<p>當(dāng)大自然設(shè)計(jì)木質(zhì)素時(shí)，它沒(méi)有走任何捷徑。木質(zhì)素是一種纖維狀的木質(zhì)材料，賦予植物堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)。分解速度慢得令人難以置信，木質(zhì)素是如此堅(jiān)固和持久，它能抵抗細(xì)菌和腐爛。</p> <p>&nbsp;</p> <p>那么，來(lái)自農(nóng)田、啤酒廠和造紙廠的木質(zhì)素廢物會(huì)發(fā)生什么?其中大部分被焚燒或掩埋，造成污染，浪費(fèi)了一種潛在的可再生資源。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，西北大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種可持續(xù)的、廉價(jià)的兩步工藝，可以對(duì)包括木質(zhì)素在內(nèi)的有機(jī)碳廢物進(jìn)行升級(jí)循環(huán)。通過(guò)微生物驅(qū)動(dòng)的生物精煉廠處理廢物，研究人員將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為碳源，可用于高價(jià)值的植物衍生藥物和抗氧化營(yíng)養(yǎng)藥品，以及用于藥物或化學(xué)傳遞的碳基納米顆粒。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究被刊登在《ACS可持續(xù)化學(xué)與工程》雜志一月號(hào)的封面上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的西北大學(xué)的金伯利&middot;格雷說(shuō):&ldquo;木質(zhì)素應(yīng)該有巨大的價(jià)值，但它本質(zhì)上被視為廢物。&rdquo;&ldquo;木質(zhì)素占生物量的20-30%，但占能量的40%，這是很多的，但很難利用這種能源。大自然使木質(zhì)素如此難以處理，以至于人們還不知道如何使用它。幾十年來(lái)，研究人員一直在試圖解決這個(gè)問(wèn)題。以煉油廠為模板，我們開(kāi)發(fā)了一種生物煉油廠，可以吸收廢物流，生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>格雷是土木與環(huán)境工程Roxelyn and Richard Pepper家族主席，西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院土木與環(huán)境工程教授。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>大自然的建筑材料</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>木質(zhì)素是世界上最豐富的有機(jī)聚合物之一，存在于所有維管植物中。木質(zhì)素存在于細(xì)胞壁之間，它能提供像樹(shù)木這樣堅(jiān)固的植物結(jié)構(gòu)支撐。如果沒(méi)有木質(zhì)素，木頭和樹(shù)皮就會(huì)太脆弱，無(wú)法支撐樹(shù)木。木制房屋和家具會(huì)倒塌。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但大多數(shù)使用植物的行業(yè)，如造紙業(yè)和釀造業(yè)，會(huì)剝離木質(zhì)素，留下纖維素，一種糖。工業(yè)團(tuán)隊(duì)將木質(zhì)素作為一種廉價(jià)的燃料來(lái)燃燒，而不是利用天然的超耐腐蝕材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>格雷說(shuō):&ldquo;人類(lèi)想要擺脫木質(zhì)素來(lái)獲得糖。&rdquo;&ldquo;他們發(fā)酵纖維素來(lái)制造酒精，或者加工纖維素來(lái)制造紙漿。然后它們用木質(zhì)素做什么?他們把它當(dāng)做低質(zhì)量的燃料來(lái)燃燒。這是浪費(fèi)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">細(xì)菌燃料電池</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>為了開(kāi)發(fā)一種分解碳廢物(包括木質(zhì)素)的生物精煉廠，研究人員首先設(shè)計(jì)了一種微生物電解電池(MEC)。與燃料電池類(lèi)似，MEC在陽(yáng)極和陰極之間交換能量。但是西北大學(xué)的生物陽(yáng)極不是基于金屬的陽(yáng)極，而是由外電原組成&mdash;&mdash;一種細(xì)菌，通過(guò)吃有機(jī)物自然產(chǎn)生電能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究報(bào)告的合著者、麥考密克大學(xué)土木與環(huán)境工程副教授喬治&middot;威爾斯說(shuō):&ldquo;微生物起到了催化劑的作用。&rdquo;&ldquo;我們使用生物作為催化劑，而不是使用通常非常昂貴且需要高溫的化學(xué)催化劑。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;人類(lèi)想要擺脫木質(zhì)素來(lái)獲得糖。他們將纖維素發(fā)酵制成酒精或加工成紙漿。然后它們用木質(zhì)素做什么?他們把它當(dāng)做低質(zhì)量的燃料來(lái)燃燒。這是浪費(fèi)。&mdash;&mdash;金伯利&middot;格雷，土木和環(huán)境工程師</p> <p>&nbsp;</p> <p>MEC的美妙之處在于它可以處理任何類(lèi)型的有機(jī)廢物&mdash;&mdash;人類(lèi)、農(nóng)業(yè)或工業(yè)。MEC讓充滿(mǎn)廢水的水通過(guò)細(xì)菌循環(huán)，細(xì)菌會(huì)吃掉碳。在這里，它們將有機(jī)碳降解為二氧化碳，然后自然地呼吸電子。在這個(gè)過(guò)程中，提取的電子從生物陽(yáng)極流向陰極(由碳布制成)，在那里它們減少氧氣生成水。這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗質(zhì)子，使水的pH值上升，變成腐蝕性溶液。從那里，苛性溶液可以用于任何數(shù)量的應(yīng)用，包括廢水處理。</p> <p>&nbsp;</p> <p>威爾斯說(shuō):&ldquo;這種工藝的另一個(gè)好處是，它可以有效地處理廢水，去除有害的有機(jī)碳。&rdquo;&ldquo;所以，一個(gè)關(guān)鍵的產(chǎn)品是清潔的水。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>但研究人員將注意力轉(zhuǎn)回到了木質(zhì)素上。木質(zhì)素化合物經(jīng)久耐用，因?yàn)樗鼈兒袕?fù)雜的芳香族碳鏈，這種碳鏈有一種特殊的鍵合模式，形成了一個(gè)由六個(gè)碳原子組成的環(huán)。每個(gè)芳香環(huán)都由交替的雙鍵和單鍵組成，它們很難被分開(kāi)。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">打破&ldquo;牢不可破&rdquo;的紐帶</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，當(dāng)研究人員將木質(zhì)素暴露在基于生物的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)中時(shí)，木質(zhì)素的聚合物以一種保存芳香環(huán)的方式分解。大約17%的加工木質(zhì)素變成了稱(chēng)為類(lèi)黃酮的碳環(huán)，這是一種富含抗氧化劑的植物營(yíng)養(yǎng)素，經(jīng)常在補(bǔ)充劑中發(fā)現(xiàn)。這些環(huán)通常用于藥物化學(xué)，可以用作廉價(jià)藥物和補(bǔ)充劑的植物來(lái)源的可持續(xù)前體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>格雷說(shuō):&ldquo;它分解了聚合物鍵，但選擇性地離開(kāi)了環(huán)。&rdquo;&ldquo;如果你能保存這個(gè)環(huán)，那么你就可以制造高價(jià)值的材料?；瘜W(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了催化劑，可以分解整個(gè)化合物，然后他們必須重新構(gòu)建環(huán)。但我們能夠有選擇地打破它，以保留有價(jià)值的結(jié)構(gòu)。&rdquo;</p> <p><br /><strong><span class="h1">新工藝生成富含抗氧化劑類(lèi)黃酮的木質(zhì)素量</span></strong></p> <p><br />剩下的加工過(guò)的木質(zhì)素(約80%)變成了碳基納米顆粒，可用于包裹人體靶向藥物輸送或植物靶向營(yíng)養(yǎng)輸送的物質(zhì)。納米顆粒還可以提供一種可持續(xù)的、從植物中提取的替代品，用于防曬霜和化妝品。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Wells說(shuō):&ldquo;確定并探索從多種廢物流中可持續(xù)回收資源的途徑是令人興奮的。&rdquo;&ldquo;我們有大量的廢水和木質(zhì)素流，單獨(dú)處理它們的成本很高。我們正試圖將其重新想象為價(jià)值來(lái)源。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">回收不含危險(xiǎn)化學(xué)品的資源</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然研究人員可以使用一種商業(yè)上可用的苛性物質(zhì)來(lái)處理木質(zhì)素，但他們基于mec的方法有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，綠色生物化學(xué)制品的效果更好。其次，它更安全，更便宜，可以在環(huán)境條件下使用，并可以在需要的時(shí)候產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>威爾斯說(shuō):&ldquo;有很多腐蝕性物質(zhì)，比如氫氧化鈉，它通常用于許多工業(yè)過(guò)程和廢水處理。&rdquo;&ldquo;但這涉及到運(yùn)輸和儲(chǔ)存大量有毒化學(xué)物質(zhì)。這不僅昂貴，而且對(duì)公眾健康有害。從廢物中產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)更安全，也更可持續(xù)。我們不必運(yùn)輸或儲(chǔ)存大量危險(xiǎn)化學(xué)品，也不依賴(lài)于供應(yīng)鏈或按時(shí)到達(dá)的卡車(chē)。它為我們提供了靈活性和適應(yīng)性，可以在需要時(shí)就地生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)名為&ldquo;溫和條件下木質(zhì)素的定值:生物提煉類(lèi)黃酮和木質(zhì)素納米顆粒&rdquo;的研究得到了西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院有限地球計(jì)劃的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>