Biodegradacja biomasy lignino-celulozowejHanna WybrańskaAnna Malec

Biomasa lignino-celulozowa● Najbardziej rozpowszechniony surowiec na świecie, występuje w różnych częsciach roślin jako sucha

biomasa

● Materiał jest wykorzystywany do produkcji biopaliw, głównie bioetanolu

● Składa się z polimerów węglowodanów (celuloza, hemiceluloza) oraz polimerów związków cyklicznych (lignina)

● Główny składnik drewna i włókien roślinnych

Celuloza

Celuloza – błonnik, nierozgałęziony polisacharyd zbudowany liniowo z 2000 - 14000 cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Łańcuchy te mają długość ok. 7 μm. Wiązanie β przyczynia się do utworzenia sztywnych, długich nitek, które układają się równolegle, tworząc micele powiązane mostkami wodorowymi.

● Pełni funkcje strukturalne w roślinach

● W czystej postaci jest białą, pozbawioną smaku i zapachu substancją, nierozpuszczalną w wodzie

● Jej trawienie umożliwia grupa enzymów tzw. celulazy

● Wykorzystywana do produkcji papieru, w przemyśle kosmetycznym oraz włókienniczym

● Nieprzyjswajalna przez człowieka

Celobioza i hemicelulozaCelobioza - dwucukier, zbudowany z dwóch cząsteczek glukozy, połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Stanowi jednostkę strukturalną celulozy oraz jest jej produktem częściowej hydrolizy.

★ Dwucukier redukujący,

★ Nie występuje powszechnie w stanie wolnym w roślinach

★ Disacharyd nieprzyswajalny przez człowieka.

Hemiceluloza - niejednorodna grupa polisacharydów i ich pochodnych, połączonych wiązaniami β-glikozydowymi tworzących rozgałęzione łańcuchy. Są one jednym z głównych składników ściany komórkowej roślin.Wchodzą w skład m.in. drewna, słomy, nasion i otrąb. Ich nazwa wywodzi się stąd, że chemicznie i strukturalnie bliskie są celulozie.

Lignina Lignina - wata celulozowa, substancja lepiszczowa, nadaje drewnu wytrzymałość na ściskanie i utrzymuje jego sztywność. Usunięcie ligniny z drewna (tzw. delignifikacja), poprzez dodatek związków sodu prowadzi do zmiękczenia substancji drzewnej, co jest procesem niezbędnym podczas produkcji papieru. Ponad to jest bardzo ważnym źródłem aromatycznych reszt kwasów huminowych gleb, torfów czy lignitów.

Polimer zbudowany z podjednostek pochodnych alkoholi fenolowych(koniferylowego, synapinowego oraz kumarylowego)

Struktura jest stabilizowana wiązaniami eterowymi oraz kowalencyjnymi węgiel-węgiel (C-C)

Rozkład prowadzony przez grzyby białej i brązowej zgnilizny

Najbardziej popularne produkty rozkładu: wanilina i kwas wanilinowy

Zastosowanie biomasy lignino-celulozowej

Biomasa lignino-celulozowa

Produkcja biopaliw

Hodowla SCP na makulaturze

Energia elektryczna

i cieplnaProdukcja papieru, włókien

Biogaz

Miazga drzewna

Chemikalia

Źródło bioproduktów pozyskiwanych z ropy naftowej

Enzymy rozkładające celulozę i ligninę

Celuloza Lignina

Lakaza

LiP

MnP

Celulazy

Celobiohydrolazy

ß - glukozydazy

Enzymy rozkładające celulozę 1. Celulazy - działają wewnątrz łańcucha hydrolizując wiązanie ß-1,4-glikozydowe w sposób

przypadkowy

2. Celobiohydrolazy - odłączają kolejne reszty celobiozy lub glukozy od nieredukujących końców celulozy

3. ß-glukozydazy - katalizują reakcję rozkładu celobiozy do dwóch cząsteczek glukozy i odszczepiają cząsteczki glukozy od nieredukujących końców celulozy

4. Dehydrogenaza celobiozowa (CDH) - posiada zdolności do wytwarzania wolnych rodników, dzięki którym może ona degradować i modyfikować wszystkie składniki ligninocelulozy; utlenia redukujący koniec celobiozy, celodekstranu, mannodekstranu, laktozy i innych sacharydów do odpowiednich 1,5-laktonów, które są następnie hydrolizowane do odpowiednich kwasów karboksylowych

Enzymy rozkładające celulozę

Lakaza● Należy do oksydoreduktaz występujących m. in. w roślinach wyższych, u większości

grzybów oraz w niektórych bakteriach.

● Enzymy te katalizują utlenianie szerokiego spektrum związków organicznych i nieorganicznych, któremu towarzyszy redukcja tlenu cząsteczkowego do wody.

● Lakazy pochodzenia roślinnego są białkami biorącymi udział w syntezie ligniny i regeneracji uszkodzonych tkanek.

● �Naturalne funkcje lakaz grzybowych to przede wszystkim udział w:➔ degradacji kompleksu ligninowego drewna,➔ morfogenezie grzybów i roślin (procesie tworzenia zarodników i organizmu dorosłego)➔ procesie melanizacji

Peroksydaza managanozależna MnPGlikozylowane, zewnątrzkomórkowe enzymy zawierające hem jako grupę prostetyczną

Katalizują reakcje degradacji ligniny, charakteryzują się zdolnością utleniania głównie związków fenolowych, ale nie tylko, biodegradacją PAHs, kwasów humidowych, sztucznych barwników oraz zdolnością do detoksyfikacji mykotoksyn

Potrafią wnikać w strukturę kompleksu lignino-celulozowego i katalizować reakcję utleniania struktur aromatycznych w ligninie

Są intensywnie badane w kierunku neutralizacji aflatoksyny B1. MnP z grzyba białej zgnilizny Phanerochaete sordida prowadzi jej utlenianie do epoksydu (AFB1-8,9-epoxide), który następnie jest hydrolizowany do alkoholu AFB1-8,9-hihydrodiol. Proces ten zachodzi z dużą wydajnością

Peroksydaza ligninozależna LiPKatalizują rozpad wiązań kowalencyjnych między atomami węgla C-C w bocznych

łańcuchach podjednostek ligniny, rozpad wiązań w pierścieniach aromatycznych, utlenienie alkoholu weratrylowego i podobnych związków do aldehydów czy ketonów, są w stanie hydroksylować grupy metylenowe

Podczas degradacji ligniny nie wymagają do swojego działania żadnych mediatorów, utleniają bezpośrednio struktury aromatyczne

Do swojego działania enzymy te wymagają natomiast obecności H2O2 , zapewnia on przemianę enzymu w stan o wyższym potencjale utleniania substratu

kwas 3-hydroksy antranilowy

LIGNIN

Podsumowanie• Rozkład biomasy lignino – celulozowej zwiększy wydajność wielu

procesów od delignifikacji pulpy drzewnej po produkcję energii

• Oddzielenie ligniny oraz jej degradacja stanowi źródło wielu związków chemicznych

• Degradacja enzymatyczna biomasy zmniejszy ilość odpadów chemicznych oraz zmniejszy zanieczyszczenie wód stosowanych do tego chemicznej metody procesu

• Enzymy degradujące lignino-celulozę mogą być także wykorzystane do innych celów, np. produkcja biosensorów, synteza i rozkład barwników i innych związków

Bibliografia 1. Koperwas Lidia, Badanie właściwości celulozy, http://

laboratoria.net/artykul/13909.html

2. Sulej Justyna, Dehydrogenaza celobiozowa – właściwości oraz perspektywy zastosowania w biotechnologii

3. Świątek Karolina i in., Doskonalenie warunków hydrolizy enzymatycznej polisacharydów zawartych w słomie rzepakowej

4. Martinez A. i in., Biodegradation of ligninocellulosis: microbial, chemical and enzymatic aspects of fungal attack of lignin

5. Polak Jolanta i in., Reakcje katalizowane przez lakazę – mechanizm i zastosowanie w biotechnologii