当大自然设计木质素时，它没有走任何捷径。木质素是一种纤维状的木质材料，赋予植物坚硬的结构。分解速度慢得令人难以置信，木质素是如此坚固和持久，它能抵抗细菌和腐烂。

那么，来自农田、啤酒厂和造纸厂的木质素废物会发生什么?其中大部分被焚烧或掩埋，造成污染，浪费了一种潜在的可再生资源。

现在，西北大学的研究人员已经开发出一种可持续的、廉价的两步工艺，可以对包括木质素在内的有机碳废物进行升级循环。通过微生物驱动的生物精炼厂处理废物，研究人员将木质素转化为碳源，可用于高价值的植物衍生药物和抗氧化营养药品，以及用于药物或化学传递的碳基纳米颗粒。

这项研究被刊登在《ACS可持续化学与工程》杂志一月号的封面上。

领导这项研究的西北大学的金伯利·格雷说:“木质素应该有巨大的价值，但它本质上被视为废物。”“木质素占生物量的20-30%，但占能量的40%，这是很多的，但很难利用这种能源。大自然使木质素如此难以处理，以至于人们还不知道如何使用它。几十年来，研究人员一直在试图解决这个问题。以炼油厂为模板，我们开发了一种生物炼油厂，可以吸收废物流，生产高价值产品。”

格雷是土木与环境工程Roxelyn and Richard Pepper家族主席，西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程教授。

大自然的建筑材料

木质素是世界上最丰富的有机聚合物之一，存在于所有维管植物中。木质素存在于细胞壁之间，它能提供像树木这样坚固的植物结构支撑。如果没有木质素，木头和树皮就会太脆弱，无法支撑树木。木制房屋和家具会倒塌。

但大多数使用植物的行业，如造纸业和酿造业，会剥离木质素，留下纤维素，一种糖。工业团队将木质素作为一种廉价的燃料来燃烧，而不是利用天然的超耐腐蚀材料。

格雷说:“人类想要摆脱木质素来获得糖。”“他们发酵纤维素来制造酒精，或者加工纤维素来制造纸浆。然后它们用木质素做什么?他们把它当做低质量的燃料来燃烧。这是浪费。”

细菌燃料电池

为了开发一种分解碳废物(包括木质素)的生物精炼厂，研究人员首先设计了一种微生物电解电池(MEC)。与燃料电池类似，MEC在阳极和阴极之间交换能量。但是西北大学的生物阳极不是基于金属的阳极，而是由外电原组成——一种细菌，通过吃有机物自然产生电能。

研究报告的合著者、麦考密克大学土木与环境工程副教授乔治·威尔斯说:“微生物起到了催化剂的作用。”“我们使用生物作为催化剂，而不是使用通常非常昂贵且需要高温的化学催化剂。”

“人类想要摆脱木质素来获得糖。他们将纤维素发酵制成酒精或加工成纸浆。然后它们用木质素做什么?他们把它当做低质量的燃料来燃烧。这是浪费。——金伯利·格雷，土木和环境工程师

MEC的美妙之处在于它可以处理任何类型的有机废物——人类、农业或工业。MEC让充满废水的水通过细菌循环，细菌会吃掉碳。在这里，它们将有机碳降解为二氧化碳，然后自然地呼吸电子。在这个过程中，提取的电子从生物阳极流向阴极(由碳布制成)，在那里它们减少氧气生成水。这个过程会消耗质子，使水的pH值上升，变成腐蚀性溶液。从那里，苛性溶液可以用于任何数量的应用，包括废水处理。

威尔斯说:“这种工艺的另一个好处是，它可以有效地处理废水，去除有害的有机碳。”“所以，一个关键的产品是清洁的水。”

但研究人员将注意力转回到了木质素上。木质素化合物经久耐用，因为它们含有复杂的芳香族碳链，这种碳链有一种特殊的键合模式，形成了一个由六个碳原子组成的环。每个芳香环都由交替的双键和单键组成，它们很难被分开。

打破“牢不可破”的纽带

然而，当研究人员将木质素暴露在基于生物的腐蚀性化学物质中时，木质素的聚合物以一种保存芳香环的方式分解。大约17%的加工木质素变成了称为类黄酮的碳环，这是一种富含抗氧化剂的植物营养素，经常在补充剂中发现。这些环通常用于药物化学，可以用作廉价药物和补充剂的植物来源的可持续前体。

格雷说:“它分解了聚合物键，但选择性地离开了环。”“如果你能保存这个环，那么你就可以制造高价值的材料。化学家们已经开发出了催化剂，可以分解整个化合物，然后他们必须重新构建环。但我们能够有选择地打破它，以保留有价值的结构。”

新工艺生成富含抗氧化剂类黄酮的木质素量

剩下的加工过的木质素(约80%)变成了碳基纳米颗粒，可用于包裹人体靶向药物输送或植物靶向营养输送的物质。纳米颗粒还可以提供一种可持续的、从植物中提取的替代品，用于防晒霜和化妆品。

Wells说:“确定并探索从多种废物流中可持续回收资源的途径是令人兴奋的。”“我们有大量的废水和木质素流，单独处理它们的成本很高。我们正试图将其重新想象为价值来源。”

回收不含危险化学品的资源

虽然研究人员可以使用一种商业上可用的苛性物质来处理木质素，但他们基于mec的方法有许多优点。首先，绿色生物化学制品的效果更好。其次，它更安全，更便宜，可以在环境条件下使用，并可以在需要的时候产生化学物质。

威尔斯说:“有很多腐蚀性物质，比如氢氧化钠，它通常用于许多工业过程和废水处理。”“但这涉及到运输和储存大量有毒化学物质。这不仅昂贵，而且对公众健康有害。从废物中产生化学物质更安全，也更可持续。我们不必运输或储存大量危险化学品，也不依赖于供应链或按时到达的卡车。它为我们提供了灵活性和适应性，可以在需要时就地生产化学物质。”

这项名为“温和条件下木质素的定值:生物提炼类黄酮和木质素纳米颗粒”的研究得到了西北大学麦考密克工程学院有限地球计划的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。