農(nóng)作物秸稈蘊含豐富的生物質(zhì)資源，降解轉(zhuǎn)化為“零碳”生物能源和高值生物制品，可助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延長。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學生物質(zhì)與生物能源團隊在國際期刊《綠色化學》（Green Chemistry）、《碳水化合物聚合物》（Carbohydrate Polymers）上，分別在線發(fā)表了兩篇研究論文。這兩項研究利用優(yōu)質(zhì)水稻天然突變體，發(fā)現(xiàn)纖維素納米結(jié)構(gòu)缺陷增強功能材料特性的微觀機理，解析果膠糖醛酸去除重金屬和化工污染的作用機制，并構(gòu)建秸稈纖維乙醇聯(lián)產(chǎn)高值生物材料技術(shù)體系，從而開拓了基于遺傳背景的農(nóng)業(yè)廢棄物綠色高效利用的新路徑。

農(nóng)作物秸稈中植物細胞壁天然抗降解屏障制約了生物質(zhì)的全面綜合利用，遺傳改良細胞壁結(jié)構(gòu)，可從源頭解決農(nóng)作物秸稈高值利用效率低、成本高、易二次污染的瓶頸問題。纖維素納米纖維（CNF）因其納米尺寸和界面效應(yīng)，具有比表面積大、穩(wěn)定性強、分散性好和反應(yīng)活性高等優(yōu)勢，但其制備工藝能耗高或存在化學污染，限制了CNF的大規(guī)模應(yīng)用。

該研究發(fā)現(xiàn)，與普通水稻相比，天然水稻細胞壁突變體（Osfc16）秸稈的直接酶解效率顯著提高37%，纖維乙醇產(chǎn)率顯著提高19%，具有抗降解屏障降低的優(yōu)良特性。同時，在更少循環(huán)次數(shù)的高壓均質(zhì)工藝下，酶解殘渣中產(chǎn)生的CNF，其液滴粒徑更小、界面活性更高，改善了皮克林乳化劑的乳液性能和儲存穩(wěn)定性。

此外，還發(fā)現(xiàn)低劑量的CNF可以作為里氏木霉分泌纖維素酶復(fù)合物的有效誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)酶的蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高99%，內(nèi)切葡聚糖酶和木聚糖酶活性分別提高27%和51%。該研究揭示了由低抗性木質(zhì)纖維素產(chǎn)生新型CNF的多重作用，為充分利用生物質(zhì)生產(chǎn)具有成本效益的生物乙醇和高價值的生物產(chǎn)品提供了一種綠色新型技術(shù)。

果膠是一類富含半乳糖醛酸的細胞壁多糖，具有豐富的活性基團，對重金屬和化學染料具有潛在的吸附性能。該研究發(fā)現(xiàn)，重金屬鎘（Cd）脅迫激活細胞壁網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)節(jié)，促進果膠在細胞壁中的沉積，而天然水稻細胞壁突變體（Osfc16）表現(xiàn)出更強的去甲酯化半乳糖醛酸積累能力和微量Cd富集能力。

同時，重金屬使細胞壁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，進一步降低了細胞壁的抗降解性，顯著增強生物質(zhì)酶解糖化效率和生物乙醇產(chǎn)率，并且生物質(zhì)的預(yù)處理工藝能夠同步提取回收90%的Cd。利用果膠的特性，從富含果膠的柑橘皮中提取糖醛酸，與乙醇發(fā)酵殘渣進行化學交聯(lián)，生成一種同時吸附Cd和亞甲基藍（MB）的增強型生物吸附劑。

該研究闡明了果膠在Cd和MB吸附以及生物質(zhì)酶促糖化中的多重作用機制，為農(nóng)田重金屬和化工染料的減污修復(fù)、植物修復(fù)收獲物的無害化處理農(nóng)業(yè)廢棄物的增值利用和重金屬的回收處置，提供了新思路。