The effect of lignin content and lignin modification on Norway spruce wood properties and decay resistance

Three different Norway spruce cutting clones growing in three environments with different soil and climatic conditions were studied. The purpose was to follow variation in the radial growth rate, wood properties and lignin content and to modify wood lignin with a natural monolignol, coniferyl alcohol, by making use of inherent wood peroxidases. In addition, the incorporation of chlorinated anilines into lignin was studied with synthetic model compounds and synthetic lignin preparations to show whether unnatural compounds originating from pesticides could be bound in the lignin polymer. The lignin content of heartwood, sapwood and earlywood was determined by applying Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a principal component regression (PCR) technique. Wood blocks were treated with coniferyl alcohol by using a vacuum impregnation method. The effect of impregnation was assessed by FTIR and by a fungal decay test. Trees from a fertile site showed the highest growth rate and sapwood lignin content and the lowest latewood proportion, weight density and modulus of rupture (MOR). Trees from a medium fertile site had the lowest growth rate and the highest latewood proportion, weight density, modulus of elasticity (MOE) and MOR. The most rapidly growing clone showed the lowest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. The slowest growing clone had the lowest sapwood lignin content and the highest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. Differences between the sites and clones were small, while fairly large variation was found between the individual trees and growing seasons. The cutting clones maintained clone-dependent wood properties in the different growing sites although variation between trees was high and climatic factors affected growth. The coniferyl alcohol impregnation increased the content of different lignin-type phenolic compounds in the wood as well as wood decay resistance against a white-rot fungus, Coriolus versicolor. During the synthetic lignin preparation 3,4-dichloroaniline became bound by a benzylamine bond to β-O-4 structures in the polymer and it could not be released by mild acid hydrolysis. The natural monolignol, coniferyl alcohol, and chlorinated anilines could be incorporated into the lignin polymer in vivo and in vitro, respectively.

Työssä tutkittiin kolmea erilaista kuusipistokaskloonia, jotka kasvavat kolmella maaperä- ja ilmasto-olosuhteiltaan erilaisella kasvupaikalla. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää sädekasvunopeuden, puun ominaisuuksien ja ligniinipitoisuuden vaihtelua sekä modifioida ligniiniä luonnollisella monomeerilla, koniferyylialkoholilla, käyttäen hyväksi puussa olevia peroksidaasientsyymejä. Työssä tutkittiin myös torjunta-aineiden hajoamistuotteiden, kloorattujen aniliinien, sitoutumista ligniinipolymeeriin synteettisten malliaineiden ja synteettisen ligniinin avulla. Sydän-, pinta- ja kevätpuun ligniinipitoisuus määritettiin infrapunaspektroskopian (FTIR) ja pääkomponenttiregression (PCR) avulla. Puunäytteet käsiteltiin koniferyylialkoholilla alipainekyllästysmenetelmää käyttäen. Käsittelyn vaikutus arvioitiin FTIR:llä ja puun kestävyys testattiin lahotuskokeen avulla. Viljavalla kasvupaikalla kuusen kasvunopeus ja pintapuun ligniinipitoisuus olivat suurimmat mutta kesäpuuosuus, tiheys ja murtolujuus pienimmät. Kasvunopeus oli pienin karulla kasvupaikalla, kun taas kesäpuuosuus ja tiheys olivat suurimmat ja lujuusominaisuudet parhaimmat. Nopeimmin kasvaneen kloonin kesäpuuosuus ja tiheys olivat pienimmät ja lujuusominaisuudet heikoimmat. Hitaimmin kasvaneen kloonin pintapuun ligniinipitoisuus oli pienin, kesäpuuosuus ja tiheys suurimmat ja lujuusominaisuudet parhaimmat. Kasvupaikkojen ja kloonien väliset erot olivat pieniä, kun taas yksittäisten puiden ja kasvukausien välinen vaihtelu oli melko suurta. Koniferyylialkoholi-käsittely lisäsi puun ligniinin kaltaisten fenolisten yhdisteiden pitoisuutta ja kestävyyttä valkolahottajasientä (Coriolus versicolor) vastaan. 3,4-dikloorianiliini sitoutui synteettisen ligniinin β-O-4 rakenteisiin bentsyyliamiinisidoksella. Havainnot osoittivat, että pistokaskloonien ominaisuudet säilyivät eri kasvupaikoilla, vaikka puiden välinen vaihtelu oli suurta ja ilmastotekijät vaikuttivat kasvuun. Luonnollista monomeeria, koniferyylialkoholia, ja kloorattuja aniliineja voitiin sitoa ligniinipolymeeriin in vivo ja in vitro. Koniferyylialkoholi-käsittely paransi puun kestävyyttä lahottajasientä vastaan. Klooratut aniliinit sitoutuivat ligniiniin kovalenttisesti ja muodostunut sidos kesti happohydrolyysin.