лигнин

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4866 (2023) Цитировать эту статью

3458 Доступов

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Лигноцеллюлозная биоперерабатывающая промышленность может внести важный вклад в достижение глобальных целей по нулевому выбросу углерода. Однако низкая ценность отходов лигнина серьезно ограничивает устойчивость биоперерабатывающих заводов. С помощью гидротермальной реакции мы превратили сернокислый лигнин (SAL) в водорастворимый гидротермальный SAL (HSAL). Здесь мы показываем улучшение HSAL биодоступности питательных веществ и роста растений за счет его способности хелатировать металлы. Мы характеризуем высокое соотношение фенольных гидроксильных групп к метоксигруппам в HSAL и его способность хелатировать ионы металлов. Применение HSAL значительно увеличивает длину корней и рост растений как однодольных, так и двудольных растений за счет улучшения биодоступности питательных веществ. Увеличение биодоступности железа, опосредованное HSAL, сравнимо с таковым у известного хелатора металлов этилендиаминтетрауксусной кислоты. Таким образом, HSAL обещает стать устойчивым хелатором питательных веществ и обеспечить привлекательную возможность для устойчивого использования отходов лигнина биоперерабатывающей промышленности.

Сектор переработки биомассы представляет собой важный компонент устойчивой биоэкономики и быстро развивается1. Лигноцеллюлозная биомасса считается идеальной биомассой для переработки сырья для биотоплива и других продуктов, поскольку годовой объем производства около 200 миллиардов тонн не составляет конкуренции продуктам питания человека или кормам для животных2. На долю лигнина приходится 15–40% общего углерода, содержащегося в лигноцеллюлозной биомассе3. Лигнин также представляет собой крупнейший источник природных ароматических полимеров и обладает огромным потенциалом в качестве исходного материала для многих продуктов биологического происхождения4. Однако из-за своей гетерогенной химической структуры со сложными и переменными связями лигнин обычно рассматривается как неблагоприятный мешающий фактор и выбрасывается как побочный продукт системы биопереработки5. Более того, большая часть лигнина не выделяется, а сжигается на месте, что приводит к наиболее значительным выбросам углерода при переработке лигноцеллюлозной биомассы6. Чтобы преодолеть эту неэффективность в промышленности по переработке биомассы, для повышения ценности лигнина были разработаны различные технологии, включая пиролиз, катализируемый основаниями или кислотой гидрогенолиз и окисление. В настоящее время продукты повышения ценности лигнина включают недорогие углеродные волокна, пластмассы растительного происхождения, взаимозаменяемые виды топлива и товарные химикаты6. Однако эти лигнинсодержащие материалы составляют лишь около 2% от общего объема промышленного лигнина (50 млн тонн) и вряд ли смогут справиться с быстро растущим объемом промышленного лигнина7. Без устойчивого способа использования этого промышленного лигнина промышленность по переработке биомассы останется значительным источником выбросов CO2 и отходов, упуская из виду значительное количество лигнина8.

Скрытый голод или недостаточность питательных микроэлементов затрагивают около трети населения мира. Это главным образом является результатом недостаточного содержания микроэлементов, таких как железо, кальций и цинк, в богатых калориями основных культурах, которые эти люди в основном потребляют9. Ключевым подходом к сокращению скрытого голода является увеличение содержания микроэлементов в этих основных культурах с помощью сельскохозяйственных технологий или биофортификации10. Дефицит железа представляет собой одну из основных причин скрытого голода11. Это связано с низкой биодоступностью железа в щелочных почвах, на долю которых приходится 25–40% поверхности пахотных земель, поскольку низкая биодоступность железа в почвах не только серьезно снижает урожайность сельскохозяйственных культур, но и ограничивает потенциальное увеличение накопления железа в продовольственных культурах12. Дефицит микроэлементов в продовольственных культурах становится все более серьезным из-за чрезмерного поступления макронутриентов, таких как азот и фосфат, и повышения уровня CO2 в атмосфере13. Чтобы противодействовать этому, химические соединения, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), могут использоваться в качестве добавок к удобрениям для эффективного улучшения биодоступности ионов металлов и увеличения накопления металлических питательных веществ в продовольственных культурах14. Однако эти добавки к удобрениям являются дорогостоящими и могут нанести значительный ущерб окружающей среде, поскольку они не поддаются биологическому разложению и, следовательно, приводят к загрязнению тяжелыми металлами15. Лигнин имеет несколько активных функциональных групп, включая алифатические гидроксильные, карбонильные и фенольные гидроксильные группы, а также неподеленную электронную пару на атоме кислорода, все из которых участвуют в хелатировании ионов металлов. Природные соединения лигнина являются крупнейшим источником поставок гуминовых веществ16. Гуминовые вещества в почвах представляют собой природные хелаты, которые увеличивают биодоступность питательных веществ металлов и способствуют предотвращению фенотипов дефицита питательных веществ металлов у растений17. Лигносульфонат также использовался для синтеза лигносульфоната железа18. В совокупности это указывает на то, что материалы, полученные из лигнина, потенциально могут использоваться в качестве хелаторов металлов и улучшать биодоступность питательных веществ. Однако добавление промышленного лигнина в удобрения не привлекло особого внимания в области повышения ценности лигнина19.