中国农学通报 ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (1): 116-127.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0295
冯怡畅1(
), 江欣1, 孔心茹1, 王锐1, 董水博1, 纪立东2, 岳健敏1, 李昱龙1(
)
收稿日期:2025-04-14
修回日期:2025-09-09
出版日期:2026-01-15
发布日期:2026-01-15
通讯作者:
作者简介:冯怡畅,女,2000年出生,河北石家庄人,硕士,主要从事农业废弃物微生物处理方向研究。通信地址:750021 宁夏省银川市宁夏大学朔方校区,Tel:0951-2077800,E-mail:1317714539@qq.com。
基金资助:
FENG Yichang1(
), JIANG Xin1, KONG Xinru1, WANG Rui1, DONG Shuibo1, JI Lidong2, YUE Jianmin1, LI Yulong1(
)
Received:2025-04-14
Revised:2025-09-09
Published:2026-01-15
Online:2026-01-15
摘要:
农业高纤维废弃物的大量产生构成了重大的环境与资源挑战,其高效资源化利用亟需突破。本研究系统综述了农业高纤维废弃物的来源、性质及其生物与非生物降解技术的国内外研究进展,重点分析了微生物降解技术的作用机制、应用效果及面临的瓶颈。研究表明,生物降解技术因具有环境友好性和经济潜力,被广泛认为是最具前景的主流路径。分子生物学与合成生物学的结合(如基因编辑和工程菌构建),显著提升了降解酶的效能和产物转化率。当前仍面临预处理成本高昂、酶解效率波动性大以及工程菌规模化应用安全风险等关键瓶颈。未来研究应聚焦于研发低能耗的预处理联合技术,强化多学科交叉融合,并建立健全基因工程菌的生物安全评估体系,推动农业高纤维废弃物资源化利用的高效、安全与可持续发展。
冯怡畅, 江欣, 孔心茹, 王锐, 董水博, 纪立东, 岳健敏, 李昱龙. 农业高纤维废弃物降解技术及资源化利用研究进展[J]. 中国农学通报, 2026, 42(1): 116-127.
FENG Yichang, JIANG Xin, KONG Xinru, WANG Rui, DONG Shuibo, JI Lidong, YUE Jianmin, LI Yulong. Research Progress on Degradation Technology and Resource Utilization of Agricultural High-Fiber Waste[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2026, 42(1): 116-127.
| 利用 方式 | 酶 | 菌种/菌属 | 对菌株的要求 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 堆肥初期 | 堆肥中期 | 堆肥后期 | |||
| 堆肥 发酵 | 纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、 脂肪酶、淀粉酶、 过氧化物酶、 芳基硫酸酯酶、 脲酶、葡萄糖激酶 | 芽孢杆菌[ 假单胞菌属[ 甲基单胞菌属[ 固氮菌属[ 亚硝化单胞菌[ 非共生固氮螺菌等 | 如嗜热丝孢菌[ 脲杆菌[ 白腐真菌[ 喜热裂孢菌[ 嗜热链球菌[ | 假单胞菌[ 两面神菌属[ 甲基弯曲菌属[ 曲霉[ 体霉菌[ 蘑菇菌[ | 堆肥初期:耐氧、繁殖快、 有机物分解利用能力强; 堆肥中期:耐高温性,木质纤维素分解能力强、耐酸性强; 堆肥后期:较强的木质纤维素分解能力、稳定性、安全性、协同性 |
| 生物 饲料 | 纤维素酶、 半纤维素酶 | 乳酸菌:乳酸杆菌属[ | 安全性高(非致病性), 耐胃酸,快速生长, 高乳酸产量 | ||
| 芽孢杆菌:枯草芽孢杆菌[ | |||||
| 酵母菌:酿酒酵母[ | |||||
| 霉菌:黑曲霉[ | |||||
| 生物 燃料 | 纤维素酶、半纤维素酶、 果胶酶、蛋白酶、 脂肪酶、淀粉酶 | 水解性细菌:包括厌氧菌和兼性厌氧菌,如梭菌属[ | 耐酸耐高温, 高效率产甲烷, 耐毒性 | ||
| 产氢、产乙酸菌:Acetobacterium、Clostridium[ | |||||
| 产甲烷菌:甲烷杆菌[ | |||||
| 利用 方式 | 酶 | 菌种/菌属 | 对菌株的要求 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 堆肥初期 | 堆肥中期 | 堆肥后期 | |||
| 堆肥 发酵 | 纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、 脂肪酶、淀粉酶、 过氧化物酶、 芳基硫酸酯酶、 脲酶、葡萄糖激酶 | 芽孢杆菌[ 假单胞菌属[ 甲基单胞菌属[ 固氮菌属[ 亚硝化单胞菌[ 非共生固氮螺菌等 | 如嗜热丝孢菌[ 脲杆菌[ 白腐真菌[ 喜热裂孢菌[ 嗜热链球菌[ | 假单胞菌[ 两面神菌属[ 甲基弯曲菌属[ 曲霉[ 体霉菌[ 蘑菇菌[ | 堆肥初期:耐氧、繁殖快、 有机物分解利用能力强; 堆肥中期:耐高温性,木质纤维素分解能力强、耐酸性强; 堆肥后期:较强的木质纤维素分解能力、稳定性、安全性、协同性 |
| 生物 饲料 | 纤维素酶、 半纤维素酶 | 乳酸菌:乳酸杆菌属[ | 安全性高(非致病性), 耐胃酸,快速生长, 高乳酸产量 | ||
| 芽孢杆菌:枯草芽孢杆菌[ | |||||
| 酵母菌:酿酒酵母[ | |||||
| 霉菌:黑曲霉[ | |||||
| 生物 燃料 | 纤维素酶、半纤维素酶、 果胶酶、蛋白酶、 脂肪酶、淀粉酶 | 水解性细菌:包括厌氧菌和兼性厌氧菌,如梭菌属[ | 耐酸耐高温, 高效率产甲烷, 耐毒性 | ||
| 产氢、产乙酸菌:Acetobacterium、Clostridium[ | |||||
| 产甲烷菌:甲烷杆菌[ | |||||
| 应用方式 | 技术难点 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|---|
| CRISPR基因编辑 改良降解菌株 | 脱靶效应导致非目标基因突变;外源基因表达不稳定[ | 实现基因组多位点并行编辑(如启动子替换+分泌信号肽融合)[ | 基因编辑成本高;工业环境下菌株适应性差;基因组过度编辑可能引发细胞适应性进化;潜在生态风险 |
| 合成微生物群落 | 菌群互作稳定性差;环境扰动导致功能丧失;代谢副产物累积引发菌株间竞争[ | 多菌协同降解全组分(如纤维素+半纤维素);减少单一菌株代谢负担[ | 规模化培养难度大;潜在生态风险;多菌种共存导致下游产物分离纯化复杂度增加 |
| 多组学联合 解析降解网络 | 跨组学数据整合复杂[ | 揭示关键降解基因(如漆酶基因lac3);指导工艺优化(转化率+25%);发现跨界调控元件(如跨膜转运蛋白与转录因子互作网络) | 分析成本高;依赖高性能计算资源;稀有转录本(low-abundance transcripts)检测灵敏度不足 |
| 动态调控工程菌 (智能回路) | 感应元件灵敏度不足[ | 按需分泌所需酶(能耗降低30%);避免无效代谢产物积累;实现产物浓度反馈抑制(如丁酸浓度触发终止信号) | 电路设计复杂;工业环境干扰细胞内信号传递;复杂回路增加载体内源性代谢负担 |
| 宏基因组筛选 耐高温酶基因 | 基因功能注释不完整[ | 发现新型耐热酶;减少预处理能耗;发现多结构域融合酶(如纤维素结合模块+催化结构域) | 功能验证周期长;部分酶工业兼容性差;需配套开发热稳定性表达宿主 |
| 应用方式 | 技术难点 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|---|
| CRISPR基因编辑 改良降解菌株 | 脱靶效应导致非目标基因突变;外源基因表达不稳定[ | 实现基因组多位点并行编辑(如启动子替换+分泌信号肽融合)[ | 基因编辑成本高;工业环境下菌株适应性差;基因组过度编辑可能引发细胞适应性进化;潜在生态风险 |
| 合成微生物群落 | 菌群互作稳定性差;环境扰动导致功能丧失;代谢副产物累积引发菌株间竞争[ | 多菌协同降解全组分(如纤维素+半纤维素);减少单一菌株代谢负担[ | 规模化培养难度大;潜在生态风险;多菌种共存导致下游产物分离纯化复杂度增加 |
| 多组学联合 解析降解网络 | 跨组学数据整合复杂[ | 揭示关键降解基因(如漆酶基因lac3);指导工艺优化(转化率+25%);发现跨界调控元件(如跨膜转运蛋白与转录因子互作网络) | 分析成本高;依赖高性能计算资源;稀有转录本(low-abundance transcripts)检测灵敏度不足 |
| 动态调控工程菌 (智能回路) | 感应元件灵敏度不足[ | 按需分泌所需酶(能耗降低30%);避免无效代谢产物积累;实现产物浓度反馈抑制(如丁酸浓度触发终止信号) | 电路设计复杂;工业环境干扰细胞内信号传递;复杂回路增加载体内源性代谢负担 |
| 宏基因组筛选 耐高温酶基因 | 基因功能注释不完整[ | 发现新型耐热酶;减少预处理能耗;发现多结构域融合酶(如纤维素结合模块+催化结构域) | 功能验证周期长;部分酶工业兼容性差;需配套开发热稳定性表达宿主 |
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