驯化天然菌群提升短链羧酸产量：聚焦固形物含量与菌群协同作用

　　针对木质纤维素生物质转化效率低的问题，研究人员通过驯化秸秆降解菌群(SDM)和产酸菌群(APM)，优化5 wt%固形物(TS)条件下的厌氧发酵(AF)体系，使短链羧酸(SCCAs)产量提升至186.46 mg/g TS，关键基因pta/ack/ldh丰度增加揭示了高效转化机制，为生物精炼提供了新策略。

　　

在全球每年产生约2000亿吨木质纤维素生物质(LCB)的背景下，如何高效转化这类可再生资源成为研究热点。尽管木质纤维素整合生物加工(CBP)技术能整合酶生产、糖化和发酵过程，但其转化效率仍受限于复杂的结构和低效的微生物功能。更棘手的是，传统方法依赖外源微生物添加，导致成本高昂，且高固形物含量(TS)会抑制传质效率。这些问题严重制约了短链羧酸(SCCAs)的工业化生产——这类包含挥发性脂肪酸(VFAs)和乳酸(LA)的代谢中间体，正是生产生物聚合物(PHB/PHV)和碳链延伸的关键原料。

针对这些挑战，郑州大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表研究，创新性地通过定向驯化天然菌群，构建了高效协同的秸秆降解菌群(SDM)和产酸菌群(APM)。研究人员从猪粪沼液(PB)、牛粪沼液(CB)等五种自然样本出发，采用逐步富集法进行8代驯化：SDM菌群以滤纸降解时间为筛选标准，最终从池塘污泥(PS)中获得降解效率提升3倍的菌群；APM菌群则通过监测SCCAs产量，从沼液(BS)中筛选出乳酸产量占53.73%的优势菌群。通过16S高通量测序和KEGG通路分析，结合HPLC检测技术，系统评估了不同TS含量(5%-15%)和接种方式对发酵效率的影响。

3.1 天然菌群驯化
PS来源的SDM菌群使还原糖产量达313.37 mg/L，降解时间从6天缩短至3天；BS来源的APM菌群则展现最高酸产量(39.4 g/L)，关键基因ldh丰度提升24%。

3.2 秸秆厌氧发酵性能
在5 wt% TS条件下，SDM+APM同步接种组第7天SCCAs产量达186.46 mg/g TS，较对照组提升52.6%。乳酸含量峰值4.32 g/L，占总量53.73%，且纤维素/半纤维素降解率提升至85.55%。

3.3 菌群特征解析
Enterococcaceae(92.7%)和Lactobacillaceae(97.9%)成为优势菌属，其代谢通路中pta/ack基因丰度分别增加4%和36%，显著促进乙酰-CoA转化；碳水化合物代谢通路富集度提升0.24%，印证了驯化菌群的协同增效机制。

该研究通过微生物定向驯化策略，首次实现了无需外源菌添加的高效生物质转化。特别值得注意的是，5 wt% TS的优化条件既避免了高固形物的传质限制，又使乳酸成为主要产物——这对PHB等生物塑料生产具有特殊价值。研究揭示的pta-ack-ldh基因网络调控机制，为后续合成生物学改造提供了明确靶点。这种低成本、高稳定性的菌群构建方法，为木质纤维素生物精炼的工业化应用开辟了新路径。