Bioprodotti sostenibili dalla lignina: microrganismi fantastici e dove trovarli

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Biomasse, lignina e bioprodotti

Le biomasse lignocellulosiche rappresentano una delle risorse più diffuse e promettenti del nostro pianeta per la produzione di energia, biomateriali e bioprodotti in maniera sostenibile. Pertanto, esse rappresentano un’alternativa alle risorse fossili inquinanti.

Tuttavia, la complessa struttura chimica di questa tipologia di biomasse richiede la messa a punto di tecnologie e processi ad hoc per trasformare le tre componenti principali, quali cellulosa, emicellulosa e lignina (Fig. 1), in molecole ad elevato valore aggiunto. Tale valorizzazione può avvenire mediante processi chimici, fisici e/o biotecnologici.

Rappresentazione schematica della struttura delle biomasse lignocellulosiche.
Figura 1 – Rappresentazione schematica della struttura delle biomasse lignocellulosiche. [Fonte: Nicola di Fidio]

Mentre per la valorizzazione della cellulosa e dell’emicellulosa esistono, ad oggi, approcci e tecnologie differenti, molte delle quali implementate anche su scala industriale, la conversione economicamente e ambientalmente sostenibile della lignina in bioprodotti resta ancora una delle sfide principali di questo secolo.

Ciò è dovuto, essenzialmente, alla struttura estremamente recalcitrante della lignina (Fig. 2) alla depolimerizzazione in molecole più semplici ad alto valore aggiunto. Tale recalcitranza alla lisi è dovuta ai forti legami chimici di questo biopolimero, la cui funzione naturale è proprio quella di difendere le piante da tutti gli agenti biotici e abiotici presenti nella biosfera.

Struttura chimica della lignina con in evidenza le diverse strutture monomeriche e le varie tipologie di legami chimici che rendono difficoltosa la sua conversione in bioprodotti.
Figura 2 – Struttura chimica della lignina con in evidenza le diverse strutture monomeriche e le varie tipologie di legami chimici. [Fonte: science.direct.com]

La complessa sfida della conversione della lignina in bioprodotti

La lignina rappresenta la principale corrente di scarto dei moderni processi di bioraffineria di seconda generazione ma soprattutto dell’industria della carta. Nella maggior parte dei processi industriali, la lignina viene bruciata per produrre parte dell’energia necessaria ad autoalimentare gli impianti del processo produttivo da cui è generata.

Tuttavia, questo approccio, oltre a produrre anidride carbonica, non valorizza pienamente questa risorsa rinnovabile che rappresenta una fonte inestimabile di bioprodotti aromatici ad altissimo valore commerciale nell’industria chimica, cosmetica ed energetica.

Ad oggi, nella letteratura scientifica sono riportati diversi studi che hanno investigato ed ottimizzato approcci chimici, fisici e biotecnologici per la valorizzazione della lignina in bioprodotti in alternativa alla sua combustione (Fig. 3). Sfortunatamente, molti di essi non sono ancora applicabili su una scala industriale.

Rappresentazione schematica dei principali approcci chimici, fisici e biotecnologici per la conversione della lignina in bioprodotti.
Figura 3 – Rappresentazione schematica dei principali approcci chimici, fisici e biotecnologici per la conversione della lignina in bioprodotti. [Fonte: sciencedirect.com]

Solitamente, gli approcci chimico-fisici mirano a convertire la lignina in strutture aromatiche più o meno complesse o in biomateriali appositamente funzionalizzati di interesse industriale. Differentemente, gli approcci biotecnologici mirano a trasformare la lignina o suoi derivati in molecole non aromatiche grazie ai pathway biochimici di particolari microrganismi, dotati di metabolismi molto rari e promettenti.

Tra i bioprodotti di maggiore interesse ottenuti mediante le biotecnologie industriali, vi sono senza dubbio i lipidi, per la produzione di un biodiesel di nuova generazione, l’acido lattico, per la produzione di plastiche a base biologica biodegradabili come il polilattato, e l’acido adipico, una molecola molto utilizzata nelle formulazioni cosmetiche e farmaceutiche, nelle formulazioni di plastificanti e nella produzione del nylon.

Microrganismi in grado di bioconvertire la lignina

Negli ultimi vent’anni, sono aumentati gli studi volti a identificare microrganismi rari in grado di depolimerizzare e convertire la lignina in altri bioprodotti di valore.

Ad esempio, le specie batteriche Corynebacterium glutamicum (Fig. 4) e Pseudomonas putida KT2440-MA-1 sono in grado di convertire soluzioni acquose contenenti lignina in acido muconico. Tale acido dicarbossilico rappresenta una piattaforma chimica per la produzione di diverse preziose bioplastiche di consumo tra cui nylon-6,6, poliuretano e polietilentereftalato (PET).

Immagine al microscopio elettronico del batterio Gram positivo Corynebacterium glutamicum.
Figura 4 – Immagine al microscopio elettronico del batterio Gram positivo Corynebacterium glutamicum. [Fonte: researchgate.net]

Tra i lieviti, una delle specie più promettenti è Rhodococcus opacus (Fig. 5), in grado di convertire la lignina in trigliceridi (lipidi). Infatti, tale specie appartiene alla categoria dei lieviti oleaginosi, ossia microrganismi in grado di accumulare lipidi oltre il 20% del proprio peso cellulare secco, fino ad un massimo dell’80% circa.

Immagine al microscopio elettronico del lievito oleaginoso Rhodococcus opacus in grado di produrre bioprodotti come i lipidi.
Figura 5 – Immagine al microscopio elettronico del lievito oleaginoso Rhodococcus opacus. [Fonte: researchgate.net]

Allo stesso tempo, ci sono altre specie batteriche di interesse quali quelle appartenenti al genere Pandoraea e la specie Cupriavidus basilensis, in quanto sono in grado di accumulare all’interno delle proprie cellule i poliidrossialcanoati (PHA). Infatti, questi ultimi sono considerati una delle bioplastiche più promettenti del futuro e ad oggi, innumerevoli gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno cercando di ottimizzare il processo di produzione di questo biopolimero e renderlo economicamente sostenibile su scala industriale.

Le prospettive biotecnologie dei microrganismi in grado di convertire la lignina in bioprodotti

Le specie microbiche in grado di depolimerizzare la lignina ed utilizzare composti aromatici come fonte di carbonio o come substrato biochimico sono davvero pochi. Quindi, le specie finora identificate sono davvero preziose in quanto aprono la strada per la scoperta di fondamentali strumenti biotecnologici per lo sviluppo di processi green volti a valorizzare la lignina in un ampio ventaglio di soluzioni e bioprodotti.

Studiare queste specie di batteri e lieviti permetterà di identificare gli enzimi coinvolti nella depolimerizzazione della lignina, solitamente laccasi, ossidoreduttasi e perossidasi, e le vie metaboliche responsabili della conversione dei composti aromatici in altre molecole di interesse.

Queste preziose informazioni permetteranno, in un futuro non troppo lontano, di sviluppare bioprocessi di catalisi basati su enzimi o su cellule intere geneticamente modificate al fine di incrementare le rese di processo e abbattere i costi di produzione.

Pertanto, tutto ciò favorirà lo sviluppo di processi su scala industriale e la diffusione di bioraffinerie in tutto il mondo per la tanto attesa transizione economica, tecnologica e sociale verso processi sostenibili, rispettosi dell’ambiente e di tutti gli esseri viventi.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Sivagurunathan, P., Raj, T., Mohanta, C. S., Semwal, S., Satlewal, A., Gupta, R. P., Kumar, R. (2020). 2G waste lignin to fuel and high value-added chemicals: Approaches, Challenges and future outlook for sustainable development. Chemosphere, 129326.
  • Anthony, W. E., Carr, R. R., DeLorenzo, D. M., Campbell, T. P., Shang, Z., Foston, M., Dantas, G. (2019). Development of Rhodococcus opacus as a chassis for lignin valorization and bioproduction of high-value compounds. Biotechnology for biofuels, 12(1), 1-14.
  • Dikshit, P. K., Jun, H. B., Kim, B. S. (2020). Biological conversion of lignin and its derivatives to fuels and chemicals. Korean Journal of Chemical Engineering, 37(3), 387-401.

Crediti immagini:

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