Microorganisms：瘤胃厌氧真菌与产甲烷菌互作及其在利用木质纤维素底物生产沼气中的生物技术潜力

消化道微生物团队近期在《Microorganisms》期刊上发表了一篇题为“Interactions between Anaerobic Fungi and Methanogens in the Rumen and Their Biotechnological Potential in Biogas Production from Lignocellulosic Materials”的综述，李与琦博士为第一作者，成艳芬教授为通讯作者。这项研究得到了国家自然科学基金（32061143034，31772627）、国际杰青计划（Myanmar-19-009）、“一带一路”创新人才交流计划（DL20200010004）的资助。

草食动物消化道中的厌氧真菌是瘤胃内降解粗纤维的一类重要微生物。它们利用独特的假根结构和丰富的纤维降解酶降解木质纤维素，产生H2、CO2、甲酸、乳酸、乙酸和乙醇等代谢产物。瘤胃中的产甲烷菌利用其中的一些代谢产物如H2和甲酸来产生甲烷。研究厌氧真菌与产甲烷菌之间的相互作用有助于了解瘤胃内微生物之间的相互作用。最近几十年的研究表明，厌氧真菌可以促进产甲烷菌的生长，维持产甲烷菌的多样性。同时，产甲烷菌可以提高厌氧真菌的纤维降解能力，增强真菌氢体的代谢能力。研究厌氧真菌与产甲烷菌共培养降解粗纤维和产甲烷的能力可能是降解木质纤维素和产甲烷的一种有价值的方法。

产甲烷菌和厌氧真菌在体外可以形成稳定的共培养体系，瘤胃中的甲烷短杆菌属是典型的氢营养型产甲烷菌，主要利用H2或甲酸还原CO2来产生甲烷。在甲烷短杆菌和厌氧真菌共培养体系中，几乎没有观察到H2的积累，而在纯厌氧真菌培养物中有大量的H2积累，表明厌氧真菌代谢产物H2和甲酸能被产甲烷菌迅速利用，减少了H2产物的反馈抑制，促进了碳源流向氢体，增强了厌氧真菌氢体的代谢途径。因此，通过提高氢体的代谢能力，可以显著改善厌氧真菌降解木质纤维素生物量和产甲烷的能力。研究还发现，产甲烷菌与厌氧真菌共培养导致厌氧真菌中多个碳水化合物活性酶家族的表达上调，提高了它们感知和处理碳水化合物的能力。共培养中碳水化合物活性酶家族的表达上调证明，未来将厌氧真菌作为生物质降解和产沼气平台的努力很可能受益于利用这两种微生物之间的协同作用。厌氧真菌与产甲烷菌关系密切的主要原因可能是产甲烷菌能够高效利用厌氧真菌产生的物质。当产甲烷菌利用厌氧真菌产生的H2时，厌氧真菌代谢产物发生变化，解除了H2对氢体的抑制作用，从而催化更多的NADPH产生H2。因此，更多的碳水化合物通过这种途径代谢进入氢体，产生乙酸和ATP。然而，乳酸和乙醇的生成需要NADPH的参与，因此，乳酸和乙醇的生成受到抑制。在共培养实验中观察到甲酸的积累很少，随着乳酸浓度的降低，乙酸的浓度增加。当厌氧真菌受到抑制，系统中加入H2和CO2或甲酸时，产甲烷菌无法生长，说明厌氧真菌为产甲烷菌生长提供了必需的营养物质。综上所述，厌氧真菌与产甲烷菌之间存在着明确的关系，尽管两者相互作用的机制还有待于进一步的研究。

近年来，厌氧真菌对天然木质纤维素材料的降解表现出巨大的潜力。由于真菌细胞代谢途径的改变，厌氧真菌与产甲烷菌共培养可显著提高纤维素酶的活性和木质纤维素的消化率。分离的厌氧真菌与产甲烷菌共培养表现出相互依存、互为因果的关系，其可以通过替代化学或物理预处理来降低能耗，提高产甲烷效率，从而带来广泛的效益。研究共培养降解木质纤维素和甲烷转化可能有助于缓解目前对不可再生矿物燃料的依赖和全球能源短缺问题。然而，对于厌氧真菌和产甲烷菌共培养的发酵原料选择和生长行为还需要更多的研究，例如，木质纤维素与低值废弃物混合产生甲烷的最佳比例以及如何适应更广泛的温度和pH值以提高H2转化为CH4的效率等。加强这些研究将为木质纤维素的开发及其在大规模工业化生产甲烷中的应用提供新的信息。

文章来源：Li Yuqi, Meng Zhenxiang, Xu Yao, Shi Qicheng, Ma Yuping, Aung Min, Cheng Yanfen, Zhu Weiyun. Interactions between Anaerobic Fungi and Methanogens in the Rumen and Their Biotechnological Potential in Biogas Production from Lignocellulosic Materials.[J]. Microorganisms, 2021, 9(1):