木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源。然而，木质纤维素结构复杂难以被微生物直接作为碳源发酵利用。因此需要通过预处理的方法将木质纤维素转化为可发酵利用的糖。但是，预处理不仅会产生可利用的还原糖还会产生一些抑制物，如木质素衍生的芳香族化合物、呋喃醛和低分子量有机酸。这些抑制物阻碍了从预处理的木质纤维素生物质中工业化生产生化学品的过程。预处理木质纤维素水解液的脱毒可以通过不同的方法实现，生物脱毒具有反应条件温和、淡水消耗低、废水产生量小、能耗低等优点，被认为是具有前景是脱毒方式。

 

2024年8月，BioDesign Research 在线发表了南京工业大学姜岷/信丰学团队完成的题为“Biodetoxification of Lignocellulose Hydrolysate for Direct Use in Succinic Acid Production”的研究文章。研究团队基于分离得到的多种酚类和呋喃醛抑制物降解食醚红球菌，通过强化丁香醛降解能力进一步提高其对木质纤维素水解液的脱毒能力，并将该菌株应用于秸秆水解液的脱毒，实现了秸秆水解液直接用于发酵生产丁二酸。

 

基于课题组分离得到的木质素降解食醚红球菌，首先探究了其降解木质素衍生酚类化合物和呋喃醛的降解能力，发现食醚红球菌具有优异的木质素衍生酚类化合物和呋喃醛的降解能力（图1）。

 

 

图1 食醚红球菌N1对木质素衍生芳香化合物和呋喃醛类的降解。A、 菌株N1对七种化合物（从左到右：芥子酸盐、丁香醛、松柏醇、阿魏酸盐、对羟基苯甲酸盐、对香豆酸盐、糠醛和5-羟甲基糠醛）的降解速率。B、C、D、E和F，菌株N1分别利用丁香醛、阿魏酸、对香豆酸、糠醛和5-羟甲基糠醛作为唯一碳源生长。G、H、I和J，菌株N1降解不同浓度对香豆酸、阿魏酸、糠醛和5-羟甲基糠醛。

 

通过基因组分析结合液相质谱检测，解析了食醚红球菌代谢芳香化合物的能力，并通过外源基因脱甲基酶（DesA）和3,4-双加氧酶（DesZ）的导入，实现菌株N1降解丁香醛的能力强化（图2）。

 

图2 构建丁香醛降解能力强化的食醚红球菌N1-S。A、 构建表达载体。B、菌株N1-S降解丁香醛的代谢途径。C、菌株N1和N1-S降解丁香醛。

 

重组菌株N1-S能够有效降解玉米芯水解液中的抑制物（图3）。96小时后，水解产物中酚类化合物的去除率达到45.8%，同时消耗了9.4 g/L的还原糖（初始还原糖浓度为36.8 g/L）。144小时后，水解产物中酚类化合物的去除率达到71.5%，同时消耗了14.3g/L的还原糖。在此期间，重组菌株N1-S的OD600从2.1增加到10.7。HPLC分析表明，重组菌株N1-S完全降解了对羟基苯甲酸、对香豆酸、阿魏酸和丁香酸，只留下29%的香草醛。此外，糠醛和5-羟甲基糠醛的降解率分别达到80.5%和50.7%。上述结果表明，重组菌株N1-S不仅能有效降解酚类化合物，还能降解糠醛和5-羟甲基糠醛等呋喃醛。

 

图3 食醚红球菌脱毒玉米芯水解液。A、玉米芯水解物的成分。B、 非脱毒和脱毒玉米芯水解物中抑制剂的高效液相色谱检测。C、 使用不同浓度混合抑制物体系（糠醛：5-羟甲基糠醛：对羟基苯甲酸：香草醛：丁香醛：阿魏酸：对香豆酸=271:505:16:68:50:102:147，基于水解产物中检测到的酚类化合物的组成和比例）作为重组菌株N1-S生长的唯一碳源。D、菌株N1-S降解2 g/L混合酚类化合物。E、重组菌株N1-S对玉米芯水解物解毒。

 

为了验证重组菌株N1-S脱毒的玉米芯水解液的能力，研究团队将脱毒的水解液用作大肠杆菌suc260生产琥珀酸的碳源（图4）。研究发现，大肠杆菌suc260能够利用脱毒水解液进行丁二酸的发酵， 72小时后，消耗了30 g/L的还原糖，产生了10.5 g/L的丁二酸，而以未脱毒的玉米芯水解物为底物，72小时后，仅消耗了13g/L的还原糖，仅产生了4g/L的丁二酸。此外，外源补加30g/L葡萄糖发酵的情况下，脱毒水解液的丁二酸产量增加到35.3g/L，是未脱毒水解物产量的6.5倍（5.4g/L）。上述结果表明，未脱毒的水解液中的酚类化合物强烈抑制了菌株suc260合成丁二酸能力，而重组菌株N1-S有效地从木质纤维素水解液中去除了酚类化合物和呋喃醛化合物，解除菌株suc260的代谢抑制，实现水解产物中丁二酸的有效合成。

 

图4 A和B，分别用大肠杆菌suc260发酵未脱毒和菌株N1-S脱毒的玉米芯水解液生产丁二酸。C和D，分别用大肠杆菌suc260发酵未脱毒和菌株N1-S脱毒的玉米芯水解液生产丁二酸，发酵60小时后外源添加30g/L葡萄糖。

 

在这项研究中，分离得到的食醚红球菌N1能够降解多种木质纤维素水解液中的抑制物。此外，构建了株脱毒能够强化的菌株N1-S，该菌株能够有效去除水解液中的抑制物，实现了大肠杆菌suc260直接利用食醚红球菌脱毒的木质纤维素水解液生产丁二酸，产量产量达到35.3g/L，是使用未脱毒水解物发酵产量的6.5倍。本研究为木质纤维素水解液的生物脱毒提供了菌株资源。