?

圖片來源：UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering

?

最近，《自然》的一項(xiàng)新研究展示了一種可超快降解的新型塑料，在合適條件下，兩天即可實(shí)現(xiàn)完全降解。

?

編譯丨周郅璨

審校丨楊心舟

?

截至2018年，全世界生產(chǎn)了約63億噸塑料，其中只有9%會(huì)被回收，另有12%會(huì)被焚化。剩下的數(shù)量龐大的塑料很難被降解，只能通過掩埋、焚燒等方式逐漸進(jìn)入生態(tài)循環(huán)，在污染土地、水體的同時(shí)，也對(duì)包括人類在內(nèi)的生物的健康造成了嚴(yán)重威脅。

?

想要解決塑料污染問題，一種有潛力的方法是發(fā)展生物可降解塑料?？墒巧锝到庑圆⒉坏扔诙逊市?。所謂堆肥性，是指物品在經(jīng)過發(fā)酵腐熟、微生物分解等堆肥工藝處理后，具備了有機(jī)肥料的性質(zhì)。因此，要把一種塑料稱作“可堆肥”塑料，除了要求其可通過微生物降解外，還必須符合降解的時(shí)間要求，即塑料在工業(yè)化堆肥環(huán)境中（60℃，微生物環(huán)境），殘留物存在時(shí)間不長(zhǎng)于12周，最終產(chǎn)物可維系植物的生命。

?

目前市面上的可生物降解塑料通常是由聚乳酸（PLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）等制成，然而，這些傳統(tǒng)的可降解塑料在堆肥工藝中并不能完全、快速地分解，還可能會(huì)污染其他可回收的塑料，因此它們的命運(yùn)往往是和普通塑料一樣被填埋，而不是被回收。更糟糕的是，這些可降解塑料在經(jīng)歷了幾個(gè)月甚至幾年，終于在自然環(huán)境中被分解之后，它們還是會(huì)由于分解不完全而形成微塑料（小于5nm的塑料顆粒），這些微塑料最終將出現(xiàn)在海洋和動(dòng)物的身體中，甚至是我們自己的體內(nèi)，可能造成危害。

?

多年來，科學(xué)家們提出了各種各樣的方案，致力于研制出一種真正的可降解塑料，來抵抗難以根除的“白色污染”。近期，加州大學(xué)伯克利分校的徐婷教授及其團(tuán)隊(duì)取得了重大突破，他們發(fā)明了一種新型可降解塑料，只需要簡(jiǎn)單地在水中加熱，即可在最快兩天內(nèi)完成降解。相關(guān)成果發(fā)表在了《自然》雜志上。

?

?

用酶“吃”掉塑料

?

塑料是一類高分子聚合物，它的設(shè)計(jì)初衷是在使用過程中穩(wěn)定而不分解。但誰都沒有想到，它有點(diǎn)過于“頑強(qiáng)”了，即使是被丟棄多年后它仍然無法被分解。最耐用的塑料擁有近乎晶體的分子結(jié)構(gòu)，聚合物纖維排列十分緊密，甚至是水都無法穿透它們，更不用說被微生物分解了。

?

雖然PLA、PCL等生物可降解塑料能夠一定程度地被分解，但它們的降解時(shí)間仍然較長(zhǎng)，且容易分解不完全而形成微塑料。針對(duì)這些缺陷，科學(xué)家在傳統(tǒng)可降解塑料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改性，生產(chǎn)出了更易降解的新型塑料。

?

徐婷說：“在野外，酶是大自然用來分解各種東西的有力工具，那我們?yōu)槭裁床粐L試用酶來分解塑料呢？”

?

巧用酶的分解能力這個(gè)想法，最早起源于研究團(tuán)隊(duì)2018年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們當(dāng)時(shí)將一種能夠降解有機(jī)磷等化學(xué)物質(zhì)的酶嵌入了纖維墊中。當(dāng)墊子浸泡進(jìn)含有這些化學(xué)物質(zhì)的液體中時(shí)，嵌入的酶就會(huì)像“殺蟲劑”一樣發(fā)揮功效。之后，研究小組用類似的方法，嘗試在普通可降解塑料的制造過程中嵌入一種可食用酶。當(dāng)暴露在高溫和水下時(shí)，這種酶能夠抓住塑料分子鏈的末端，就像吃面條一樣，逐個(gè)切斷鏈節(jié)。這樣一來，塑料的分解速度得到了極大的提升，同時(shí)，由于每一個(gè)鏈節(jié)都被打斷，塑料分解率高達(dá)98%，從而徹底遏制了微塑料的產(chǎn)生。

?

普通可降解塑料在酶及微生物等作用下會(huì)被隨機(jī)分解，產(chǎn)生微塑料。而徐婷團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新型塑料將酶嵌入了聚合物中，能夠被完全分解。（圖片來源：UC Berkeley/Christopher DelRe）

?

當(dāng)然，在保證快速降解的同時(shí)，仍然需要確保該塑料能夠正常使用。這就要求酶能夠有效地被保護(hù)起來，不至于在自然環(huán)境中輕易地失活，也不會(huì)隨隨便便就跑出來把尚在使用中的塑料“吃”個(gè)精光。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)為酶穿上了一層厚厚的“鎧甲”。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種稱為隨機(jī)異源聚合物（RHPs）的分子，能夠?qū)⒚咐卫伟饋?，且不?huì)限制其靈活性。這種RHP分子由四個(gè)不同類型的單體亞基組成，每個(gè)亞基具有不同的化學(xué)性質(zhì)，它們被分別設(shè)計(jì)，以用于與特定酶表面的化學(xué)基團(tuán)相互作用。

?

RHP-酶的包裹體可以像塑料著色劑一樣被簡(jiǎn)單地添加到原料中，而并不改變塑料的特性，這些改性的塑料在170℃下，可以像普通聚酯塑料一樣熔化并擠出成型。而RHP分子的加入并不會(huì)影響可降解性能，因?yàn)檫@些分子暴露在紫外線下一段時(shí)間后即可被降解。

?

同時(shí)，新型塑料中嵌入酶的數(shù)量也很少，只占塑料重量的0.02%。所添加的酶往往也是價(jià)廉易得的種類，這都使得該工藝能夠與傳統(tǒng)產(chǎn)線相兼容，很好地控制了該塑料的生產(chǎn)成本。

?

穿上“鎧甲”的新型塑料終于兼顧了耐用性和可降解性。研究人員對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，他們?cè)赑LA中植入了蛋白酶K進(jìn)行改性，室溫下，80%的改性PLA纖維能夠在一周內(nèi)完全降解。如果是處于工業(yè)堆肥條件（50℃）下，改性PLA在六天以內(nèi)即可完全分解。

?

圖片來源：UC Berkeley/Ting Xu

?

同時(shí)，他們還通過添加脂肪酶對(duì)PCL進(jìn)行了改性，這使得PCL能夠在40℃的堆肥條件下，兩天以內(nèi)被完全降解。此外，在平時(shí)的使用中，這種工藝制成的高分子聚合物在較低溫度和短暫的潮濕環(huán)境中并不會(huì)降解，顯示出較好的穩(wěn)定性，經(jīng)測(cè)試，該塑料至少能夠在室溫的水中浸泡三個(gè)月而不被降解。

?

新型可降解塑料最快兩天即可降解。（圖片來源：UC Berkeley/Christopher DelRe）

?

?

可高效回收

?

理論上來講，徐婷團(tuán)隊(duì)提出的這種工藝能夠適用于各種類型聚酯塑料的生產(chǎn)改性。目前他們正在進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)，以得到更多種類的可降解塑料，能夠同時(shí)滿足堆肥性和耐用性的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步擴(kuò)大他們的技術(shù)應(yīng)用范圍。?

?

比如他們希望能夠在聚烯烴中嵌入酶。這是一種普遍用于制造玩具和電子零件的塑料，市面上大部分的塑料容器也是由此制成。這一類塑料并不易降解，如果能夠在這類塑料中嵌入酶，那么就可以更大地豐富可降解塑料的使用場(chǎng)景。

?

事實(shí)上，研究人員認(rèn)為堆肥并非是可降解塑料最好的終點(diǎn)，將這些塑料回收并轉(zhuǎn)化為更高價(jià)值的材料是一個(gè)更好的選擇。他們想到的辦法是進(jìn)一步修改RHP，使得降解過程可以在指定的點(diǎn)停止，而不是完全破壞塑料，之后再將其重新組裝，即可得到新的塑料。這種程序化的降解模式可能是未來回收塑料制品的關(guān)鍵技術(shù)。

?

加入了酶的PLA在堆肥條件下，一周就能降解。（圖片來源：UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering）

?

試想一下，如果用可生物降解的聚合物來組裝電腦、手機(jī)或者其他電子產(chǎn)品，在使用結(jié)束后，只需要簡(jiǎn)單地在水中加熱即可使整個(gè)設(shè)備散開，那么所有的部件都可以有效地重復(fù)利用。這對(duì)于制造業(yè)來說，將是一項(xiàng)巨大的進(jìn)步。

?

該研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已為這項(xiàng)技術(shù)提出了專利申請(qǐng)，并創(chuàng)辦了一家初創(chuàng)公司嘗試將其商業(yè)化，以進(jìn)一步開發(fā)這些新型可降解塑料。目前，他們決定先著眼于開發(fā)價(jià)格低廉且易于堆肥的塑料袋，并嘗試推廣到每一家雜貨店。他們相信，真正的可堆肥塑料袋很快就將會(huì)上架，之后更多的新型塑料制品也將會(huì)進(jìn)入我們的生活中。

?

徐婷說：“我們這一代應(yīng)該積極思考，去嘗試改變一下與地球的‘相處模式’了。我們現(xiàn)在丟棄了太多的廢物，就像衣服、鞋子、手機(jī)和電腦等等。我們從地球上取走資源的速度比歸還的速度快得多，我們不應(yīng)該再繼續(xù)盲目地、無休止地開采資源了，而應(yīng)該先去考慮如何將資源有效地回收利用?！?/p>

?

?

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/dbnl-tdt042021.php

https://news.berkeley.edu/2021/04/21/new-process-makes-biodegradable-plastics-truly-compostable/

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uarl-npb042121.php

https://www.sciencenews.org/article/plastic-compost-new-enzyme-technique-biodegradable

?

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03408-3



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情