J. Clean. Prod. 低共熔溶剂促进Bacillus australimaris转化碱木质素废弃物生成小分子芳香化合物

背景介绍

作为造纸工业的主要副产物，碱木质素的资源化再利用可有效缓解黑液的污染问题。同时，木质素是天然芳香族化合物的聚合物，将其解聚为经济价值高的芳香族化合物单体具有广阔应用前景。然而，木质素结构复杂，木质素单体间通过C-C、C-O-C化合键连接，造成其解聚困难，单一的化学法或生物法难以实现木质素的高效解聚与利用。在本文中，中国科学院广州能源研究所余强研究员课题组结合了低共熔溶剂的化学解聚方法与木质素降解微生物的生物转化的优势，比较了低共熔溶剂（甘油/氯化胆碱）、氯化胆碱、纯水等溶剂在不同条件下对碱木质素的解聚能力，并探索了木质素降解微生物Bacillus australimaris直接利用解聚产物定向转化的能力。结果表明，甘油/氯化胆碱对碱木质素的解聚能力显著高于氯化胆碱、水，在多个反应条件下其解聚产物种类与解聚程度远远高于后二者，其中170°C，50min解聚液中小分子化合物种类最多，主要包括小分子酸，小分子芳香化合物，与小分子醇。经过微生物Bacillus australimaris 3-7天的发酵转化，小分子化合物的种类减少，而小分子芳香化合物丰度逐渐提高（最高为92.35%）。产物分析表明，化学法和生物法结合有效提高了木质素解聚定向转化效率。

图文解读

首先，对8株细菌在含有不同浓度（1%，5%，10%）低共熔溶剂（甘油/氯化胆碱、尿素/氯化胆碱、乳酸/氯化胆碱与甲酸/氯化胆碱）的生长情况进行评估，发现大部分细菌能在含有低于10%甘油/氯化胆碱、尿素/氯化胆碱的培养基上正常生长（表1）。随后，对这些微生物在含有碱木质素（2 g/L）或四种木质素模化物(0.2 g/L)的培养基中生长情况进行评估，发现细菌B. australimaris能在含碱木质素和三种木质素模化物的培养基中正常生长，选择该菌作为后续木质素解聚产物转化的菌株。

Fig. 1. Small molecular acids, alcohols, and aromatic compounds produced from alkali lignin depolymerization by glycerin/ChCl (A), water/ChCl (B), and only water (C) under various reaction conditions.

Fig. 2. Relative contents of small molecular acids, alcohols, and aromatic compounds produced from alkali lignin depolymerization by glycerin/ChCl (A), water/ChCl (B), and only water (C) under various reaction conditions.

其次，对甘油/氯化胆碱、氯化胆碱、水等3种溶剂对碱木质素的解聚产物进行了评估。结果发现，在不同处理条件下，甘油/氯化胆碱对碱木质素的解聚产物显著高于氯化胆碱、水， 170°C，50min解聚产物最多，以小分子酸为主（17种），其次为小分子芳香化合物（9种）与小分子醇（5种）(Fig. 1)。，但在100°C 30min解聚产物中芳香化合物丰度最高(Fig. 2)。

随后，将不同条件下的碱木质素解聚产物直接加入微生物发酵液中进行微生物发酵，对37°C发酵3、7天的转化产物进行分析。结果显示，100 ~130 °C处理后的碱木质素解聚产物经B. australimaris发酵后，产物种类与丰度变化较大(Fig. 5与Fig. 6)，总体来看，芳香族化合物种类逐渐减少，但丰度逐渐增加，推测其原因为微生物对解聚液中的小分子化合物进行转化利用，同时进一步将可溶性木质素小片段降解为单体。研究结果证明，利用化学解聚与微生物转化结合的方式对促进木质素资源化利用具有积极作用。

Fig. 5. Acids, alcohols, and aromatic compounds species obtained after microbial conversion of products of lignin depolymerization by glycerin/ChCl (A), water/ChCl (B), and only water (C) under various reaction conditions.

Fig. 6. Relative contents of acids, alcohols, and aromatic compounds species obtained after microbial conversion of products of lignin depolymerization by glycerin/ChCl (A), water/ChCl (B), and only water (C) under various reaction conditions.

总结

本文中，作者利用低共熔溶剂解聚碱木质素与解聚产物进行微生物转化的方法结合，加强了碱木质素的解聚效率，低共熔溶剂的解聚产物可被微生物代谢利用并进一步转化为芳香族小分子化合物，这两种方法的有效结合仍需要进一步探索，以提高目标产物的得率与纯度。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128719

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