лигнин

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

3234 Доступа

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 при этом возможность повышения ценности значительного количества 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.