Использование микроорганизмов для переработки деполимеризованного лигнина
Лигнин — это распространённый природный полимер, который образуется как побочный продукт в целлюлозно-бумажной промышленности. В недавней обзорной статье, опубликованной в журнале BioDesign Research, рассмотрены различные микробные процессы для устойчивой переработки лигнина, что дает как экологические, так и экономические выгоды.
Исследователи освещают современные достижения и проблемы, возникающие при использовании природных и генетически модифицированных микробов для превращения деполимеризованного лигнина в ценные продукты.
От отхода к сырью
Растущий фокус на переход к низкоуглеродному обществу стимулировал поиск устойчивых решений. Традиционно лигнин либо выбрасывается, либо сжигается как топливо. Однако сейчас он рассматривается как ценное сырье для производства различных экологичных продуктов с добавленной стоимостью.
Стратегия переработки
Наиболее распространенный метод трансформации лигнина использует двухэтапную стратегию: сначала деполимеризация, затем очистка. Различные методы предварительной обработки и деполимеризации (окислительные, восстановительные, термические, химическая модификация) разлагают лигнин на фенольные соединения с меньшим молекулярным весом, которые затем превращаются в специализированные и высокоценные химикаты.
Роль микроорганизмов
Использование лигнина можно максимизировать с помощью микробов, способных разлагать ароматические соединения, полученные из лигнина, в ценные продукты.
- Определенные виды бактерий и грибов, такие как Pseudomonas putida, Rhodococcus opacus, Rhodopseudomonas palustris, Phanerochaete chrysosporium и Sphingomonas, обладают ферментами, позволяющими им напрямую утилизировать предварительно обработанный лигнин или деполимеризованные ароматические соединения.
- Экспрессия гетерологичных ферментов в модельных микроорганизмах, таких как Escherichia coli, позволяет преобразовывать лигнин-содержащие платформенные соединения в более ценные конечные продукты.
Обзор прогресса
Группа ученых под руководством профессора Цзяньцяна Фаня провела обзор современных успехов в биологических стратегиях апсайклинга лигнина с помощью микробов. Как отметил профессор Цзифэн Юань: «Наш обзор дает представление о проблемах, стоящих перед текущей биологической переработкой лигнина, и предлагает дальнейшие направления исследований для улучшения этих технологий».
Конкретные продукты
В статье подчеркивается перспективное производство дикарбоновых кислот, в частности цис,цис-муконовой кислоты (ccMA), из лигнина с помощью методов синтетической биологии.
- Для оптимизации путей синтеза ccMA и увеличения ее выхода из лигнин-производных соединений использовались инженерные штаммы бактерий (P. putida, E. coli, Amycolatopsis sp.).
- Также обсуждалось использование инженерных штаммов для синтеза из лигнинных гидролизатов адипиновой кислоты, пиридиндикарбоновых кислот и бета-кетоадипата.
Другие направления
Исследование также объясняет использование микробного биокатализа для синтеза ванилина из феруловой кислоты и эффективное производство галловой кислоты путем микробной ферментации. Обзор затрагивает улучшенный биосинтез из лигнин-производных соединений фенольных кислот и сложных природных продуктов (фенольные гликозиды, кумарины, флавоноиды) с помощью инженерных микробных штаммов.
Выводы и перспективы
Ученые подчеркивают простоту и устойчивость прямого превращения микробами лигноцеллюлозных гидролизатов в различные молекулы. Они отмечают, что лигнин-разлагающие бактерии широко распространены в природе и в основном относятся к типам Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes и Archaea.
Это исследование подчеркивает потенциал использования микробов для устойчивой переработки лигнина как возобновляемого сырья. Междисциплинарный подход согласуется с глобальными целями создания циркулярной и устойчивой биоэкономики.
Профессор Юань резюмирует: «Эффективное использование лигнина может резко повысить рентабельность лигноцеллюлозного биорефайнинга, что приведет к более устойчивой и циркулярной экономике».