、真菌-酵母（如S. cerevisiae）、真菌-细菌（如E. coli）等群落构建策略，并探讨了模块化设计、空间分布调控及人工智能（AI）模型等先进技术在优化群落性能中的应用前景，为生物燃料（Biofuels）和平台化学品的绿色制造提供了新思路。

　　

引言

微生物群落凭借代谢协同、功能多样性及环境适应性等优势，在生物制造领域展现出巨大潜力。木质纤维素作为最具潜力的化石能源替代原料，其水解效率是限制生物转化的关键瓶颈。丝状真菌因其强大的纤维素酶分泌能力，成为构建降解木质纤维素的合成微生物群落的核心成员。

木质纤维素生物精炼中丝状真菌的重要作用

自然界中多种微生物可分泌植物多糖降解酶，其中丝状真菌以其完整的酶表达系统和独特的胞外蛋白分泌系统，成为工业纤维素酶制剂的主要生产者。例如里氏木霉（Trichoderma reesei）RUT-C30通过诱导策略可实现19.2 U/mL的纤维素酶活性。丝状真菌基因组编码的蛋白基因数量远超细菌和酵母，且具备在各类底物上生长的能力，使其能够弥补产物生产菌株生物质降解能力的不足。此外，丝状真菌对环境的高度适应性（如黑曲霉Aspergillus niger在高温液化水相中保持稳定降解能力）有助于维持群落的动态平衡。

用于生物基产品合成的丝状真菌整合微生物群落

丝状真菌-丝状真菌群落

混合培养可优化酶系组成，例如黑曲霉与米根霉（Rhizopus oryzae）固态发酵时多种酶活性提升25%。里氏木霉与黑曲霉协同降解纤维素时，酶解效率达89.35%。在统一生物加工（CBP）模式下，里氏木霉与戴尔根霉（Rhizopus delemar）以微晶纤维素（MCC）为底物可产6.87 g/L富马酸。

丝状真菌-酵母群落

此类群落分工明确，真菌负责糖化，酵母专注产物合成。例如米曲霉（Aspergillus oryzae）与产朊假丝酵母（Candida utilis）利用玉米薄酒糟生产4.5 g/L乙醇；里氏木霉与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）LGA-1可从蒸汽爆破玉米秸秆合成0.45 g/L葡萄糖二酸（Glucaric acid）。

丝状真菌-细菌群落

通过反应器设计解决好氧/厌氧需求矛盾，例如采用膜曝气生物反应器使里氏木霉与戊糖乳酸菌（Lactobacillus pentosus）、酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）协同转化纤维素产10.7 g/L丁酸。数学模型调控的里氏木霉-大肠杆菌（Escherichia coli）群落以玉米秸秆产1.88 g/L异丁醇。

丝状真菌整合微生物群落的构建策略

模块化设计

以白腐真菌KO77与丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）共培养为例，通过敲除真菌的丙酮酸脱羧酶基因使丁醇产量从2.5 g/L提升至3.2 g/L，印证了功能分工对产物合成的促进作用。

相互作用的理性设计

微生物间通过营养互补实现互惠共生，例如棘孢木霉（Trichoderma asperellum）HG1与枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）Tpb55共培养时，双方生长互促且抗卵菌化合物合成增强。

空间有序分布

利用水凝胶包埋乳酸菌并结合木霉附着供氧，构建分区微环境；膜生物反应器通过氧梯度调控实现里氏木霉-酿酒酵母-树干毕赤酵母（Scheffersomyces stipitis）三联群落以67%产率转化小麦秸秆产乙醇。

先进技术提升合成微生物群落性能

合成生物学工具如CRISPR-Cas9基因组编辑、启动子工程（如里氏木霉P_egl2启动子驱动xyr1基因表达使纤维素酶活性提高3.2倍）助力真菌底盘开发。人工智能（AI）模型与基因组尺度代谢模型（GEMs）为群落行为预测提供新方法，例如机器学习预测生物质气化合成气组分。

丝状真菌在合成微生物群落中应用的挑战与前景

当前群落构建多基于野生菌株简单共培养，菌丝网络物理挤压及营养竞争可能影响群落稳定性。未来需结合合成生物学与材料科学，开发工程化真菌底盘及定制化微环境，推动木质纤维素高值化生物制造走向规模化。

（注：全文严格依据原文内容缩编，未添加非原文信息）