una lignina

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4866 (2023) Citare questo articolo

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L’industria della bioraffineria lignocellulosica può dare un contributo importante al raggiungimento degli obiettivi globali di zero emissioni di carbonio. Tuttavia, la bassa valorizzazione della lignina di scarto limita gravemente la sostenibilità delle bioraffinerie. Utilizzando una reazione idrotermale, abbiamo convertito la lignina dell'acido solforico (SAL) in una SAL idrotermale idrosolubile (HSAL). Qui mostriamo il miglioramento dell’HSAL sulla biodisponibilità e sulla crescita dei nutrienti delle piante attraverso la sua capacità chelante dei metalli. Caratterizziamo l'elevato rapporto di HSAL tra gruppi idrossilici fenolici e gruppi metossi e la sua capacità di chelare gli ioni metallici. L'applicazione di HSAL promuove in modo significativo la lunghezza delle radici e la crescita delle piante sia delle specie di piante monocotiledoni che dicotiledoni grazie al miglioramento della biodisponibilità dei nutrienti. L’aumento della biodisponibilità del ferro mediato dall’HSAL è paragonabile al noto chelante metallico dell’acido etilendiamminotetraacetico. Pertanto, HSAL promette di essere un chelante di nutrienti sostenibile per fornire una strada interessante per l’utilizzo sostenibile della lignina di scarto dell’industria della bioraffineria.

Il settore della raffineria di biomassa rappresenta una componente importante di una bioeconomia sostenibile e si è sviluppato rapidamente1. La biomassa lignocellulosica è considerata una biomassa ideale per la raffinazione della materia prima per biocarburanti e altri prodotti, poiché la resa annua di circa 200 miliardi di tonnellate non costituisce concorrenza per l'alimentazione umana o animale2. La lignina rappresenta il 15–40% del carbonio totale contenuto nella biomassa lignocellulosica3. La lignina costituisce anche la più grande fonte di polimeri aromatici naturali e nasconde un grande potenziale come materiale di partenza per molti prodotti a base biologica4. Tuttavia, a causa della sua struttura chimica eterogenea con legami complessi e variabili, la lignina è solitamente considerata un fattore di interferenza sfavorevole e scaricata come prodotto di scarto dal sistema di bioraffinazione5. Inoltre, la maggior parte della lignina non viene isolata ma viene piuttosto bruciata in loco, il che produce le emissioni di carbonio più significative dalla raffinazione della biomassa lignocellulosica6. Per superare questa inefficienza nel settore della raffinazione della biomassa, sono state sviluppate una varietà di tecnologie, tra cui la pirolisi, l’idrogenolisi catalizzata da basi o acidi e l’ossidazione per la valorizzazione della lignina. Gli attuali prodotti per la valorizzazione della lignina includono fibre di carbonio a basso costo, plastica di origine vegetale, combustibili fungibili e prodotti chimici di base6. Tuttavia, questi materiali derivati ​​dalla lignina rappresentano solo circa il 2% della lignina industriale totale (50 milioni di tonnellate) e difficilmente saranno in grado di far fronte al volume in rapido aumento della lignina industriale7. Senza un percorso sostenibile per l’utilizzo di questa lignina industriale, l’industria della raffinazione della biomassa rimarrà una fonte considerevole di emissioni di CO2 e di rifiuti, perdendo nel contempo la possibilità di valorizzare una notevole quantità di lignina8.

La fame nascosta o la malnutrizione da micronutrienti colpisce circa un terzo della popolazione mondiale. Ciò è principalmente dovuto alla carenza di micronutrienti come ferro, calcio e zinco nelle colture di base ricche di calorie che queste persone consumano principalmente9. Un approccio fondamentale per ridurre la fame nascosta consiste nell’aumentare i micronutrienti in queste colture di base attraverso tecnologie agricole o biofortificazione10. La carenza di ferro rappresenta una delle principali cause di fame nascosta11. Ciò è dovuto alla bassa biodisponibilità del ferro nei terreni alcalini, che rappresentano il 25-40% della superficie arabile, poiché la bassa biodisponibilità del ferro nei suoli non solo riduce gravemente la resa delle colture, ma limita anche il potenziale aumento dell’accumulo di ferro nelle colture alimentari12. La carenza di micronutrienti nelle colture alimentari sta diventando più grave a causa dell’eccessivo apporto di macronutrienti come azoto e fosfato e dell’aumento dei livelli di CO2 nell’atmosfera13. Per contrastare questo fenomeno, composti chimici come l’acido etilendiamminotetraacetico (EDTA) possono essere utilizzati come additivi nei fertilizzanti per migliorare efficacemente la biodisponibilità degli ioni metallici e aumentare l’accumulo di nutrienti metallici nelle colture alimentari14. Tuttavia, questi additivi per fertilizzanti sono costosi e possono causare notevoli danni ambientali poiché non sono biodegradabili e quindi provocare inquinamento da metalli pesanti15. La lignina ha diversi gruppi funzionali attivi, inclusi gruppi idrossilici alifatici, carbonilici e fenolici, nonché una coppia di elettroni non condivisi sull'atomo di ossigeno, tutti implicati nella chelazione degli ioni metallici. I composti naturali derivati ​​dalla lignina rappresentano la principale fonte di approvvigionamento delle sostanze umiche16. Le sostanze umiche nei suoli sono chelati naturali che aumentano la biodisponibilità dei nutrienti metallici e contribuiscono a evitare fenotipi di carenza di nutrienti metallici nelle piante17. Il ligninsolfonato è stato utilizzato anche per sintetizzare il ferro-ligninsolfonato18. Nel loro insieme, ciò indica che i materiali derivati ​​dalla lignina hanno il potenziale per essere utilizzati come chelanti dei metalli e migliorare la biodisponibilità dei nutrienti. Tuttavia, l’aggiunta di lignina industriale ai fertilizzanti non ha attirato molta attenzione nel campo della valorizzazione della lignina19.