Combining lignin with metals for agrochemical applications

Abstract

After cellulose, lignin is the most abundant plant derived polymer. It confers mechanical support to plants and protects them against pests and diseases. This is possible thanks to its polyphenolic structure that imparts antibacterial, antifungal and antioxidant properties to the polymer. Hugh amount of lignin are obtained as co-product from several industrial processes, but nowadays it is largely underutilized. Scientific research is working to find potential applications for lignin in the field of functional materials, as precursor for small molecules by depolymerization, as well as in the packaging field. On the other hand, in the agricultural field, the use of copper as pesticide is still very widespread. The main problems associated with its intensive use are the development of metal-resistant strains and the environmental pollution such as accumulation in soils that causes the death of soil biota, plants phytotoxicity as well as human toxicity. For these reasons the European Community lowered the annual maximum copper limit from 6kg/ha to 4kg/ha. It is in this scenario that my PhD project took place. The idea was to investigate the synergistic antibacterial activity between lignin and copper for the development of new pesticides with a reduced amount of the metal, thus finding a new purpose for this important and underused biopolymer. Starting from lignin and CuSO4∙5H2O, two different hybrid materials were synthesized both by wet and mechanochemical procedures, named lignin@brochantite (brochantite= Cu4(SO4)(OH)6), and lignin@cuprite, (cuprite=Cu2O). XRPD and TEM analysis revealed the formation of hybrid materials in which nanocrystals of the respective mineral phases were embedded in the lignin matrix. The characterization of the materials was based on XRPD, ICP, TEM, GPC, Py-G/CMS, NMR and IR analysis, to determine the nature and features of the crystalline phases {copper content, morphology and dimension of the crystals} as well as the intactness of the biopolymer. The antibacterial activity of these new hybrid materials was evaluated against several pathogens by in vitro and in vivo tests that revealed a high efficiency with a lower amount of copper compared to copper-based pesticides currently on the market. The synergistic effect between copper and lignin was thus confirmed. A correlation between the morphology of the crystals and their effectiveness with in vivo tests was also conducted revealing that bigger crystals present a higher efficiency. Subsequently an iron-based hybrid material was also synthesized by mechanochemical procedure. This material was characterized by means of XRPD, TEM and ICP analyses which revealed goethite crystals (FeO(OH)) embedded in the lignin matrix, with the complete iron upload of 10%. Its antibacterial activity was then evaluated by in vitro tests. Lignin structure was then modified by means of acetylation and phosphorylation. The complete acetylation on both aromatic and aliphatic OH groups was confirmed by NMR and IR analyses and antibacterial properties of acetylated lignin were confirmed by in vitro tests. Phosphorylated lignin was characterized by 31P-NMR, EDS, elemental analysis and TGA. Despite the phosphorous content is between 1 and 2% phosphorylated lignin has a completely different behaviour compared to the starting lignin. Finally, the coordinative properties of lignin were studied starting from lignin-inspired ligands. From the solvothermal synthesis between ferulic acid and CoCl2∙6H2O, a coordination polymer with formula [Co2(fer)Cl2]·3DMF was isolated and characterized by SC-XRD.

Dopo la cellulosa, la lignina è il polimero di origine vegetale più abbondante. Conferisce supporto meccanico alle piante e le protegge da parassiti e malattie. Ciò è possibile grazie alla sua struttura polifenolica che conferisce al polimero proprietà antibatteriche, antifungine e antiossidanti. La lignina è ottenuta in grandi quantità da diversi processi industriali, ma al giorno d'oggi è in gran parte sottoutilizzata. La ricerca scientifica sta lavorando per trovare potenziali applicazioni della lignina nel campo dei materiali funzionali, come precursore di piccole molecole mediante depolimerizzazione, nonché nel campo del confezionamento. In campo agricolo, invece, l'uso del rame come pesticida è ancora molto diffuso. I principali problemi associati al suo uso intensivo sono lo sviluppo di ceppi resistenti ai metalli e l'inquinamento ambientale come l'accumulo nel suolo che provoca la morte della microflora del suolo, la fitotossicità delle piante e la tossicità umana. Per questi motivi la Comunità Europea ha abbassato il limite massimo annuo di rame da 6 kg/ha a 4 kg/ha. È in questo scenario che si è svolto il mio progetto di dottorato. L'idea era di indagare l'attività antibatterica sinergica tra lignina e rame per lo sviluppo di nuovi pesticidi con una ridotta quantità di metallo, trovando così un nuovo scopo per questo importante e sottoutilizzato biopolimero. A partire da lignina e CuSO4∙5H2O, due diversi materiali ibridi sono stati sintetizzati sia mediante procedure umide che meccanochimiche, denominate lignina@brochantite (brochantite= Cu4(SO4)(OH)6) e lignina@cuprite, (cuprite=Cu2O). L'analisi XRPD e TEM ha rivelato la formazione di materiali ibridi in cui i nanocristalli delle rispettive fasi minerali sono incorporati nella matrice di lignina. La caratterizzazione dei materiali è stata basata su analisi XRPD, ICP, TEM, GPC, Py-G/CMS, NMR e IR, per determinare la natura e le caratteristiche delle fasi cristalline {contenuto di rame, morfologia e dimensione dei cristalli} così come l'integrità del biopolimero. L'attività antibatterica di questi nuovi materiali ibridi è stata valutata nei confronti di diversi agenti patogeni mediante test in vitro e in vivo che hanno rivelato un'elevata efficienza con una minore quantità di rame rispetto ai pesticidi a base di rame attualmente in commercio. L'effetto sinergico tra rame e lignina è stato così confermato. È stata inoltre condotta una correlazione tra la morfologia dei cristalli e la loro efficacia tramite test in vivo, rivelando che i cristalli più grandi presentano una maggiore efficienza. Successivamente è stato sintetizzato anche un materiale ibrido a base di ferro mediante procedimento meccanochimico. Questo materiale è stato caratterizzato mediante analisi XRPD, TEM e ICP che hanno rivelato cristalli di goethite (FeO(OH)) incorporati nella matrice di lignina, con un caricamento completo di ferro del 10%. La sua attività antibatterica è stata poi valutata mediante test in vitro. La struttura della lignina è stata quindi modificata mediante acetilazione e fosforilazione. La completa acetilazione sui gruppi OH sia aromatici che alifatici è stata confermata da analisi NMR e IR e le proprietà antibatteriche della lignina acetilata sono state confermate da test in vitro. La lignina fosforilata è stata caratterizzata da 31P-NMR, EDS, analisi elementare e TGA. Nonostante il contenuto di fosforo sia compreso tra 1 e 2%, la lignina fosforilata ha un comportamento completamente diverso rispetto alla lignina di partenza. Infine, sono state studiate le proprietà coordinative della lignina a partire da ligandi ispirati alla lignina. Dalla sintesi solvotermale tra acido ferulico e CoCl2∙6H2O, un polimero di coordinazione con formula [Co2(fer)Cl2]·3DMF è stato isolato e caratterizzato da SC-XRD.