Учёные модифицировали древесину природным полимером для улучшения конверсии биомассы

Добавление природного полимера, делающего древесину более пористой, позволило создать деревья, которые легче расщепляются на простые строительные блоки.

Ископаемое топливо — основной источник энергии, химикатов и многих материалов, но оно ответственно за значительную часть выбросов парниковых газов. Для достижения углеродной нейтральности многие продукты, производимые сегодня из ископаемого топлива, завтра должны будут производиться из биомассы. Однако конверсия древесной биомассы в топливо и другие полезные продукты очень химически и энергетически затратна.

До сих пор исследования по обработке древесной биомассы для повышения эффективности её конверсии в основном были направлены на сложные полимеры, уже присутствующие в древесине.

Маттьё Бурдон и его коллеги использовали другой подход. Они взяли каллозу — полимер, естественным образом присутствующий в некоторых клеточных стенках растений, — и успешно внедрили его в специализированные вторичные клеточные стенки растений, то есть в древесину. Исследование, опубликованное в Nature Plants, показывает, что древесина, обогащённая каллозой, гораздо легче превращается в простые сахара и биоэтанол, чем немодифицированная древесина.

Доктор Бурдон сначала трансформировал модельное растение резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), чтобы оно биосинтезировало каллозу в своих вторичных стенках. «Мы показали, что растения могут включать новый полимер в свои вторичные клеточные стенки без какого-либо негативного влияния на рост», — сказал он.

Создание деревьев как более эффективного и устойчивого сырья для конверсии биомассы

Перейдя на быстрорастущее дерево — осину гибридную (Populus tremula x tremuloides), — команда обнаружила, что древесина, обогащённая каллозой, демонстрирует интересные новые свойства, такие как повышенная гигроскопичность и пористость. Это делает полимеры более доступными для извлечения и преобразования в простые строительные блоки, такие как сахара или биоэтанол.

«Понимание ультраструктурных эффектов добавления каллозы в модифицированную древесину было очень сложной задачей. Передовые эксперименты, проведённые командами Пола и Рея Дюпре в Кембриджском и Уорикском университетах, стали краеугольным камнем этой работы. Они неожиданно показали, что каллоза не взаимодействует с другими полимерами, но предположили, что она может действовать как разделитель клеточной стенки, притягивая воду», — пояснил доктор Бурдон.

«Мы предполагаем, что наша модифицированная древесина принесёт пользу производству биоматериалов и биотоплива, зависящему от деконструкции биомассы и доступности полимеров, например, для упаковочных материалов или даже передовых биоматериалов, таких как нанофибриллы целлюлозы и делигнифицированная древесина».

«Следующий шаг — проведение полевых испытаний для подтверждения наших выводов и оценки производительности деревьев, обогащённых каллозой, в реальных лесных условиях. Мы также надеемся, что наше открытие, связанное с внедрением нового полимера в древесину, вдохновит других исследователей на внедрение других типов полимеров для конкретных применений».