정원 바이오매스의 생분해 중 메톡시기의 리그닌 단량체 함량 및 안정한 수소 동위원소 비율의 변화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8734(2022) 이 기사 인용

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식물 세포의 고도로 중합된 유기 성분인 리그닌은 분해하기 가장 어려운 방향족 물질 중 하나입니다. 온화한 조건에서의 선택적 생분해는 유망한 방법이지만 리그노셀룰로오스의 생분해 중 리그닌 단량체의 동적 변화는 완전히 이해되지 않았습니다. 본 연구에서는 리그닌 단량체 함량, 단량체 비율 및 리그닌 메톡시기(δ2HLM)의 안정 수소 동위원소 비율을 기반으로 다양한 미생물 접종에 따른 리그닌 분해의 차이를 평가했습니다. 분해 중 체중 감소와 리그노셀룰로오스 성분의 순 손실은 곰팡이 접종으로 극적으로 개선되었습니다. 2개의 메톡시기를 함유한 시린길 모노리그놀(S-리그닌)은 1개의 메톡시기를 함유한 구아야실(G-리그닌)보다 분해하기가 더 어려웠습니다. Pseudomonas mandelii와 Aspergillus fumigatus의 공동 배양은 G/S 비율의 가장 큰 감소를 가져왔지만, δ2HLM 값은 곰팡이 접종 내에서 농축이 이루어졌지만 세 가지 생분해 실험에서 크게 다르지 않았습니다. 생분해의 초기 단계에서 δ2HLM 값의 변동은 주로 낙엽에서 유래하는 펙틴 다당류(또 다른 메톡시 공여체)의 손실과 관련이 있을 수 있습니다. 전반적으로, 세 가지 분해 시스템에서 G/S 비율이 감소함에도 불구하고 상대적인 δ2HLM 신호는 보존되었습니다. 그럼에도 불구하고, 생지화학적 순환에 대한 바이오마커로서 리그닌 δ2HLM의 일부 세부 사항은 더 자세히 조사될 필요가 있습니다.

전 세계적으로 도시화가 급속히 확대됨에 따라 정원 바이오매스는 유기 고형 폐기물의 주요 구성 요소가 되고 있습니다1. 그러나 이를 제한 없이 처리하면 잠재적으로 중요한 자원(예: 유기물)이 낭비되고 잠재적으로 환경 오염의 원인이 될 수도 있습니다2. 퇴비화를 포함한 생분해는 이러한 바이오매스를 처리하는 동시에 상업적 용도나 생태학적 가치가 있는 화학 물질과 영양분을 효율적으로 회수하는 방법으로 특별한 주목을 받아 왔습니다3,4. 연구자들은 통제된 조건이나 자연 조건에서 이 바이오매스의 생분해가 리그노셀룰로오스 물질을 성공적으로 분해할 수 있고 다양한 대사 경로를 통해 작용하는 여러 미생물 효소에 의해 잠재적으로 유용한 대체 유기 제품을 생산할 수 있음을 보여주었습니다5,6. 그럼에도 불구하고, 리그닌의 해중합은 거대분자 고분자의 상대적 소수성과 방향족 구조의 항균 특성으로 인해 생물전환 중에 특히 어려운 문제입니다7,8.

두 번째로 풍부한 생체거대분자인 리그닌은 주로 구아이아실 모노리그놀(G-리그닌), 시린길 모노리그놀(S-리그닌) 및 소량의 p-하이드록시페닐 모노리그놀(H-리그닌)의 세 가지 4-하이드록시페닐프로파노이드 단위로 구성됩니다. 해당 비율은 식물과 조직 유형에 따라 다릅니다. 식물에서 이러한 방향족 단량체는 아릴 에테르, 비페닐 에테르, 레지놀, 페닐-쿠마란 및 디페닐 결합을 통해 고도로 상호 연결되어 있어 이러한 분자의 강도와 견고성을 향상시켜 미생물 효소와 화학적 가수분해가 분해되기 어렵게 만듭니다9. 또한, 리그닌 성분은 효소 가수분해를 위한 여러 절단 부위와 비특이적 자유 라디칼에 대한 높은 산화 가능성을 가지고 있기 때문에 생분해는 여전히 리그닌 해중합을 위한 효율적이고 비용 효율적이며 친환경적인 접근 방식입니다10,11. 리그닌의 효소적 가수분해의 복잡한 생화학적 과정은 분해로 시작하여 이질적인 방향족 탄화수소를 형성하며, 이는 중앙 탄소 대사에 의해 소비됩니다12. 일반적으로 락카제, 망간 퍼옥시다제, 리그닌 퍼옥시다제를 포함하는 이러한 리그닌분해 효소(세포외 산화효소)는 주로 곰팡이와 일부 박테리아에 의해 분비됩니다13,14. 대부분의 연구는 리그닌 분해 미생물을 식별하고 다중효소 활성의 발현을 특성화하기 위한 스크리닝에 중점을 두었습니다. 그러나 다양한 미생물에 의한 리그닌 분해 효율에 대한 연구는 무시되어 왔습니다.