리그닌

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4866(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

리그노셀룰로오스 바이오정제 산업은 글로벌 탄소 순 제로 목표를 달성하는 데 중요한 기여자가 될 수 있습니다. 그러나 폐기물 리그닌의 낮은 가치화는 바이오리파이너리의 지속 가능성을 심각하게 제한합니다. 열수 반응을 사용하여 황산 리그닌(SAL)을 수용성 열수 SAL(HSAL)로 전환했습니다. 여기에서는 금속 킬레이트화 능력을 통해 식물 영양소의 생물학적 이용 가능성 및 성장에 대한 HSAL의 개선을 보여줍니다. 우리는 HSAL의 페놀성 수산기 대 메톡시기의 높은 비율과 금속 이온을 킬레이트하는 능력을 특징으로 합니다. HSAL을 적용하면 영양분의 생물학적 이용 가능성이 향상되어 외떡잎 식물과 쌍떡잎 식물 종 모두의 뿌리 길이와 식물 성장이 크게 촉진됩니다. 철 생체 이용률의 HSAL 매개 증가는 잘 알려진 금속 킬레이트제인 에틸렌디아민테트라아세트산과 비슷합니다. 따라서 HSAL은 바이오정제 산업에서 발생하는 폐기물 리그닌의 지속 가능한 활용을 위한 매력적인 길을 제공하는 지속 가능한 영양 킬레이터가 될 것을 약속합니다.

바이오매스 정제 부문은 지속 가능한 바이오경제의 중요한 구성 요소를 나타내며 빠르게 발전해 왔습니다1. 리그노셀룰로오스 바이오매스는 바이오 연료 및 기타 제품의 원료 정제에 이상적인 바이오매스로 간주됩니다. 연간 생산량이 약 2,000억 톤에 달하기 때문에 인간의 식품이나 동물 사료와 경쟁할 수준이 아닙니다2. 리그닌은 리그노셀룰로오스 바이오매스3에 포함된 총 탄소의 15~40%를 차지합니다. 리그닌은 또한 천연 방향족 폴리머의 가장 큰 공급원을 구성하며 많은 바이오 기반 제품의 출발 물질로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다4. 그러나 리그닌은 복잡하고 가변적인 결합을 가진 이질적인 화학 구조로 인해 일반적으로 불리한 간섭 요인으로 간주되어 바이오정제 시스템5에서 폐기물로 배출됩니다. 더욱이 리그닌의 대부분은 분리되지 않고 오히려 현장에서 연소되는데, 이는 리그노셀룰로오스 바이오매스 정제에서 가장 많은 탄소 배출을 발생시킵니다6. 바이오매스 정제 산업에서 이러한 비효율성을 극복하기 위해 리그닌 가치화를 위한 열분해, 염기 촉매 또는 산 촉매 수소화 분해, 산화를 포함한 다양한 기술이 개발되었습니다. 현재 리그닌 가치화 제품에는 저가 탄소 섬유, 식물 유래 플라스틱, 대체 가능 연료 및 일반 화학 물질이 포함됩니다6. 그러나 이러한 리그닌 유래 물질은 전체 산업용 리그닌(5,000만톤)의 약 2%에 불과하며, 급증하는 산업용 리그닌7을 감당하기에는 역부족이다. 이 산업용 리그닌을 지속 가능한 방식으로 활용하지 못하면 바이오매스 정제 산업은 상당량의 리그닌을 가치있게 활용하지 못하는 동시에 CO2 배출 및 폐기물의 상당량을 발생시키는 원인으로 남을 것입니다8.

숨겨진 기아나 미량영양소 영양실조는 세계 인구의 약 1/3에 영향을 미칩니다. 이는 주로 이 사람들이 주로 소비하는 칼로리가 풍부한 주요 작물에 철, 칼슘, 아연과 같은 미량 영양소가 부족한 결과입니다9. 숨겨진 기아를 줄이기 위한 중추적인 접근 방식은 농업 기술이나 생물 강화를 통해 이러한 주요 작물의 미량 영양소를 늘리는 것입니다10. 철분 결핍은 숨겨진 배고픔의 가장 큰 원인 중 하나입니다11. 이는 표면 경작지의 25~40%를 차지하는 알칼리성 토양에서 철의 생체 이용률이 낮기 때문입니다. 토양의 낮은 철분 생체 이용률은 작물 수확량을 심각하게 감소시킬 뿐만 아니라 식량 작물의 철 축적 잠재적 증가를 제한하기 때문입니다. 질소, 인산염 등 다량영양소의 과도한 투입과 대기 중 CO2 수준의 상승으로 인해 식량작물의 미량영양소 결핍이 더욱 심각해지고 있습니다. 이에 대응하기 위해 EDTA(에틸렌디아민테트라아세트산)와 같은 화학 화합물을 비료 첨가제로 사용하여 금속 이온 생체 이용률을 효과적으로 개선하고 식량 작물의 금속 영양소 축적을 높일 수 있습니다14. 그러나 이러한 비료 첨가제는 비용이 많이 들고 생분해되지 않아 중금속 오염을 초래하므로 심각한 환경 피해를 일으킬 수 있습니다15. 리그닌은 지방족 수산기, 카르보닐기, 페놀성 수산기 그룹뿐만 아니라 산소 원자의 비공유 전자쌍을 포함한 여러 활성 작용기를 갖고 있으며 모두 금속 이온 킬레이트화와 관련되어 있습니다. 천연 리그닌 유래 화합물은 휴믹 물질의 가장 큰 공급원입니다16. 토양의 부식질 물질은 금속 영양소의 생체 이용률을 높이고 식물의 금속 영양소 결핍 표현형을 피하는 데 기여하는 천연 킬레이트입니다17. 리그노술포네이트는 또한 리그노술포네이트-철을 합성하는 데에도 사용되었습니다18. 종합하면, 이는 리그닌 유래 물질이 금속 킬레이트제로 사용될 가능성이 있고 영양소의 생물학적 이용 가능성을 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 그러나 비료에 산업용 리그닌을 첨가하는 것은 리그닌 가치화 분야에서 큰 관심을 끌지 못했습니다.