随着世界范围内化石资源的减少，对环境造成破坏性影响的加大，更多的人在不断寻找能够替代化石燃料的可行资源，而木质纤维素生物质已确定是目前地球上最丰富的生物可再生生物质，每年产量将近1亿至 1.5 亿吨。人们每天的生产生活活动都增加着废弃木质纤维素的产生，包括与一日三餐有关的食物垃圾等等。但遗憾的是，这些“被错放的资源”通常并未得到充分利用，大部分废弃木质纤维素最终只是被填埋。
木质纤维素分解酶是参与废弃木质纤维素分解以进一步水解成有用产物的生物催化剂，木质纤维素分解酶主要包括木质素分解酶（过氧化物酶和氧化酶）和水解酶（纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、几丁质酶、淀粉酶、蛋白酶、酯酶和甘露聚糖酶）。这些木质纤维素分解酶可实现木质纤维素生物质的可持续降解，以产出被用于各种应用的物质，包括但不限于用于生物燃料、造纸和纸浆生产、纺织业、废物处理、食品和饮料行业、个人护理行业、健康和制药行业等。
其中木质纤维素中的α-淀粉酶和纤维素酶等是被广泛应用的工业酶，在涉及纺织、造纸、洗涤剂和药品等的行业中需求量极大。2021 年，此类酶的市场规模预计达到 12.7 亿美元。而近期国际关注的焦点在于如何使用废弃木质纤维素生物质来生产重要工业酶以及作为替代燃料来源的第二代纤维素乙醇。
木质纤维素生物质的一大重要来源是作为各工业部门低价值副产品的废弃生物质，例如农业中废弃的玉米秸秆、甘蔗渣和稻草等以及林业中废弃的木屑等。其中农业生产中最主要的三种废弃生物质，分别是麦麸 、西米渣以及米糠。这些废弃生物质价格低廉，并且是碳和氮物质的丰富来源。利用废弃生物质来生产工业酶及替代燃料有着可观的环境与经济效益，至于如何从这些废弃生物质中获得有价值的工业酶，目前仍存在许多挑战。其中，废弃生物质的复杂结构限制了酶水解，或者说水解这些复杂的结构需要进行预处理，然后用各种酶进行水解，这一过程的成本与效率问题是生产当中遇到的重要瓶颈。
因此，科学家们非常关注寻找可以利用微生物生产酶以解决这一问题。其中细菌物种尤其受到科学家们的关注，一般而言，与真核生物相比，细菌具有许多优点，例如它们具有快速的生长速度、更短的发酵周期以及能够分泌大量细胞外酶的能力。
Indian Institute Of Technology–Madras印度理工学院马德拉斯校区（IIT-Madras）生物技术系的 Rekha Rajesh 和 Sathyanarayana N Gummadi 教授试图评估一种先前分离的生物体的糖化和发酵能力，以在没有预处理的情况下水解低成本的木质纤维素废弃生物质。论文题目为”Production of multienzymes, bioethanol, and acetic acid by novel Bacillus sp. PM06 from various lignocellulosic biomass” 发表在 Biomass Conversion and Biorefinery 期刊。
具体来看，该项研究的重要发现是从甘蔗废料中分离的芽孢杆菌PM06，当这种芽孢杆菌PM06在木质纤维素生物质中生长时，淀粉和纤维素就会被分解，从而产生α-淀粉酶和纤维素酶。根据报道，该过程除了能够产生以上两种重要工业酶以外，还能够生产出在各行业都有广泛应用的乙醇和乙酸物质。
农业主要废弃生物质的利用成本低，全年可用，而生物转化中最具挑战的问题在于开发高效技术（如预处理、酶水解、微生物发酵等）以最大限度地减少对环境的影响。该研究对于挑战的突破在于证明了芽孢杆菌PM06能够用于农业废弃生物质的高效发酵。
具体试验结果表明，芽孢杆菌PM06 具有快速水解麦麸、西米渣和米糠三种农业主要废弃生物质的能力。通过扫描电镜分析，发现三种木质纤维素废弃生物质的糖化明显，形态都发生了显著变化，表明了该过程无需任何额外的预处理环节。另外结果中有趣的是，在所有三种农业主要废弃生物质中都显著产生了水解酶和其他代谢物，且当使用3%质量浓度的生物质作为碳源时，这些物质产量达到了最大值。此外，相比于西米渣和米糠，麦麸被发现是一种更具有α-淀粉酶和纤维素酶、生物乙醇和乙酸生产价值的底物。
总的来说，芽孢杆菌 PM06对于从木质素纤维生物质中生产工业酶而言，最主要的优势在于，发酵的快速使得水解的产物不会抑制酶的活性。此外，不需要进行预处理等额外的环节，使生产过程更具有成本效益和可持续性。而该项研究重要且独特的贡献还在于，它开辟了又一可持续和环保生产可再生生物燃料的方式，未来也将带动更多的研究关注利用芽孢杆菌PM06规模化生产工业乙醇。来自印度勒克瑙 CSIR-印度毒理学研究所创新和转化研究中心的 Ashok Pandey 教授也就此评论道：“利用低成本农业副产品生产工业重要酶以及生物燃料和有机酸的能力在其扩大规模后可能对工业开发具有重要意义技术经济可行性。”
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商业成熟度CML评估模型
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商业成熟度CML模型
基于商业成熟度CML（Commercial Maturity Level）来看，该成果仍处于CML 1：初步建立基础假设阶段。从甘蔗废料中分离出芽孢杆菌PM06，已被证明能够在没有预处理的情况下水解低成本的木质纤维素废弃生物质。这一成果进展尽管市场经验与知识仍是有限或亟待探索，但知耕判断，该项成果将在生物燃料、造纸和纸浆生产、纺织、废物处理、食品和饮料等领域优先爆发商业机会。
参考资料：
·https://tech-talk.iitm.ac.in/magic-bacteria/
·https://link.springer.com/article/10.1007/s13399-022-02418-z
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