Mikrobe ražo plastmasas prekursoru no koka

Baktērija pārstrādā lignīnu par PDC - bioplastmasas izejvielu

Novosphingobium aromaticivorans sugas baktērijas - tās var pārveidot lignīna komponentus par bioloģisko poliesteru priekšteci. © GLBRC
lasīt skaļi

Mikrobs kā bioplastmasas rūpnīca: Pētnieki ir identificējuši baktēriju, kas sadala koksnes sastāvdaļas lignīnu un ražo PDC - PET veida bioplastmasas priekšteci. Pēc rakstura šis mikrobs turpina noārdīt PDC, bet pētnieki to ir apturējuši, atspējojot trīs gēnus. Rezultātā viņi saņēma mikrobi, kas 59 procentus lignīna komponentu pārvērš PDC - daudzsološā pieeja bioplastmasas bioloģiskai ražošanai.

Plastmasa ir lēta, viegla un universāla - un gandrīz visuresoša. Problēma tomēr ir tā, ka plastmasa ir izgatavota no izejvielām, kuru pamatā ir naftas produkti, padarot to par klimatam draudzīgu. Turklāt plastmasa nav bioloģiski noārdāma, un plastmasas atkritumi un mikroplastmasas tagad piesārņo augsni, ūdeni un jūras. Tāpēc pētnieki visā pasaulē meklē veidus, kā no augu izcelsmes izejvielām ražot bioloģiski noārdāmu plastmasu.

Sarežģītas ķēdes: lignīna ķīmiskā struktūra (detaļa) © Karol Glab / CC-by-sa 3.0

Lignīns: potenciāli noderīgs, bet grūti sašķelt

Daudzsološs izejmateriāls bioloģiski ražotai plastmasai ir lignīns - dabīgs polimērs, kas piešķir stabilitāti kokaugu šūnu sienām. "Lignīns ir visbagātākais aromātisko savienojumu avots uz šīs planētas pēc Zemes, " skaidro Daniels Noguera no Viskonsinas-Medisonas universitātes. Bet šo dažādu gredzenveida savienojumu biopolimēru ir ķīmiski grūti izjaukt, tāpēc lignīnu diez vai izmanto kā izejvielu. Papīra ražošanā tas uzkrājas kā atkritumi, kurus parasti viegli sadedzina.

Tomēr tagad pētnieki, iespējams, ir atraduši palīgu, kas organiski sadala lignīnu: baktērija Novosphingobium aromaticivorans. Noguera, viņa kolēģis Migels Perezs un viņu komanda atklāja šo mikrobu augsnes slāņos, kas piesārņoti ar eļļu un citiem ogļūdeņražiem. "Baktērija savai augšanai izmanto virkni aromātisku savienojumu kā oglekļa un enerģijas avotu, " viņi ziņo.

Mikrobs pagriež Lignin PDC

Tas liecināja, ka šī baktērija varētu arī sadalīt lignīnu. "Kad mēs atradām šo mikrobu, tas jau bija labs, lai sadalītu plašu šādu molekulu klāstu, " saka Perezs. Un faktiski laboratorijas pārbaude ir parādījusi, ka baktērija var sadalīt dažādus lignīna komponentus. "Līdz šim pārbaudītajiem mikrobiem tā vienmēr ir bijusi neliela daļa no lignīna aromātiskajiem komponentiem, " ziņo Perezs. displejs

Kā lignīna sadalīšanās starpposms baktērija īsi veido 2-pirone-4, 6-dikarboksilskābi, PDC. Šis savienojums tiek uzskatīts par daudzsološu izejvielu poliesteriem un PET veida bioplastmasai. Kā liecina testi, tie ir karstumizturīgi, bet bioloģiski noārdās mazāk nekā trīs nedēļās. Problēma tomēr ir tāda, ka "PDC tagad ir grūti ražot, tam nav rūpnieciska procesa, " skaidro Noguera.

Kultūras plate ar Novosphingobium aromaticivorans kolonijām. Chelsea Mamott / GLBRC

Ienesīgums ir 59 procenti

Šajā vietā nonāk mikrobs Novosphingobium aromaticivorans: tā kā tie dabiski rada PDC, bet pēc tam vēl vairāk noārdās, pētnieki manipulēja ar to noārdīšanās izturēšanos. Viņi deaktivizēja trīs baktērijas gēnus, lai padarītu tos par PDC ražotājiem. Rezultātā mikrobs vēl vairāk sadalīja lignīnu līdz PDC, bet šo molekulu vēl vairāk nesadalīja. Tas padarīja PDC par šīs baktēriju sadalīšanās ķēdes galaproduktu.

Cik efektīvi darbojas šī PDC mikrobu ražošana no lignīna, Perezs un viņa komanda pārbaudīja vairākās laboratoriju kultūrās. Rezultāts: "Kultūrās ar neviendabīgu aromātisko papeļu lignīna molekulu maisījumu 59 procenti savienojumu tika pārveidoti par PDC, " ziņo pētnieki. "Mūsu rezultāti rāda, ka N. aromativorāniem ir daudzsološs potenciāls PDC ražošanai no aromātiskiem savienojumiem."

"Pilnīgi jauna nozare"

Tomēr PDC raža joprojām nav optimāla, un izejmateriāls lignīns ir ķīmiski jāapstrādā. Bet zinātnieki ir pārliecināti, ka viņi var vēl vairāk uzlabot šo bioloģisko procesu par bioplastiskas izejvielas. "Ja mēs varētu iegūt šo sistēmu, lai ražotu PDC ar pietiekami augstu ātrumu un ražu, tā varētu radīt pilnīgi jaunu nozari, " saka Noguera.

Piemēram, bioplastmasu varētu izgatavot no papīra rūpniecības atkritumiem un tādējādi patērēt papildu ražas resursus. Tā kā augus, piemēram, kukurūzu, cukurniedres vai kviešus izmanto kā bioplastmasas izejvielu, plastmasas ražošana konkurē ar pārtikas kultūrām un var arī veicināt meža pārvēršanu laukos, kā nesen tika atklāts pētījumā. Tas kaitē videi un klimatam. (Zaļā ķīmija, 2019. gads; doi: 10.1039 / C8GC03504K)

Avots: Viskonsinas Universitāte, Medisona

- Nadja Podbregar