Variazioni nel contenuto di monomeri di lignina e rapporti isotopici stabili di idrogeno nei gruppi metossi durante la biodegradazione della biomassa del giardino

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8734 (2022) Citare questo articolo

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La lignina, un componente organico altamente polimerizzato delle cellule vegetali, è una delle sostanze aromatiche più difficili da degradare. La biodegradazione selettiva in condizioni blande è un metodo promettente, ma le variazioni dinamiche nei monomeri di lignina durante la biodegradazione della lignocellulosa non sono completamente comprese. In questo studio, abbiamo valutato le differenze nella degradazione della lignina in diverse inoculazioni microbiche in base al contenuto di monomero di lignina, al rapporto monomerico e al rapporto isotopico di idrogeno stabile dei gruppi metossi della lignina (δ2HLM). La perdita di peso durante la degradazione e la perdita netta di componenti lignocellulosici sono migliorate notevolmente con l'inoculazione fungina. Il siringil monolignolo (S-lignina), che contiene due gruppi metossi, era più difficile da degradare rispetto al guaiacile (G-lignina), che contiene solo un gruppo metossi. La co-coltura di Pseudomonas mandelii e Aspergillus fumigatus ha prodotto la maggiore diminuzione del rapporto G/S, ma i valori δ2HLM non differivano significativamente tra i tre esperimenti di biodegradazione, sebbene l'arricchimento fosse effettuato all'interno dell'inoculazione fungina. La fluttuazione dei valori δ2HLM durante la fase iniziale della biodegradazione può essere correlata alla perdita di polisaccaridi pectici (un altro donatore di metossi), che provengono principalmente dalle foglie cadute. Nel complesso, i relativi segnali δ2HLM sono stati preservati nonostante la diminuzione dei rapporti G/S nei tre sistemi di degradazione. Tuttavia, alcuni dettagli della lignina δ2HLM come biomarcatore per i cicli biogeochimici necessitano di essere esplorati ulteriormente.

Con la rapida espansione mondiale dell’urbanizzazione, la biomassa dei giardini sta diventando una componente importante dei rifiuti solidi organici1. Tuttavia, il suo smaltimento incontrollato sprecherebbe una risorsa potenzialmente importante (cioè la materia organica) e potrebbe addirittura diventare una fonte di inquinamento ambientale2. La biodegradazione, compreso il compostaggio, ha attirato particolare attenzione come metodo per smaltire questa biomassa recuperando in modo efficiente sostanze chimiche e sostanze nutritive che hanno applicazioni commerciali o valore ecologico3,4. I ricercatori hanno dimostrato che la biodegradazione di questa biomassa in condizioni controllate o naturali può decomporre con successo il materiale lignocellulosico e consentire la produzione di prodotti organici alternativi potenzialmente utili da parte di più enzimi microbici che agiscono attraverso diverse vie metaboliche5,6. Tuttavia, la depolimerizzazione della lignina rappresenta una sfida particolare durante la bioconversione a causa della relativa idrofobicità dei polimeri macromolecolari e delle proprietà antibatteriche delle strutture aromatiche7,8.

La lignina, la seconda biomacromolecola più abbondante, è composta prevalentemente da tre unità 4-idrossifenilpropanoidi: monolignoli guaiacilici (G-lignina), monolignoli siringilici (S-lignina) e quantità minori di monolignoli p-idrossifenil (H-lignina), con le proporzioni corrispondenti variano a seconda del tipo di pianta e di tessuto. Nelle piante, questi monomeri aromatici sono altamente interconnessi attraverso legami arilico, etere bifenilico, resinolo, fenil-cumarano e difenile, migliorando così la forza e la rigidità di queste molecole, il che rende più difficile la loro degradazione da parte degli enzimi microbici e dell'idrolisi chimica9. Inoltre, poiché i componenti della lignina hanno più siti di scissione per l'idrolisi enzimatica e un elevato potenziale di ossidazione per i radicali liberi non specifici, la biodegradazione è ancora un approccio efficiente, economico ed ecologico per la depolimerizzazione della lignina10,11. Il complesso processo biochimico di idrolisi enzimatica della lignina inizia con la decostruzione per formare idrocarburi aromatici eterogenei, che vengono poi consumati dal metabolismo centrale del carbonio12. In generale, questi enzimi ligninolitici (ossidasi extracellulari), che comprendono la laccasi, la perossidasi di manganese e la lignina perossidasi, sono principalmente secreti dai funghi e da alcuni batteri13,14. La maggior parte della ricerca si è concentrata sullo screening per identificare i microrganismi che degradano la lignina e per caratterizzare l'espressione delle attività multienzimatiche; tuttavia, gli studi sull'efficienza della degradazione della lignina da parte di diversi microrganismi sono stati trascurati15.