Uma lignina

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4866 (2023) Citar este artigo

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A indústria de biorrefinarias lignocelulósicas pode ser um contribuidor importante para atingir as metas globais de emissão zero de carbono. No entanto, a baixa valorização dos resíduos de lignina limita severamente a sustentabilidade das biorrefinarias. Usando uma reação hidrotérmica, convertemos a lignina de ácido sulfúrico (SAL) em um SAL hidrotérmico solúvel em água (HSAL). Aqui, mostramos a melhoria do HSAL na biodisponibilidade e crescimento de nutrientes das plantas através de sua capacidade quelante de metais. Caracterizamos a alta proporção de grupos hidroxila fenólicos para grupos metoxi do HSAL e sua capacidade de quelar íons metálicos. A aplicação de HSAL promove significativamente o comprimento da raiz e o crescimento das plantas de espécies de plantas monocotiledôneas e dicotiledôneas devido à melhoria da biodisponibilidade de nutrientes. O aumento da biodisponibilidade de ferro mediado por HSAL é comparável ao bem conhecido quelante metálico ácido etilenodiaminotetracético. Portanto, o HSAL promete ser um quelante de nutrientes sustentável para fornecer um caminho atraente para a utilização sustentável dos resíduos de lignina da indústria de biorrefinaria.

O setor da refinaria de biomassa representa uma componente importante de uma bioeconomia sustentável e desenvolveu-se rapidamente1. A biomassa lignocelulósica é considerada uma biomassa ideal para o refino de matéria-prima para biocombustíveis e outros produtos, já que o rendimento anual de cerca de 200 bilhões de toneladas não representa competição para alimentação humana ou animal2. A lignina é responsável por 15–40% do carbono total contido na biomassa de lignocelulose3. A lignina também constitui a maior fonte de polímeros aromáticos naturais e possui grande potencial como matéria-prima para muitos produtos de base biológica4. No entanto, devido à sua estrutura química heterogênea com ligações complexas e variáveis, a lignina é geralmente considerada um fator de interferência desfavorável e descartada como um produto residual do sistema de biorrefinamento . Além disso, a maior parte da lignina não é isolada, mas sim queimada no local, o que produz a emissão de carbono mais significativa do refino de biomassa lignocelulósica6. Para superar esta ineficiência na indústria de refino de biomassa, uma variedade de tecnologias, incluindo pirólise, hidrogenólise catalisada por base ou catalisada por ácido e oxidação, foram desenvolvidas para valorização da lignina. Os atuais produtos de valorização da lignina incluem fibras de carbono de baixo custo, plásticos derivados de plantas, combustíveis fungíveis e produtos químicos6. No entanto, estes materiais derivados da lignina representam apenas cerca de 2% da lignina industrial total (50 milhões de toneladas) e dificilmente serão capazes de lidar com o volume rapidamente crescente de lignina industrial7. Sem uma rota sustentável para a utilização desta lignina industrial, a indústria de refinação de biomassa continuará a ser uma fonte considerável de emissões e resíduos de CO2, ao mesmo tempo que perderá a valorização de uma quantidade substancial de lignina8.

A fome oculta ou a desnutrição de micronutrientes afectam cerca de um terço da população mundial. Isto resulta principalmente da insuficiência de micronutrientes, como ferro, cálcio e zinco, nas culturas básicas ricas em calorias que estas pessoas consomem principalmente9. Uma abordagem fundamental para reduzir a fome oculta é aumentar os micronutrientes nestas culturas básicas através de tecnologias agrícolas ou de biofortificação10. A deficiência de ferro representa uma das principais causas da fome oculta11. Isto deve-se à baixa biodisponibilidade do ferro nos solos alcalinos, que representam 25-40% da superfície da terra arável, uma vez que a baixa biodisponibilidade do ferro nos solos não só reduz gravemente o rendimento das culturas, mas também limita o aumento potencial da acumulação de ferro nas culturas alimentares12. A deficiência de micronutrientes nas culturas alimentares está a tornar-se mais grave devido à entrada excessiva de macronutrientes, como o azoto e o fosfato, e ao aumento dos níveis atmosféricos de CO213. Para contrariar isto, compostos químicos como o ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) podem ser utilizados como aditivos fertilizantes para melhorar eficazmente a biodisponibilidade dos iões metálicos e aumentar a acumulação de nutrientes metálicos nas culturas alimentares14. No entanto, estes aditivos fertilizantes são dispendiosos e podem causar danos ambientais significativos, uma vez que não são biodegradáveis ​​e, portanto, resultam em poluição por metais pesados15. A lignina tem vários grupos funcionais ativos, incluindo grupos hidroxila alifáticos, carbonila e hidroxila fenólica, bem como um par de elétrons não compartilhado no átomo de oxigênio, todos implicados na quelação de íons metálicos. Os compostos naturais derivados da lignina são a maior fonte de abastecimento de substâncias húmicas . As substâncias húmicas nos solos são quelatos naturais que aumentam a biodisponibilidade de nutrientes metálicos e contribuem para evitar fenótipos de deficiência de nutrientes metálicos nas plantas . O lignossulfonato também tem sido utilizado para sintetizar lignossulfonato-ferro18. Tomados em conjunto, isso indica que os materiais derivados da lignina têm potencial para serem usados ​​como quelantes de metais e melhorar a biodisponibilidade de nutrientes. No entanto, a adição de lignina industrial aos fertilizantes não chamou muita atenção no campo da valorização da lignina19.