Λιγνίνη, ένα κρυμμένο διαμάντι

Λιγνίνη
Credit: Karol Głąbpl. - own work from: Glazer, A. W., and Nikaido, H. (1995). Microbial Biotechnology: fundamentals of applied microbiology. San Francisco: W. H. Freeman, p. 340. ISBN 0-71672608-4, CC BY-SA 3.0

Το ξύλο έχει ζωτική σημασία για την ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού. Λένε ότι το ξύλο σας ζεσταίνει δύο φορές, μια φορά όταν το κόβετε και άλλη μια όταν το καίνε. Αλλά μπορούμε να προσθέσουμε και μια τρίτη: όταν το χρησιμοποιείται για να φτιάξετε τα άνετα κτίρια που ζείτε.  

Διατομή κορμού δέντρου που δείχνει
27 ετήσια δαχτυλίδια ανάπτυξης

Ο Brian Clegg σε μιά διαδικτυακή ραδιοφωνική μετάδοση (internet broadcast) στo www.chemistryworld.com της Royal Society of Chemistry (RSC) κοιτάζει την καρδιά της ένωσης που κάνει το ξύλο να έχει αυτή τη τεράστια γκάμα των ιδιοτήτων του.

Σε έναν κόσμο όπου κυριαρχούν τα μέταλλα και τα πλαστικά, είναι εύκολο να ξεχνάμε πόσο σημαντικό ήταν το ξύλο για την ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού. Ένα παγκόσμιο οικοδομικό υλικό, μια πρώτη ύλη απαραίτητη και μια πηγή θερμότητας, που έχει φυσική προέλευση. Ακόμα και σήμερα θα το βρείτε στα περισσότερα κτίρια. Και στην καρδιά αυτού του πολύπλευρου χαρακτήρα του ξύλου είναι ένα πολυσύνθετο αρωματικό πολυμερές που ονομάζεται λιγνίνη.

Η λιγνίνη είναι ότι λέει το όνομά της, όνομά που προέρχεται από το λατινικό για το ξύλο, το lignum. Αν και ο ρόλος της ένωσης στο ξύλο των δέντρων είναι πιθανότατα ο πιο σημαντικός, η λιγνίνη εμφανίζεται επίσης με το ίδιο είδος δομής στα φυτά για τη διανομή του νερού και των θρεπτικών ουσιών, στα αγγειακά φυτά, τα οποία περιλαμβάνουν τις φτέρες αλλά και τα είδη που έχουν ανθοφορία. Δεν αποτελεί έκπληξη, το ότι υπάρχει μια τεράστια ποσότητα λιγνίνης εκεί έξω, είναι το δεύτερο σε ποσότητα οργανικό πολυμερές μετά την πανταχού παρούσα κυτταρίνη και συμβάλλει κατά 30% περίπου στη ποσότητα της βιομάζας.

Χημική δομή της λιγνίνης, η οποία αποτελεί περίπου το 25% ξηρής ύλης του ξύλου και είναι υπεύθυνη για πολλές από τις ιδιότητές του.
Credit: By Smokefoot - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16022799

Αυστηρά μιλώντας, η λιγνίνη δεν είναι μια ένωση αλλά μια ολόκληρη οικογένεια - το ακριβές μακιγιάζ ποικίλλει από είδος σε είδος. Κάθε μία έχει μια επαναλαμβανόμενη μορφή, με μια μονάδα που τυπικά θα περιέχει έναν δακτύλιο άνθρακα, μια μικρή αλυσίδα άνθρακα, δύο έως τέσσερα άτομα οξυγόνου και μερικές φορές έναν μικρό αριθμό ομάδων μεθυλίου. Σε αντίθεση με πολλά άλλα πολυμερή που βρίσκονται στη φύση η λιγνίνη δεν έχει ένα τυποποιημένο τρόπο κατασκευής - δεν υπάρχει κάτι αντίστοιχο, για παράδειγμα, με την κομψή ελικοειδή ραχοκοκαλιά του DNA. Η λιγνίνη σχηματίζει δομές τυχαίας μορφής στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών. Εδώ, το ακατάστατο δίκτυο γίνεται για να δώσει επιπλέον ακαμψία - εξ ου και η σημασία της λιγνίνης στο ξύλο. Η λειτουργία της έχει παρομοιαστεί με την εποξειδική ρητίνη στον υαλοβάμβακα, με την κυτταρίνη να παίζει τον ρόλο των ινών γυαλιού. Ωστόσο, αυτό δεν είναι ο μόνος ρόλος που διαδραματίζει η λιγνίνη.

Τα τριχοειδή αγγεία φυτού της συκιάς. By The original uploader was Zaoui58 at English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2996163

Υπάρχει ένας ιδιαίτερος λόγος που η ένωση αυτή βρίσκεται στα αγγειακά φυτά. Η κυτταρίνη και αρκετές άλλες ενώσεις στα τοιχώματα των κυττάρων είναι υδρόφιλες, απορροφώντας το νερό και επιτρέποντάς του να περάσει. Αλλά στα κύτταρα που δρουν σαν αρτηρίες στα αγγειακά φυτά, το νερό και τα θρεπτικά συστατικά πρέπει να προχωρούν αποτελεσματικά κατά μήκος του ιστού και να μην διαχέονται δεξιά κι’ αριστερά. Ιδιαίτερα στα δέντρα, όπου μπορεί να υπάρξει σημαντική απόσταση μεταξύ των νέων φύλων/κλάδων που αναπτύσσονται στην κορυφή του δέντρου και των ριζών. Η λιγνίνη είναι υδρόφοβη, απωθώντας το νερό - έτσι το δίκτυο λιγνίνης στα κυτταρικά τοιχώματα δρα για να διατηρεί τα υγρά που χρειάζονται για τη ζωή στη θέση τους.

Φυσικό πηγή πετρελαίου στο Korňa της Σλοβακίας
By Branork - Own work, CC BY 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3811632

Υπάρχει μια δευτερεύουσα συνέπεια αυτής της ικανότητας που αποδείχθηκε ιδιαίτερα χρήσιμη για τον άνθρωπο. Όταν η ένωση αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον ελβετικό βοτανολόγο Augustin Pyramus de Candolle το 1813, σημείωσε ότι δεν διαλύεται στο νερό. Όταν ένα φυτό είναι νεκρό, η λιγνίνη διασπάται πολύ πιο αργά από πολλές άλλες οργανικές ενώσεις στα κύτταρα του φυτού. Αυτό είναι που μας δίνει την ικανότητά να χρησιμοποιούμε το ξύλο ως ένα βολικό δομικό υλικό. Επίσης επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο η σάπια φυτική ύλη διατηρεί μια σημαντική ποσότητα θρεπτικών ουσιών στο κομπόστ και επίσης επιτρέπει τον σχηματισμό ορυκτών άνθρακούχων καυσίμων όπως ο γαιάνθρακας και το πετρέλαιο που έκαναν εφικτή την βιομηχανική επανάσταση. Χωρίς την αργή διάσπαση της λιγνίνης, πολύ περισσότερος από τον άνθρακα του φυτού θα είχε διαχυθεί γρήγορα μέσα στο έδαφος, αφήνοντας λιγότερες πιθανότητες να συγκεντρωθεί για να σχηματίσει το ορυκτό καύσιμο. Επιπλέον, η παρουσία σημαντικών ποσοτήτων λιγνίνης στο ξύλο είναι η αιτία που το καθιστά καλό καύσιμο, καθώς με υψηλότερη αναλογία άνθρακα και υδρογόνου προς οξυγόνο από άλλες ενώσεις των φυτών, παράγει περισσότερη ενέργεια κατά την καύση (διότι είναι λιγότερο οξειδωμένο).

Η συγγένεια της λιγνίνης με τα ορυκτά καύσιμα φαίνεται επίσης στους νέους τρόπους που η ένωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί, ως υποκατάστατο της πρώτης ύλης για προϊόντα τα οποία επί του παρόντος εξαρτώνται από το πετρέλαιο. Η λιγνίνη χρησιμοποιήθηκε πειραματικά για την παραγωγή πλαστικών, ινών άνθρακα, αφρού πολυουρεθάνης και βιοκαυσίμων. Όταν εξάγεται, η λιγνίνη έχει επίσης τη δυνατότητα να είναι χρήσιμη επειδή είναι ένα μόριο πολλαπλής πολικότητας. Αν και έχει υδρόφοβα τμήματα που βλέπουν προς το κυτταρικό τοίχωμα, έχει επίσης υδρόφιλα τμήματα. Τέτοια μόρια είναι χρήσιμα σε προϊόντα που περιλαμβάνουν την παραγωγή γαλακτωμάτων, ή που χειρίζονται άλλα μόρια, όπως ιοντοανταλλάκτες.

Ανθρακονήματα. Θα κατασκευάζονται από βιομάζα.
By Hadhuey at German Wikipedia - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=350303

Παρόλο που η παραγωγή αυτή είναι μόνο σε μικρή κλίμακα - μία από τις πρώτες εμπορικές εγκαταστάσεις τέθηκε σε λειτουργία στον Καναδά μόλις το 2016 - ενθαρρύνεται περιβαλλοντικά. Ο λόγος είναι ότι τα προϊόντα που προέρχονται από λιγνίνη θα έχουν μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα σε περίπτωση που διασπώνται και υποβαθμίζονται. Δηλαδή δεν αυξάνουν το ποσό άνθρακα στη βιόσφαιρα καθόσον ο άνθρακας που λαμβάνεται από τα φυτά μετατρέπεται σε προϊόντα και μετά την καταστροφή τους και βιοδιάσπαση επιστρέφει στη φύση για να ξαναχρησιμοποιηθεί από τα φυτά. Στην περίπτωση που τα προϊόντα αυτά δεν διασπώνται και υποβαθμίζονται θα συνεισφέρουν αρνητικά στο ισοζύγιο άνθρακα καθώς ποσότητα άνθρακα αφαιρείται από την βιόσφαιρα. Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, ο άνθρακας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τους θα έχει προσληφθεί σχετικά πρόσφατα από τον αέρα από τα φυτά από τα οποία προέρχονται. Για το μέλλον διαφαίνεται μια ολόκληρη βιομηχανία βιολογικών διύλιστηρίων (σαν τα διυλιστήρια πετρελαίου) βασισμένη στη λιγνίνη με μια ροή προϊόντων με τον ίδιο τρόπο που σήμερα διυλίζεται το πετρέλαιο.

Η λιγνίνη είναι, με πολλούς τρόπους, ένα κρυμμένο διαμάντι. Δεν μπορούμε να δούμε τις σύνθετες δομές της, διότι είναι κομμένες σε κομμάτια όταν εξάγονται από τα φυτά. Αλλά χωρίς αυτές τις δομές δεν θα είχαμε ούτε δέντρα ούτε ανθοφόρα φυτά ούτε θα έχουμε όλα τα οφέλη που έχει φέρει το ξύλο στην ανθρωπότητα. Ακόμη και αν δεν θα χρησιμοποιούμε άμεσα το ξύλο τόσο όσο συνηθίζαμε, η δυνατότητα της λιγνίνης να παράσχει μια πράσινη πηγή πρώτης ύλης για να αντικαταστήσει το ρόλο του πετρελαίου σημαίνει ότι θα εξακολουθήσει να είναι απαραίτητη για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Πηγή:

ΑΠΟ ΤΟΝ BRIAN CLEGG  στις 27 ΙΟΥΛΙΟΥ 2017 στο  https://www.chemistryworld.com/podcasts/lignin/3007765.article

Εικόνες:

A section of a Yew branch showing 27 annual growth rings, pale sapwood, dark heartwood, and pith (center dark spot). The dark radial lines are small knots. By MPF - copied from en.wikipedia 17:13, 5 November 2004 . . MPF . . 421x427 (38110 bytes)Original source: Photo: MPF, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=539591