Variações nos teores de monômeros de lignina e proporções estáveis ​​de isótopos de hidrogênio em grupos metoxi durante a biodegradação de biomassa de jardim

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8734 (2022) Citar este artigo

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A lignina, um componente orgânico altamente polimerizado das células vegetais, é uma das substâncias aromáticas mais difíceis de degradar. A biodegradação seletiva sob condições amenas é um método promissor, mas as variações dinâmicas nos monômeros de lignina durante a biodegradação da lignocelulose não são totalmente compreendidas. Neste estudo, avaliamos as diferenças na degradação da lignina sob diferentes inoculações microbianas com base no teor de monômeros de lignina, razão de monômeros e razão de isótopos de hidrogênio estável dos grupos metoxi da lignina (δ2HLM). A perda de peso durante a degradação e a perda líquida de componentes lignocelulósicos melhoraram dramaticamente com a inoculação fúngica. O siringil monolignol (S-lenhina), que contém dois grupos metoxi, foi mais difícil de degradar do que o guaiacil (G-lenhina), que contém apenas um grupo metoxi. O co-cultivo de Pseudomonas mandelii e Aspergillus fumigatus produziu a maior diminuição na relação G/S, mas os valores de δ2HLM não diferiram significativamente entre os três experimentos de biodegradação, embora o enriquecimento tenha sido feito dentro da inoculação do fungo. A flutuação dos valores de δ2HLM durante a fase inicial da biodegradação pode estar relacionada à perda de polissacarídeos pécticos (outro doador de metoxi), que se originam principalmente de folhas caídas. No geral, os sinais δ2HLM relativos foram preservados apesar da diminuição das razões G/S nos três sistemas de degradação. No entanto, alguns detalhes da lignina δ2HLM como um biomarcador para ciclos biogeoquímicos precisam ser mais explorados.

Com a rápida expansão mundial da urbanização, a biomassa de jardim está se tornando um componente importante dos resíduos sólidos orgânicos1. No entanto, seu descarte desenfreado desperdiçaria um recurso potencialmente importante (isto é, matéria orgânica) e potencialmente até se tornaria uma fonte de poluição ambiental2. A biodegradação, incluindo a compostagem, tem recebido atenção especial como forma de descartar essa biomassa, recuperando com eficiência produtos químicos e nutrientes que têm aplicações comerciais ou valor ecológico3,4. Os pesquisadores mostraram que a biodegradação dessa biomassa sob condições controladas ou naturais pode decompor com sucesso o material lignocelulósico e permitir a produção de produtos orgânicos alternativos potencialmente úteis por múltiplas enzimas microbianas que atuam através de diferentes vias metabólicas5,6. No entanto, a despolimerização da lignina é um desafio particular durante a bioconversão devido à relativa hidrofobicidade dos polímeros macromoleculares e às propriedades antibacterianas das estruturas aromáticas7,8.

A lignina, a segunda biomacromolécula mais abundante, é composta predominantemente por três unidades 4-hidroxifenilpropanoides: monolignóis guaiacil (G-lignina), as proporções correspondentes variando com o tipo de planta e tecido. Nas plantas, esses monômeros aromáticos são altamente interconectados por meio de éter arílico, éter bifenílico, resinol, fenil-cumarano e ligações difenil, aumentando assim a força e a rigidez dessas moléculas, o que as torna mais difíceis de degradar por enzimas microbianas e hidrólise química9. Além disso, como os componentes da lignina têm vários locais de clivagem para hidrólise enzimática e alto potencial de oxidação para radicais livres não específicos, a biodegradação ainda é uma abordagem eficiente, econômica e ecológica para a despolimerização da lignina10,11. O complexo processo bioquímico de hidrólise enzimática da lignina começa com a desconstrução para formar hidrocarbonetos aromáticos heterogêneos, que são então consumidos pelo metabolismo central do carbono12. Em geral, essas enzimas ligninolíticas (oxidases extracelulares), que incluem lacase, manganês peroxidase e lignina peroxidase, são secretadas principalmente por fungos e algumas bactérias13,14. A maioria das pesquisas se concentrou na triagem para identificar microorganismos degradadores de lignina e para caracterizar a expressão de atividades multienzimáticas; no entanto, estudos sobre a eficiência da degradação da lignina por diferentes microrganismos têm sido negligenciados15.