林业废弃物（FW）作为一种可再生资源，其复杂的木质纤维素结构给高效利用带来了挑战，因此需要有效的预处理工艺。本研究开发并优化了一种固态混合微生物剂（SMMA），采用响应面法（RSM）以提高FW的生物预处理效率。与传统的物理处理方法相比，SMMA显著提高了纤维素、半纤维素和木质素的降解率，分别增加了62.96%、42.88%和52.00%。与化学预处理方法相比，SMMA也表现出较高的降解效率，纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别提高了31.49%、28.59%和36.03%。此外，SMMA还促进了有价值代谢产物的生成，如葡萄糖和香草酸。微生物群落和代谢组学分析揭示了预处理过程中关键的微生物变化和代谢通路的激活。这些发现表明，SMMA作为一种有效的、环境可持续的木质纤维素生物质预处理策略，非常适合用于生物能源应用。
林业废弃物包括木屑、树皮、树叶和锯末等，是伐木和森林管理活动中产生的丰富可再生资源（Zhou et al., 2024; Dominik et al., 2022）。这些残留物通常由35–50%的纤维素、20–35%的半纤维素和15–30%的木质素组成，这些成分共同构成了一个高度顽固的生物聚合物基质，限制了酶的可及性和阻碍了高效的资源转化（Wang et al., 2021）。尽管这些废弃物有潜力转化为高价值产品，如生物燃料、生物塑料和平台化学品，但木质纤维素的结构复杂性仍然是生物降解和转化的主要障碍（Nicolás et al., 2021; Pinheiro et al., 2022; Yang et al., 2021）。为了解决这一问题，已经探索了多种预处理策略，包括物理（粉碎、超声波）、化学（酸/碱、溶剂）和生物（酶处理、微生物接种）方法（Juhi et al., 2022; Zou et al., 2024; Pedram et al., 2024）。虽然这些方法可以提高生物降解性和转化效率，但化学和物理处理通常需要高能耗或产生抑制性副产物（Liao et al., 2024; Gao et al., 2022; Tamilselvan & Immanuel, 2024）。相比之下，微生物预处理提供了一种绿色替代方案，依赖于自然进化而来的酶系统，选择性地分解木质纤维素（Le et al., 2024; Safoora et al., 2021）。近年来，微生物降解木质纤维素的研究突显了细菌如芽孢杆菌、梭菌和纤维单胞菌，以及真菌如木霉菌和白腐菌在实现环保且高效的生物质转化方面的潜力（Zhao et al., 2024; Chen et al., 2024; Feng et al., 2024）。
在此背景下，SMMA相较于传统的预处理方法展现出独特的优势。SMMA在预处理过程中促进了微生物活性，加快了有机物的分解。引入针对性的微生物剂丰富了微生物群落的多样性，并促进了功能相互作用，有助于发展更广泛的酶系统，选择性地将废弃物转化为有价值的可再生资源（Ji et al., 2023）。此外，SMMA提高了木质素、纤维素和半纤维素的降解率，并增强了氮的利用效率，从而减少了转化时间，促进了资源的再利用。固态微生物剂的制备有利于大规模生产，并且即使在长期储存后仍能保持高效率，使其成为一种有效的技术方法用于林业废弃物的利用（Rajesh et al., 2019）。
本研究中，我们开发了一种SMMA，其将多种纤维素降解菌和木质素降解菌整合在一个固态载体基质中。与富集培养，即依赖于自然选择的微生物群落，或人工共培养，即在受控条件下结合有限数量的菌株不同，SMMA提供了一种稳定且耐储存的配方，支持长期存活和协同酶活性。这里的“针对性微生物”并不指单一菌株，而是指功能互补的细菌和真菌群体，它们在木质纤维素解聚过程中通过生物化学方式协同作用。为了优化SMMA的制备条件和预处理参数，我们应用了响应面法（RSM），这是一种统计工具，能够系统地评估多个因素及其相互作用。具体而言，我们采用了Box–Behnken设计，因其在减少实验次数的同时确保对最优条件的准确预测方面具有高效性。本工作的创新之处在于建立了一个可扩展、环保的微生物预处理平台，其在降解纤维素、半纤维素和木质素方面超越了传统的物理和化学方法，同时还能促进有价值中间产物的生成，如葡萄糖和香草酸。凭借其高降解效率、长储存期以及在生物沼气和生物乙醇生产链中的潜在整合，SMMA为可持续的林业废弃物资源化提供了有前景的工业应用。
SMMA的制备采用了秸秆粉、整粒玉米粉和小麦麸作为载体基质，这些材料均由黑龙江国宏节能与环保有限公司提供。用于SMMA制备的微生物菌株包括
Bacillus subtilis JC-1、
Bacillus licheniformis JC-27、
Bacillus amyloliquefaciens JC-18、
Trichoderma asperellum JC-13和
Phanerodontia chrysosporium JC-28，这些菌株均来自东北林业大学微生物发酵实验室，并在-80°C条件下进行低温保存。FW包括松木等，这些材料在预处理过程中作为目标基质，为微生物的生长和代谢提供了必要的营养和环境条件。
在培养混合细菌菌株的液体培养基中，含有20 g的葡萄糖、1 g的牛肉膏、5 g的蛋白胨、5 g的氯化钠和1 L的水。用于活菌计数的培养基则由20 g的葡萄糖、1 g的牛肉膏、5 g的蛋白胨、5 g的氯化钠、20 g的琼脂和1 L的蒸馏水组成。通过这些培养基，可以有效支持微生物的生长，并为后续的分析提供可靠的数据基础。在进行活菌计数时，取1 g的样品（精确至0.01 g）放入10 mL的试管中，并加入8 mL的无菌水。混合物在摇床上摇晃30分钟，以确保菌株均匀分散。随后，通过稀释法进行计数，以评估微生物的活菌数量和活性。
在绘制生长曲线时，如图S1所示，混合细菌培养物由
Bacillus subtilis JC-1、
Bacillus licheniformis JC-27、
Bacillus amyloliquefaciens JC-18、
Trichoderma asperellum JC-13和
Phanerochaete chrysosporium JC-28在液体培养基中共同培养而成。混合菌株在前0–42小时内经历了滞后期，随后进入对数生长期。随着培养时间的延长，生物量逐渐趋于稳定，之后开始下降，表明进入了稳定期和死亡期。生长曲线的绘制不仅有助于了解微生物的生长特性，还能为优化预处理条件提供重要参考。
本研究通过SMMA的开发和优化，为林业废弃物的预处理提供了一种可持续的替代方案。在优化后的SMMA制备条件下，纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到了66.67%、57.16%和60.11%，显著高于传统的物理和化学方法。此外，代谢组学分析显示，SMMA促进了有价值代谢产物的生成，如葡萄糖和香草酸，这些代谢产物在生物能源和生物产品应用中具有重要意义。观察到的这些变化不仅验证了SMMA在降解效率方面的优势，也表明其在资源转化过程中能够产生高附加值的产物。
本研究的结论表明，林业废弃物仍然是一个难以资源化的可再生资源，其复杂的木质纤维素结构成为转化的主要障碍。本研究展示了，通过响应面法优化的SMMA，能够提供一种高效且可持续的替代方案，用于传统的物理和化学预处理。在优化条件下，SMMA实现了纤维素、半纤维素和木质素的高降解率，同时促进了有价值代谢产物的生成。这些成果不仅为林业废弃物的高效利用提供了新的思路，也为绿色生物能源的发展提供了技术支持。通过进一步的研究和应用，SMMA有望在生物能源产业中发挥更大作用，推动可持续发展。
本研究的作者贡献声明显示，张生龙负责资源、项目管理、资金获取；刘建生负责资源、项目管理、资金获取；王欣雨负责软件、资源、方法论、调查；郭傲负责软件、资源、方法论、调查；谭丽负责软件、资源、方法论、调查；张智负责资源、项目管理、调查、资金获取；孙佳佳负责写作、审阅与编辑、写作原始稿、软件、方法论。这些分工体现了团队成员在研究过程中的协作与贡献，确保了研究的全面性和科学性。
本研究中未引用的参考文献包括Anderson和Willis（2003）、Abdelrazig等（2020）、Bosch等（2022）、Xueqing等（2024）、Parveen等（2025）、Zhaosong等（2023）、Kieran和Van Sinderen（2021）、Gupta等（2022）、Kumar等（2023）、Navarro-Reig等（2015）、Clauser等（2021）、Karimipour-Fard等（2024）、Rashid和Xiujin（2020）、Rasmussen等（2022）、Shikh Zahari等（2023）、Sun等（2024）、Yufei等（2020）、Shixin等（2024）、Zhu等（2021）、Qiaoqiao等（2024）、Binhan等（2024）、Zegang等（2024）。这些参考文献涵盖了近年来关于微生物降解木质纤维素、生物能源转化以及可持续资源利用的研究，为本研究提供了重要的理论基础和实验参考。
本研究的声明表明，作者们没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。这一声明确保了研究的公正性和可信度，为读者提供了透明的信息。同时，本研究得到了2021年黑龙江省“揭榜挂帅”科技研究项目的支持，项目编号为[2021ZXJ03B01]。这一资金支持为研究的顺利进行提供了保障，也体现了科研项目在推动可持续发展中的重要性。
综上所述，SMMA作为一种新型的生物预处理方法，具有显著的优势和应用潜力。其通过整合多种微生物，形成稳定的固态载体，能够有效提高废弃物的降解效率，并促进高附加值产物的生成。与传统的物理和化学预处理方法相比，SMMA不仅降低了能耗和环境污染，还提高了资源利用的可持续性。此外，SMMA的制备和储存条件使其适用于大规模工业应用，为生物能源和生物产品的开发提供了新的方向。通过进一步的优化和推广，SMMA有望成为林业废弃物资源化的重要手段，推动绿色经济的发展。
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