随着全球对可持续生物燃料的追求不断加强，木质纤维素生物质因其丰富性和可再生性而成为生物燃料和生物化学品的首选。这种来自植物材料的生物质有望成为生物燃料生产的原料。然而，分解木质纤维素所需的预处理过程通常会产生有毒副产品，如木质素衍生的酚类化合物和呋喃醛。

这些副产品会严重抑制微生物发酵，而微生物发酵是生物燃料生产的关键步骤，从而降低整体效率。有效去除这些副产品的毒性对于优化转化过程和使木质纤维素生物质成为化石燃料的可行替代品至关重要。

为了应对副产品毒性的挑战，中国南京工业大学的研究人员开展了一项研究，重点研究两种微生物菌株——食乙醚红球菌菌株 N1 及其转基因变体菌株 N1-S 的潜力。

该研究于 2024 年 8 月 15 日发表在《生物设计研究》上，研究了这些菌株对木质纤维素衍生物中存在的有害化合物进行解毒的能力及其对有价值的生物燃料前体琥珀酸生产的后续影响。通过评估它们的解毒能力，该研究旨在解决目前解毒方法的局限性并提高生物燃料的生产效率。

这项研究采用了一种多方面的方法，包括实验室实验来测试菌株 N1 和 N1-S 的降解能力。正在分析菌株 N1 在受控条件下降解一系列有毒化合物的能力。正在绘制这些降解过程中涉及的代谢途径，以了解这些微生物如何处理不同的副产品。

此外，N1-S 菌株正在接受评估，这是一种经过基因改造的菌株，专门用于增强丁香醛的降解，而丁香醛是一种难以被天然存在的 N1 菌株处理的化合物。这两种菌株都使用从稀酸预处理中获得的玉米芯衍生物进行测试，模拟现实世界中的木质纤维素生物质加工场景。

这项研究的资深作者张文明教授表示：“研究结果表明，菌株 N1 表现出强大的降解能力，在 24 小时内有效分解了几种关键的木质素衍生化合物，即对羟基苯甲酸、对香豆酸、阿魏酸和糠醛。它还部分降解了香兰素、松柏醇、丁香醛和 5-羟甲基糠醛，降解率在 59% 到 84% 之间。”尽管菌株 N1 总体上有效，但它降解芥子酸的能力有限。

张教授进一步补充道：“相比之下，工程菌株 N1-S 表现出显著增强的降解丁香醛及其副产物的能力，有效地克服了天然菌株面临的局限性。”这一改进凸显了菌株工程在解决木质纤维素生物质加工中特定解毒挑战方面的潜力。

这些发现对于缓解丁香酸积累引起的酶抑制至关重要，这是木质纤维素生物质加工中的常见挑战。菌株 N1-S 的解毒效率在成功将玉米芯衍生物中的有毒酚类化合物和呋喃醛减少 50% 至 80% 时得到了进一步的强调。这种解毒衍生物随后被大肠杆菌 suc260 用作生产琥珀酸的底物，产量为 35.3 g/l 琥珀酸，比未解毒衍生物的产量高出 6.5 倍。

菌株 N1 的出色降解能力和菌株 N1-S 的增强性能凸显了它们在生物燃料生产中的实际潜力。菌株 N1-S 在解毒木质纤维素衍生物和显著提高琥珀酸产量方面取得的成功表明了其在推进生物燃料技术方面发挥的宝贵作用。通过提高解毒效率和增加生物燃料前体的产量，菌株 N1-S 代表了传统方法的重大进步。

“我们的研究突出了扩大 N1-S 菌株在工业应用中的潜力，为生物质加工提供了一种更高效、更经济的方法。N1-S 菌株增强的降解能力可以显著改善生物质加工技术，使其更适合大规模应用，”辛峰学教授分享道。

这些发现有可能改变可再生能源技术，扩大其在各种生物技术过程中的应用，并有助于可持续能源解决方案的发展。

总之，这项研究证明了 R. aetherivorans 菌株 N1 及其基因工程变体 N1-S 在解决木质纤维素生物质加工中的重大挑战方面的有效性。此外，N1-S 菌株能够降解多种有毒化合物并显著提高琥珀酸产量，使其成为推进可持续生物燃料技术的关键工具。

这项研究的成果可以为未来优化微生物菌株利用木质纤维素的研究铺平道路，从而有可能带来更高效、更具成本效益的生物燃料生产方法。

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