ПостоянноThe увеличивающееся содержание углекислого газа в атмосфере и глобальное потепление представляют собой серьезную угрозу для человечества. Следовательно, необходимы действия по смягчению последствий изменения климата, а также существует необходимость перехода к низкоуглеродной экономике, в которой биомасса является наиболее распространенным и доступным источником углеродаperpetually increasing atmospheric carbon dioxide and global warming are a serious threat to humankind. Hence, actions are required to mitigate the climate change consequences, and there is a need for the transition to a low-carbon economy in which biomass is the most common and available source of ^{[ 1 ]}carbon [1].

МногиеA good many researchers consider исследователи рассматривают проблему глобальных выбросов парниковых газов с точки зрения торговли и политикиthe issue of global greenhouse gas emissions from the standpoint of trading and ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}policy [2,3,4,5,6,7], что,which is несомненно, важно для борьбы с изменением климата. Остальные исследования направлены на количественную оценку потенциала различных производств по минимизации последствий или сокращению выбросовundoubtedly important to combat the climate change. The other research studies are focused on a quantitative evaluation of the potential of various productions to minimize the consequences or reduce the CO ₂ emissions; например, оценки использования биомассы для транспорта, энергетики, строительства и металлургической промышленностиfor example, the estimations of biomass utilization for transport, power engineering, construction and iron-and-steel industry ^{[ 8 ]} [8].

МискантусMiscanthus является бионасосомis a ^{[ 9 ]}bio-pump и[9] обладаетand потенциалом снижения выбросов парниковых газов за счет ассимиляции углерода в почвеhas the potential of greenhouse gas emission reduction through soil carbon ^{[ 10 ]}assimilation [10].

ИсследованияThe studies ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}[11,12,13] сообщилиreported о ценных результатах, оценивающих жизненный цикл производства тепла, электроэнергии, этанола и биогаза из мискантуса, и продемонстрировали, что выращивание мискантуса и производство товаров из мискантуса являются хорошим вариантом для получения углерода. смягчение последствийvaluable results evaluating the life cycle of heat, electric power, ethanol and biogas productions from miscanthus, and demonstrated that the miscanthus cultivation and the manufacture of commodities from miscanthus are a good option for carbon footprint mitigation.

МискантусMiscanthus is – многолетняя корневищная трава с высокой урожайностью и низкой потребностью в питательных веществах. Мискантус живет до 20 лет, что является преимуществом перед однолетними растениями. К достоинствамa perennial rhizomatous grass with a high yield capacity and low nutrient requirements. Miscanthus has a life span up to 20 years, which is an advantage over annual plants. The merits of Miscanthus × giganteus may можно отнести и анатомию его стеблей, корковый слой которых не содержит длинных волокон в отличие от некоторых лубяных растений, требующих обрезки лубяных волокон (например, льна и коноплиalso include the anatomy of its stalks whose bast layer does not contain long fibers unlike some bast plants that require pruning of their bast fibers (for example, flax and hemp) ^{[ 14 ]} [14]. ПоCompared сравнению с другими многолетними культурами мискантус дает более высокое содержание сухого вещества. После посадки мискантус не требует никаких удобрений или особого ухода в поле, кроме ежегодного сбора урожая с помощью стандартной сельскохозяйственнойto other perennial crops, miscanthus yields a higher content of dry matter. Once planted, miscanthus requires no fertilizers or special care in the field but annual harvesting with standard farm machinery [15]. техникиThis ^{[ 15 ]}crop .with Эта культура с высокой эффективностью использования воды и способностью адаптироваться к суровым условиям наряду с ее экологическими функциями, такими как восстановление почвы, может сыграть жизненно важную роль в биоэкономическом развитии любой страныa high water use efficiency and ability to adapt to severe conditions along with its environmental functions such as soil remediation may have a vital part in the bioeconomic development of any ^{[ 14 ] [ 15 ]}nation [14,15]. МискантусMiscanthus is — морозостойкая культура и может произрастать на маргинальных, засоленных и неиспользуемых земляхa frost-resistant crop and can grow on marginal, salinized and unused lands ^{[ 16 ]}[16]. .Considering Учитывая вероятность дальнейшего истощения мировых лесных площадей и ограничения на заготовку древесины из-за природоохранной роли лесов, мискантус все чаще рассматривается как потенциальное сырье для замены части древесины хвойных и лиственных породthe probability of further depletion of the world forest areas and the limitation on wood procurement due to the environment-conserving role of forests, miscanthus is being more frequently viewed as a ^{[ 14 ]}potential .

Воfeedstock всемto мире для производства биомассы мискантуса используется околоreplace some of softwood and hardwood [14].

About 123 ,000 га. Самая большая площадь расположена в Китае, где ок. В дикой природе озера Дунтин 100 000 га занимаютha are utilized for the miscanthus biomass production across the world. The largest area is located in China, where approx. 100,000 ha are occupied by M. lutarioriparius . Урожайность in the wildlife at the Dongting Lake. The biomass биомассыyields составляет около 12 т/га/годconstitute about 12 t/ha/year ^{[ 17 ]} [17].

РезультатыThe исследования машинного обученияmachine learning study ^{[ 18 ]}results показали,[18] чтоshowed во всем мире существует 3068,25 млн га маргинальных земельных ресурсов, пригодных дляthat globally there exist 3068.25 million ha marginal land resources eligible for выращивания M. × giganteus cultivation, которые в основном расположены в Африке (902,05 млн га), Азии (620,32 млн га), Южной Америке (547,60 млн га). млн га) и Северной Америки (529,26 млн га). Страны с крупнейшими земельными ресурсами — Россия и Бразилия — занимают первое и второе места по количеству маргинальных земель, пригодных дляwhich are basically located in Africa (902.05 million ha), Asia (620.32 million ha), South America (547.60 million ha) and North America (529.26 million ha). The countries with the largest land resources, Russia and Brazil, hold the first and second places based on the amount of marginal lands suitable for M. × giganteus, , с площадью 373,35 и 332,37 млн ​​га соответственноwith areas of 373.35 and 332.37 million ha, respectively.

МискантусMiscanthus is a valuable renewable является ценным возобновляемым сырьем и обладает значительным потенциалом для производства разнообразных биотехнологических продуктов на основе таких макромолекул, как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Исследования химического состава мискантуса по сравнению с разнообразным растительным миром постоянно развиваются и показывают преимущества мискантуса перед многими лигноцеллюлозными ресурсами, в частности по содержанию целлюлозы - наиболее ценного для переработки полимераfeedstock and has a significant potential for the manufacture of diverse biotechnology products based on macromolecules such as cellulose, hemicelluloses and lignin. The studies on the miscanthus chemical composition compared to the diverse vegetable world are constantly developing and show the advantages of miscanthus over many lignocellulosic resources, particularly by the content of cellulose, a polymer that is the most valuable for conversion.

2. ОсновныеCore Directions направления исследований мискантусаin Miscanthus Research

2.1. Выбор Мискантуса

2.1. Miscanthus Selection

M. × giganteus —is наиболее распространенный во всем мире видthe most common worldwide among the мискантусаMiscanthus species. Высокая урожайность (10 т/га/год) и продолжительность жизниThe high yield capacity (10 t/ha/year) and life span (15–20 лет) делают мискантус перспективной биоэнергетической культурой и эффективным инструментом борьбы с изменением климата. Однакоyears) make miscanthus a promising bioenergy crop and an effective tool to combat the climate change. However, M. × giganteus неis not free of shortcomings, лишен недостатков: он чувствителен к холодным зимним температурам и засухе, размножается только делением корневища, имеет низкое генетическое разнообразие и восприимчив к почвенным патогенам. Такимi.e., it is sensitive to cold winter temperatures and drought, can only be reproduced through rhizome division, has a poor genetic diversity and is susceptible to soil pathogens. Hence, the other Miscanthus образом,species другие виды и сортаand cultivars have become мискантусовvaluable сталиsources ценными источниками генетического материала для внутривидовой и межвидовой селекции. В селекции особое внимание уделяется достижению более высокой урожайности, качества и устойчивости к антибиотикам. Например, несмотря на меньший выход надземной биомассы по сравнению сof the genetic material for intraspecific and interspecific breeding. In breeding, a special focus is placed on achieving a higher yield capacity, quality and tolerance to antibiotic stressors. For instance, despite having a poorer aboveground biomass yield compared to M. × giganteus , M. sinensis болееis more устойчив к водному стрессу и, следовательно, более пригоден для выращивания в более сухом климатеtolerant to water stress and, hence, is more suitable for cultivation in a drier climate. M. lutarioriparius обеспечиваетoffers a high yield of biomass but высокий выход биомассы, но менее устойчив к холоду и засухе и поэтому более подходит для регионов, менее подверженных частому дефициту водыis less resistant to cold and drought, and is therefore more suitable for regions that are less exposed to frequent water ^{[ 19 ]}deficiency [25]. ПосколькуSince the chemical composition химический состав сырья имеет решающее значение для переработки мискантусаof the feedstock is essential for the miscanthus conversion, вTable Таблице 1 описываетсяoutlines именно этот аспект для некоторыхexactly this aspect for some видовMiscanthus мискантусаspecies изfrom разных географических мест, как сообщается в недавних исследованияхdifferent geographical locations, as reported in the recent studies. ПосколькуBecause of miscanthus мискантус обладает богатым генетическим разнообразием, его лигноцеллюлозный состав широко варьируется; темhaving a rich genetic diversity, its lignocellulosic content varies widely; yet, many Miscanthus неspecies менее, многие видыare characterized by мискантусовa характеризуютсяhigh высоким содержанием возобновляемых полимеровcontent of renewable polymers. ВIn recent years, the research initiatives последние годы исследовательские инициативы привели к выявлению ряда свойств мискантуса, которые можно оптимизировать для различных применений. Например, были выпущены улучшенные сорта мискантуса для биологического применения, которые менее устойчивы к разрушению из-за меньшего количества лигнина и из-за изменений конкретных характеристик клеточных стенокhave resulted in a range of miscanthus traits being identified, which can be optimized for various applications. For example, improved miscanthus varieties for bio-based applications were released that are less recalcitrant to destruction due to having less lignin and due to alterations in specific cell wall ^{[ 28 ]}characteristics [32]. НапротивIn contrast, трансгенный мискантус с повышенным содержанием лигнина был получен с целью повышения энергетической ценностиtransgenic miscanthus with enhanced lignin content was derived in order to improve the energy ^{[ 29 ]}value [33].

2.2. Исследования воздействия мискантуса на окружающую среду

2.2. Studies on Environmental Impact of Miscanthus

ВанWang и дрet al. ^{[ 30 ]}[34] суммировалиsummarized публикации в этой области в своем обзорном докладе. Недавно также была представлена ​​экономическая модель для оценки выбросов парниковых газов при выращивании мискантуса с использованием коммерческой практики, принятой в Великобританииpublications in this field in their review paper. An economic model for the estimation of greenhouse gas emissions in the miscanthus cultivation using the commercial practice adopted in the UK was reported recently as ^{[ 31 ]}well [35].

2.3. Производство различных продуктов из мискантуса

2.3. Production of Various Products from Miscanthus

ПереработкеA great many works worldwide мискантуса посвящено множество работ во всем мире. В некоторых приложениях используются все фракции биомассы мискантуса, например, сжигание для производства электроэнергииhave been focused on the miscanthus processing. Some applications employ all fractions of the miscanthus biomass, for example, incineration for power generation [36,37,38] ^{32 ] [ 33 ] [ 34 ] или}or pyrolysis пиролизfor для производства бионефтиthe production of ^{[ 35 ] [ 36 ]}bio-oil [39,40], биоугляbiochar ^{[ 37 ] [ 38 ]}[41,42], гидроугольhydrochar ^{[ 39 ] [ 40 ]}[43,44] иand оксид графенаgraphene oxide ^{[ 41 ]}[45], ,for для синтеза биополиоловbiopolyol synthesis [27] ^{[ 21 ]}and иfor для производства композиционных материаловthe production of composite ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}materials [46,47,48], бетонаconcrete ^{[ 45 ]} [49], строительногоmiscanthus-based раствора наmortar [50], основеfiber-reinforced мискантусаscreed ^{[ 46 ]}[51] ,and армированная волокном стяжкаbio-based PET [52]. The ^{[ 47 ]}other иapplications ПЭТ на биологической основеemploy only certain parts ^{[ 48 ]}of . Другиеthe приложенияcell используют только определенные части клеточной стенки для превращения в продукты, например,wall for the transformation into products, for example, esterified lignin [53]. этерифицированныйAcid лигнинhydrolysis ^{[ 49 ]}of .miscanthus Кислотный гидролиз мискантуса изучался для синтеза таких химических веществ, как фурфурол, гидроксиметилфурфуролhas been studied for the synthesis of chemicals such as furfural, hydroxymethylfurfural ^{[ 50 ]} [54], левулиноваяlevulic кислотаacid ^{[ 51 ]}[55] иand другие органические кислоты и этиленгликольother organic acids and ethylene ^{[ 52 ]}glycol [56]. ЦеллюлозаCellulose, целлюлозные микроволокна и бумагаcellulose microfibers and paper ^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}[57,58,59,60], ,cellulose нанокристаллы целлюлозыnanocrystals [61], ^{[ 57 ]}oligosaccharides [62,63,64,65] олигосахаридыand ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}xylene и[30] ксилолare ^{[ 25 ]}derived получаютfrom из мискантуса. Пидлиснюк и дрmiscanthus. Pidlisnyuk et al. ^{[ 62 ]}[66] всестороннеcomprehensively рассмотрены некоторые продукты из мискантуса (сельскохозяйственная продукция, изоляционные и композиционные материалы, гемицеллюлозы, целлюлоза и бумагаreviewed some products from miscanthus (agricultural products, insulation and composite materials, hemicelluloses, pulp and paper). МногиеMany продукты биотехнологии, такие как биоэтанол, биогаз, бактериальная целлюлоза, ферменты, молочная кислота, липиды, фумаровая кислота и полигидроксиалканоаты, получают изbiotechnology products such as bioethanol, biogas, bacterial cellulose, enzymes, lactic acid, lipids, fumaric acid and polyhydroxyalkanoates are derived from miscanthus, as detailed in мискантусаSection 3.

2.4. Предварительная обработка мискантуса и процессы гидролиза

2.4. Miscanthus Pretreatment and Hydrolysis Processes

Более тогоFurthermore, некоторые исследования сосредоточены только на предварительной обработке мискантуса без выделения конечного продуктаsome studies are focused only on miscanthus pretreatment without end-product isolation [67]. ^{[ 63 ]}The .pretreatment Предварительная обработка биомассы мискантуса крайне необходима для получения сбраживаемых сахаров и последующих биотехнологических продуктов. Из-за гетерогенной структуры мискантус имеет серьезные ограничения в отношении конверсии и не поддается ферментативному гидролизу. Стадия предварительной обработки главным образом предназначена для разрушения структуры, состоящей из трех основных возобновляемых полимеров, т.е. целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, а также второстепенных неструктурных компонентов (экстрактивных веществ, золыof miscanthus biomass is highly requisite to obtain fermentable sugars and subsequent biotechnology products. Due to the heterogeneous structure, miscanthus has serious limitations with respect to the conversion and is recalcitrant to enzyme-assisted hydrolysis. The pretreatment step is chiefly meant to breakdown the structure composed of the three main renewable polymers, i.e., cellulose, hemicellulose and lignin, as well as minor non-structural constituents (extractives, ash). ИзOut of the three basic трех основных компонентов лигнин наиболее устойчив к разложению. Целлюлоза сохраняет значительный показатель кристалличности и образует жесткий каркас, выполняющий роль несущей конструкции клеточной стенки. Гемицеллюлоза, гетерополимер ксилозы, арабинозы, галактозы и других сахаров, не является кристаллической и поэтому более поддается гидролизу, чем целлюлозаconstituents, lignin is the most recalcitrant to degradation. Cellulose retains a significant crystallinity index and forms a rigid framework acting as a bearing structure of the cell wall. Hemicellulose, a heteropolymer of xylose, arabinose, galactose and other sugars, is not crystalline and therefore more amenable to hydrolysis than ^{[ 64 ]}cellulose [68]. КакSimilar и в случае с другим лигноцеллюлозным сырьем, к мискантусу применимо несколько методов предварительной обработки. Некоторые методы уже считаются традиционными (шаровая обработка, кислотная обработка, щелочная обработка, обработка аммиаком, органосольвентная обработка, обработка ионной жидкостью, обработка горячей водой, обработка паровым взрывом), а также разрабатываются новые методы (микроволновая обработка, ультразвук, глубокая эвтектическая обработка). растворитель, облучение, методы предварительной обработкиto other lignocellulosic feedstocks, several pretreatment methods are applicable to miscanthus. Some methods are already reckoned to be conventional (ball milling, acid treatment, alkaline treatment, ammonia treatment, organosolv treatment, ionic liquid treatment, hot water treatment, steam explosion treatment), and new methods are under development (microwave, ultrasound, deep eutectic solvent, irradiation, high force-assisted pretreatment methods, biological pretreatment) [69,70]. сThat использованием высоких сил, биологическая предварительная обработка)said, the conventional methods continue to ^{[ 65 ] [ 66 ]}be .investigated Тем не менее, традиционные методы продолжают исследоваться для более глубокого пониманияfor a deeper understanding of fractionation, optimization and process scale-up [71]. фракционированияFurthermore, оптимизации и масштабирования процессаit is also proposed ^{[ 67 ]}that .a Кроме того, также предлагается использовать комбинацию двух или более подходов предварительной обработки биомассы для максимального разрушения биомассыcombination of two or more approaches for biomass pretreatment be used for maximum destruction of the biomass ^{[ 68 ]} [72]. НаFigure рис. 1 shows a схематически показано влияние предварительной обработки на биомассуschematic of the effect of pretreatment on ^{[ 69 ]}biomasses [73]. ОценкаThe evaluation различных подходов показывает, что по-прежнему необходимы последовательные усилия для разработки экономичной и экологически безопасной стратегии предварительной обработкиof different approaches demonstrates that successive efforts are still needed to develop an economical and eco-benign pretreatment ^{[ 64 ] [ 68 ]}strategy [68,72]. ОднакоBut, not all of the не все биотехнологические продукты требуют предварительной обработки биомассы; например, предварительная обработка не является обязательной для производства биогаза и использования лигноцеллюлозы в качестве индуктора выработки ферментовbiotechnology products require that a biomass be pretreated; for instance, pretreatment is not mandatory for the biogas production and the use of lignocellulose as an inducer of enzyme production. ПослеAfter pretreatment, cellulose предварительной обработки целлюлоза и гемицеллюлозы могут быть гидролизованы до мономерных сахаров. Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы является наиболее известным и перспективным методом осахаривания биомассы.  Ферментативныйand hemicelluloses can be hydrolyzed to monomeric sugars. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosics is the most known and promising technique for biomass saccharification. Various hydrolytic гидролизenzymes может высвобождать мономерные сахара в очень широком диапазоне, в зависимости от метода предварительной обработкиproduced by microorganisms are available in the market, as outlined in the tables below (columns “Enzymes for Hydrolysis”). Enzymatic Напримерhydrolysis can liberate monomeric sugars in a very wide range, Дай и дрdepending on the pretreatment method. ^{[ 70 ]}For instance, Dai et недавноal. исследовали,[74] какrecently методы предварительной обработки, такие как микроволновая печьexamined how pretreatment methods such as microwave, NaOH, CaO и микроволновая печь and microwave + NaOH/CaO, влияют на выход сахара из мискантуса. Выход гексозы находился в значительном диапазоне от 4,0 до 73, influenced the sugar yield from miscanthus. The hexose yield showed a substantial range from 4.0 to 73.4% (% в пересчете на целлюлозу). Самый высокий выход гексозы был достигнут при предварительной обработкеon a cellulose basis). The highest hexose yield was achieved by the 12% NaOH, а самый низкий — при предварительной обработке pretreatment and the lowest one by the 1% CaO + микроволновое излучениеmicrowave pretreatment.