高被引科学家丨俞汉青：国内环境与生态领域顶级大牛|俞汉青|化合物|基质|木质素|生物质|纤维素

公众号：高被引

俞汉青，博士，中国科学技术大学教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者(2006)、科技部万人计划入选者(2017)、教育部创新团队负责人(2012)、科技部创新团队负责人(2016)、国家自然科学基金委创新群体负责人(2018)。现任国家自然科学基金委工程与材料学部咨询专家组成员、多份国际SCI刊物编委；科睿唯安全球高被引科学家。

研究成果介绍

【内容简介】

中国科学技术大学俞汉青团队概述了关于木质纤维素生物质分子结构的新知识和进一步推进生物油生产和木质纤维素生物质升级的未来挑战和机遇，并分析了提高效率、最小化环境影响的可持续生物质资源循环系统的发展，评估了它们对环境和可持续性的影响。

【图文导读】

纤维素、半纤维素和木质素是木质纤维素生物质的三个关键组成部分（图2a）。其中，纤维素是木质纤维素生物质中最丰富的成分，通常占其总重量的40−50%。纤维素是一种由3000多个β-糖苷键连接的β-D-葡萄糖喃糖单位组成的均多糖，是植物细胞壁的基本结构成分之一。与具有均聚物性质的纤维素不同，半纤维素是一种无定形的支链多糖，占总生物量重量的15−30%。木葡聚糖、木聚糖、甘露聚糖和葡聚糖，和β-（1→3,1→4）-葡聚糖被确定为半纤维素的主要结构单位。与具有多糖结构的纤维素和半纤维素不同，木质素是一种由苯丙烷单元组成的顽固聚合物，填充了半纤维素和纤维素的空间，并将整个植物细胞的基质结合在一起。木质素占总生物质重量的15-30%，具有三种主要单体作为结构单元，即聚香豆醇、松柏醇和芥子醇。在木质素基质中确定了五种连接模式（图 2b），包括β-O-4醚、二苯基 4-O-5' 醚、β-β'松脂醇、β-5 苯基香豆素和β-1' 二苯甲烷。其中，β-O-4 醚是木质素的主键，有效断裂β-O-4 醚键被认为是木质素增值的关键。

图2.(a)木质纤维素生物质中半纤维素、纤维素和木质素的位置和结构示意图分析；(b)是木质素基质结构中的五种典型键合模式。

水热液化可以定义为生物质在高温（250-374℃）和压力（4-22 MPa）下在压力密封条件下与水介质的物理和化学转化。在水热条件下处理木质纤维素生物质可以增加其溶解度，加速生物质与水性介质之间的物理和化学相互作用，最终导致生物质中的纤维素、半纤维素和木质素高效分解形成液体产物。对于纤维素和半纤维素，它们的水热转化开始于糖苷键的水解，分别形成葡萄糖和木糖。葡萄糖和木糖可以进一步脱水和分解，形成一系列呋喃和其他C2-C5化合物（图 3a）。对于木质素，C-C 和 C-O-C 键的裂解和水解、烷基化、去甲氧基化和缩合是主要反应，在水热转化过程中相互竞争。在所有反应中，侧链中β-O-4 和αC-βC 键的断裂优先，而芳环的键在水热条件下几乎不受影响。较低的温度和较短的反应时间有利于通过脂肪族 C-C 键的初步裂解和 C-O-C 键的水解形成酚类单体和二聚体。随着温度和反应时间的增加，酚类化合物可能会发生脱甲氧基化和烷基化，从而产生更多的烷基酚（图 3b）。

图3.木质纤维素生物质水热转化的可能机制。(a)纤维素和半纤维素和(b)木质素。

木质纤维素生物量（如稻壳、玉米秆和锯尘）在500℃下以N2流热裂解，得到生物炭（约40−50%）和生物油（约35−45%）。然后将生物油从室温蒸馏到约240℃，在此期间将排出稳定的轻质碳氢化合物。酚类和醛类倾向于通过类似于酚醛树脂生产的途径聚合形成固体树脂类似物，而热解木质素低聚物倾向于再次聚合。酚醛树脂类似物和聚合木质素低聚物是生物煤的两种主要成分（图4a）。生物煤是一种块状固体，表面有光泽的黑色，外观与传统煤相似（图4b）。此外，生物煤也具有与不同矿山生产的煤相当的能量密度（~25 MJ/kg）（图 4c）。生物煤生产的环境途径表明生物煤生产过程可以实现负碳排放以及可观的环境和财务效益。据估计，中国生产的农业和森林废弃物可以生产4.02亿吨生物煤。如果将这种生物煤作为常规煤的替代品，中国可以减少煤炭总消费量的14%。因此，可以减少7.38亿吨的二氧化碳的排放，从而带来24亿美元的总财政效益(图4d)。

图4.(a)从木质纤维素生物质中生产生物煤的示意图。(b)生物煤的照片。(c)生物煤和其他常规煤（C1、生物煤、C2、稻壳、C3、印尼三煤、C4、澳大利亚牧羊犬煤、C5、阳泉煤、C6、艾伯塔省亚烟煤、C7、平顶山烟煤）的能量密度。(d)通过蒙特卡罗模拟预测生物煤产量、温室气体减少和财政效益（中心线代表中位数，方框代表25−第75百分位数，条形图代表5−第95百分位数）。(经参考文献89的许可转载。)

人物介绍

工作教育经历

1986年，俞汉青毕业于合肥工业大学化工系无机化工专业；1994年，毕业于同济大学环境学院，获得博士学位；1994年至2000年，先后在英国纽卡索尔大学、新加坡南洋理工大学、香港大学从事研究工作。2001年，获选中国科学院“引进国外杰出人才”计划。2002年，入选教育部“跨世纪优秀人才培养计划”。2003年，获得优秀留学人员成就奖和中国环境科学学会青年科技奖。2004年，入选人事部首批“新世纪百千万人才工程”和中国科学院优秀百人计划；2006年，获得国家杰出青年科学基金资助；2007年，获聘教育部“长江学者”奖励计划特聘教授。

研究方向

1）废水处理理论和技术；

2）有机废弃物资源化和能源化技术；

3）污染控制材料。

俞汉青长期从事废水生物处理理论和技术研究，发展了微生物颗粒的培养新技术，建立了表征其微观结构的系统新方法，建成了国际上第一座城市废水好氧颗粒处理示范工程，主持并实施重点点源氮磷削减与污染控制技术及工程示范、受工业污染入湖河流污染治理与生态修复技术工程示范、城市污水厂出水中有机污染物的富集催化处理新方法等国家及省部级科研项目多项

学术论著

根据官方消息，截至2018年1月，俞汉青以通讯和第一作者发表SCI论文400多篇， SCI他引超过1万次，H因子65，论文获2000年世界科技博览会科技论文奖和2001年亚太地区水污染控制大会论文奖；获得授权发明专利30多项。在 Web of Science中的出版物728篇，H指数108，研究论文总被引43000余次，自2019至2022年连续4年获得科睿唯安全球高被引科学家称号（交叉学科、环境与生态领域）。截至2016年3月，俞汉青先后获国家自然科学二等奖1项，教育部自然科学一等奖2项，环境保护科学技术二等奖1项，安徽省科学技术一等奖2项。

近期代表作

1.Enhancing Fenton-like catalytic efficiency of Bi2WO6 by iodine doping for pollutant degradation

2.Evaluation of antibacterial activities of silver nanoparticles on culturability and cell viability of Escherichia coli

3.Unexpected alleviation of transparent exopolymer particles-associated membrane fouling through interaction with typical organic foulants

4.Quantitative Coassembly for Precise Synthesis of Mesoporous Nanospheres with Pore Structure-Dependent Catalytic Performance

5.Extracellular electron transfer via multiple electron shuttles in waterborne Aeromonas hydrophila for bioreduction of pollutants

6.Controllable drilling by corrosive Cu1Ox to access highly accessible single-site catalysts for bacterial disinfection

7.Plate-Based Kinetic Fluorescence Tests for High-Throughput Screening of Electrochemically Active Bacteria

8.Enhanced Bioreduction of Radionuclides by Driving Microbial Extracellular Electron Pumping with an Engineered CRISPR Platform

9.Constructing N, P-dually doped biochar materials from biomass wastes for high-performance bifunctional oxygen electrocatalysts

10.Long-term excess nitrogen fertilizer increases sensitivity of soil microbial community to seasonal change revealed by ecological network and metagenome analyses