全球每年产生的农作物秸秆量超过30亿吨[1]。其主要成分木质纤维素是最丰富的可再生生物质资源[2]。这种致密的聚合物网络由纤维素、半纤维素和木质素组成[3]，使得秸秆难以降解。因此，高效降解和资源利用对于减轻环境污染和促进可持续发展至关重要。因此，微生物降解因其环保性、温和的操作条件、无污染和低成本而成为研究热点[4],[5]。与单一菌株相比，复合微生物菌群通过协同作用和更多样的酶系统可以提高秸秆降解效率，从而更好地应对高效秸秆降解这一关键挑战[6],[7],[8]。然而，其降解能力背后的机制需要借助多组学技术进行深入分析。
近年来宏基因组技术的快速发展为复合微生物菌群降解木质纤维素的分子机制提供了新的视角。通过宏基因组测序，研究人员可以全面分析微生物基因组信息，并准确识别核心降解菌类，例如在堆肥过程中Firmicutes和Actinobacteria的显著富集[9]。宏基因组学不仅用于探索微生物多样性，还用于识别支持微生物群落在多种环境中生存的代谢过程[10]。在先前的研究中，宏基因组分析从多种家族中鉴定出39,907个编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因；其中18,462个基因可能参与木质纤维素降解，这些酶协同作用以分解复杂的木质纤维素结构[11]。2025年发现的一种新型纤维素氧化裂解酶（CelOCE）通过外切核酸酶机制作用于纤维素，仅产生纤维二糖酸，为纤维素降解提供了新的酶学机制[12]。
相比之下，代谢组学专注于动态追踪降解过程中的代谢物，分析核心代谢途径，并阐明中间代谢物的积累和最终产物的形成。具体而言，一项研究探讨了嗜热细菌在秸秆厌氧消化中的纤维素降解机制，并阐明了食物垃圾在调节营养条件和优化微生物群落结构中的作用[13]。通过优化碳氮代谢途径，纤维素和半纤维素的降解效率超过了80%，而食物垃圾的转化率从32.5%提高到47.3%。另一项研究使用J-6微生物菌群，代谢组学分析表明，真菌分泌的代谢物（如betanidin、ergosterol）调节细菌代谢，而细菌分泌的代谢物（如L-phenylalanine、taurine）调节真菌代谢，从而提高了木质素的降解效率[14]。总的来说，宏基因组学和代谢组学为微生物菌群的降解机制提供了互补的见解，前者揭示了基因组和分类学特征，后者揭示了动态代谢过程。
此外，一些研究人员首次发现，在木质素降解细菌菌群中，低丰度的非降解菌也发挥着不可或缺的作用[15]。他们利用宏基因组学为四种关键菌株重建了基因组规模的代谢模型（GSMMs），并结合非靶向代谢组学分析。研究发现，非降解菌可以分泌代谢物，包括氨基酸、有机酸和醇类，同时与降解菌建立动态协同作用，从而将木质素的降解效率提高到单一菌株的3-5倍。这为构建高效木质纤维素降解复合菌群提供了一种新策略：调节降解菌与非降解菌的比例，而不仅仅是单纯富集降解菌。重要的是，这进一步证实了整合宏基因组学和代谢组学是揭示微生物菌群复杂降解机制的有效方法。
基于这一研究趋势和现有的知识空白，本研究使用综合宏基因组学和代谢组学技术比较了三种微生物菌群（HE、H和RJ）在木质纤维素降解方面的分子机制。具体目标是比较这三个微生物菌群的微生物群落组成、物种功能贡献、CAZyme注释、木质纤维素降解途径、代谢物谱、差异代谢途径富集和差异代谢物的鉴定。此外，本研究还分析了差异代谢物与微生物类群之间的相关性，以阐明微生物群落与代谢过程之间的协同关系。
