Une lignine

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4866 (2023) Citer cet article

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L’industrie de la bioraffinerie lignocellulosique peut contribuer grandement à la réalisation des objectifs mondiaux de carboneutralité nette. Cependant, la faible valorisation de la lignine résiduaire limite fortement la durabilité des bioraffineries. À l’aide d’une réaction hydrothermale, nous avons converti la lignine de l’acide sulfurique (SAL) en un SAL hydrothermal soluble dans l’eau (HSAL). Ici, nous montrons l’amélioration de HSAL sur la biodisponibilité et la croissance des nutriments végétaux grâce à sa capacité de chélation des métaux. Nous caractérisons le rapport élevé de groupes hydroxyle phénoliques par rapport aux groupes méthoxy de HSAL et sa capacité à chélater les ions métalliques. L'application de HSAL favorise considérablement la longueur des racines et la croissance des espèces de plantes monocotylédones et dicotylédones en raison de l'amélioration de la biodisponibilité des nutriments. L’augmentation de la biodisponibilité du fer induite par HSAL est comparable à celle du chélateur de métaux bien connu, l’acide éthylènediaminetétraacétique. Par conséquent, HSAL promet d’être un chélateur de nutriments durable offrant une voie attrayante pour l’utilisation durable de la lignine résiduelle de l’industrie de la bioraffinerie.

Le secteur du raffinage de la biomasse représente une composante importante d’une bioéconomie durable et s’est développé rapidement1. La biomasse lignocellulosique est considérée comme une biomasse idéale pour le raffinage des matières premières pour les biocarburants et d'autres produits, car le rendement annuel d'environ 200 milliards de tonnes ne constitue pas une concurrence pour l'alimentation humaine ou animale2. La lignine représente 15 à 40 % du carbone total contenu dans la biomasse lignocellulosique3. La lignine constitue également la plus grande source de polymères aromatiques naturels et recèle un grand potentiel en tant que matière première pour de nombreux produits biosourcés4. Cependant, en raison de sa structure chimique hétérogène aux liens complexes et variables, la lignine est généralement considérée comme un facteur d’interférence défavorable et rejetée comme déchet du système de bioraffinage5. De plus, la majeure partie de la lignine n’est pas isolée mais plutôt brûlée sur place, ce qui génère l’émission de carbone la plus importante provenant du raffinage de la biomasse lignocellulosique6. Pour surmonter cette inefficacité dans l’industrie du raffinage de la biomasse, diverses technologies, notamment la pyrolyse, l’hydrogénolyse catalysée par une base ou un acide, et l’oxydation, ont été développées pour la valorisation de la lignine. Les produits actuels de valorisation de la lignine comprennent des fibres de carbone à faible coût, des plastiques d'origine végétale, des carburants fongibles et des produits chimiques de base6. Cependant, ces matériaux dérivés de la lignine ne représentent qu’environ 2 % de la lignine industrielle totale (50 millions de tonnes) et seront difficilement en mesure de faire face au volume en croissance rapide de la lignine industrielle7. Sans une voie durable d’utilisation de cette lignine industrielle, l’industrie du raffinage de la biomasse restera une source considérable d’émissions et de déchets de CO2, tout en passant à côté de la valorisation d’une quantité substantielle de lignine8.

La faim cachée ou la malnutrition en micronutriments touche environ un tiers de la population mondiale. Cela est principalement dû au manque de micronutriments tels que le fer, le calcium et le zinc dans les cultures de base riches en calories que ces personnes consomment principalement9. Une approche essentielle pour réduire la faim cachée consiste à augmenter la teneur en micronutriments de ces cultures de base grâce aux technologies agricoles ou à la biofortification10. La carence en fer représente l’une des principales causes de faim cachée11. Cela est dû à la faible biodisponibilité du fer dans les sols alcalins, qui représentent 25 à 40 % de la surface des terres arables, car la faible biodisponibilité du fer dans les sols réduit non seulement considérablement le rendement des cultures, mais limite également l'augmentation potentielle de l'accumulation de fer dans les cultures vivrières12. Les carences en micronutriments dans les cultures vivrières deviennent plus graves en raison de l’apport excessif de macronutriments tels que l’azote et le phosphate et de l’augmentation des niveaux de CO2 atmosphérique13. Pour contrer cela, des composés chimiques tels que l’acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) peuvent être utilisés comme additifs d’engrais pour améliorer efficacement la biodisponibilité des ions métalliques et augmenter l’accumulation de nutriments métalliques dans les cultures vivrières14. Cependant, ces additifs fertilisants sont coûteux et peuvent causer des dommages environnementaux importants car ils ne sont pas biodégradables et entraînent ainsi une pollution par les métaux lourds15. La lignine possède plusieurs groupes fonctionnels actifs, notamment des groupes hydroxyle aliphatique, carbonyle et hydroxyle phénolique, ainsi qu'une paire d'électrons non partagés sur l'atome d'oxygène, qui sont tous impliqués dans la chélation des ions métalliques. Les composés naturels dérivés de la lignine constituent la plus grande source d’approvisionnement en substances humiques16. Les substances humiques présentes dans les sols sont des chélates naturels qui augmentent la biodisponibilité des nutriments métalliques et contribuent à éviter les phénotypes de carence en nutriments métalliques chez les plantes17. Le lignosulfonate a également été utilisé pour synthétiser le lignosulfonate de fer18. Pris ensemble, cela indique que les matériaux dérivés de la lignine ont le potentiel d’être utilisés comme chélateurs de métaux et d’améliorer la biodisponibilité des nutriments. Cependant, l’ajout de lignine industrielle aux engrais n’a pas suscité beaucoup d’intérêt dans le domaine de la valorisation de la lignine19.