Изменение содержания мономеров лигнина и соотношений стабильных изотопов водорода в метоксигруппах при биодеградации садовой биомассы

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8734 (2022) Цитировать эту статью

984 Доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Лигнин, высокополимеризованный органический компонент растительных клеток, является одним из наиболее трудно поддающихся разложению ароматических веществ. Селективная биодеградация в мягких условиях является многообещающим методом, однако динамические изменения мономеров лигнина во время биодеградации лигноцеллюлозы до конца не изучены. В этом исследовании мы оценили различия в деградации лигнина при различных микробных инокуляциях на основе содержания мономеров лигнина, соотношения мономеров и соотношения стабильных изотопов водорода метоксигрупп лигнина (δ2HLM). Потеря веса во время разложения и чистая потеря лигноцеллюлозных компонентов значительно улучшились при инокуляции грибами. Сирингилмонолигнил (S-лигнин), который содержит две метоксигруппы, разлагается труднее, чем гваяцил (G-лигнин), который содержит только одну метоксигруппу. Совместное культивирование Pseudomonas mandelii и Aspergillus fumigatus вызывало наибольшее снижение соотношения G/S, но значения δ2HLM существенно не различались между тремя экспериментами по биодеградации, хотя обогащение проводилось в рамках грибковой инокуляции. Колебания значений δ2HLM на начальном этапе биодеградации могут быть связаны с потерей пектиновых полисахаридов (еще одного донора метокси), которые в основном происходят из опавших листьев. В целом, относительные сигналы δ2HLM сохранились, несмотря на снижение отношения G/S в трех системах деградации. Тем не менее, некоторые детали лигнина δ2HLM как биомаркера биогеохимических циклов требуют дальнейшего изучения.

В условиях быстрого роста урбанизации во всем мире садовая биомасса становится основным компонентом твердых органических отходов1. Однако его безудержное удаление приведет к потере потенциально важного ресурса (например, органического вещества) и потенциально даже станет источником загрязнения окружающей среды2. Биодеградация, включая компостирование, привлекла особое внимание как способ утилизации этой биомассы, одновременно эффективно восстанавливая химические вещества и питательные вещества, которые имеют коммерческое применение или экологическую ценность3,4. Исследователи показали, что биоразложение этой биомассы в контролируемых или естественных условиях может успешно разлагать лигноцеллюлозный материал и обеспечивать производство потенциально полезных альтернативных органических продуктов с помощью множества микробных ферментов, действующих через разные метаболические пути5,6. Тем не менее, деполимеризация лигнина представляет собой особую проблему во время биоконверсии из-за относительной гидрофобности макромолекулярных полимеров и антибактериальных свойств ароматических структур7,8.

Лигнин, вторая по распространенности биомакромолекула, преимущественно состоит из трех 4-гидроксифенилпропаноидных единиц: гваяцилмонолигнолов (G-лигнин), сирингилмонолигнолов (S-лигнин) и небольших количеств п-гидроксифенилмонолигнолов (H-лигнин), с соответствующие пропорции варьируются в зависимости от типа растения и ткани. В растениях эти ароматические мономеры тесно связаны между собой посредством арилового эфира, бифенилового эфира, резинола, фенилкумарана и дифенила, тем самым повышая прочность и жесткость этих молекул, что затрудняет их разложение микробными ферментами и химическим гидролизом9. Кроме того, поскольку компоненты лигнина имеют несколько сайтов расщепления для ферментативного гидролиза и высокий окислительный потенциал для неспецифических свободных радикалов, биоразложение по-прежнему остается эффективным, экономически выгодным и экологически чистым подходом к деполимеризации лигнина10,11. Сложный биохимический процесс ферментативного гидролиза лигнина начинается с его деконструкции с образованием гетерогенных ароматических углеводородов, которые затем расходуются на центральный углеродный обмен12. В целом, эти лигнинолитические ферменты (внеклеточные оксидазы), которые включают лакказу, пероксидазу марганца и пероксидазу лигнина, в основном секретируются грибами и некоторыми бактериями13,14. Большинство исследований было сосредоточено на скрининге с целью выявления микроорганизмов, разлагающих лигнин, и характеристики проявления мультиферментной активности; однако исследования эффективности разложения лигнина различными микроорганизмами остались без внимания15.