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塑料污染的终极难题有救了! 最快2天 让塑料彻底消失

加新网CACnews.ca| 2021-5-18 13:43 |来自: 环球科学

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图片来源:UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering


如何处理塑料污染,已经成为环境治理的头号难题。原本为了稳定而设计出的塑料,却构成了“不腐”的污染。最近,《自然》的一项新研究展示了一种可超快降解的新型塑料,在合适条件下,两天即可实现完全降解。


截至2018年,全世界生产了约63亿吨塑料,其中只有9%会被回收,另有12%会被焚化。剩下的数量庞大的塑料很难被降解,只能通过掩埋、焚烧等方式逐渐进入生态循环,在污染土地、水体的同时,也对包括人类在内的生物的健康造成了严重威胁。


想要解决塑料污染问题,一种有潜力的方法是发展生物可降解塑料。可是生物降解性并不等于堆肥性。所谓堆肥性,是指物品在经过发酵腐熟、微生物分解等堆肥工艺处理后,具备了有机肥料的性质。因此,要把一种塑料称作“可堆肥”塑料,除了要求其可通过微生物降解外,还必须符合降解的时间要求,即塑料在工业化堆肥环境中(60℃,微生物环境),残留物存在时间不长于12周,最终产物可维系植物的生命。


目前市面上的可生物降解塑料通常是由聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)等制成,然而,这些传统的可降解塑料在堆肥工艺中并不能完全、快速地分解,还可能会污染其他可回收的塑料,因此它们的命运往往是和普通塑料一样被填埋,而不是被回收。更糟糕的是,这些可降解塑料在经历了几个月甚至几年,终于在自然环境中被分解之后,它们还是会由于分解不完全而形成微塑料(小于5nm的塑料颗粒),这些微塑料最终将出现在海洋和动物的身体中,甚至是我们自己的体内,可能造成危害。


多年来,科学家们提出了各种各样的方案,致力于研制出一种真正的可降解塑料,来抵抗难以根除的“白色污染”。近期,加州大学伯克利分校的徐婷教授及其团队取得了重大突破,他们发明了一种新型可降解塑料,只需要简单地在水中加热,即可在最快两天内完成降解。相关成果发表在了《自然》杂志上。


用酶“吃”掉塑料


塑料是一类高分子聚合物,它的设计初衷是在使用过程中稳定而不分解。但谁都没有想到,它有点过于“顽强”了,即使是被丢弃多年后它仍然无法被分解。最耐用的塑料拥有近乎晶体的分子结构,聚合物纤维排列十分紧密,甚至是水都无法穿透它们,更不用说被微生物分解了。


虽然PLA、PCL等生物可降解塑料能够一定程度地被分解,但它们的降解时间仍然较长,且容易分解不完全而形成微塑料。针对这些缺陷,科学家在传统可降解塑料的基础上进行了改性,生产出了更易降解的新型塑料。


徐婷说:“在野外,酶是大自然用来分解各种东西的有力工具,那我们为什么不尝试用酶来分解塑料呢?”


巧用酶的分解能力这个想法,最早起源于研究团队2018年的一项实验。他们当时将一种能够降解有机磷等化学物质的酶嵌入了纤维垫中。当垫子浸泡进含有这些化学物质的液体中时,嵌入的酶就会像“杀虫剂”一样发挥功效。之后,研究小组用类似的方法,尝试在普通可降解塑料的制造过程中嵌入一种可食用酶。当暴露在高温和水下时,这种酶能够抓住塑料分子链的末端,就像吃面条一样,逐个切断链节。这样一来,塑料的分解速度得到了极大的提升,同时,由于每一个链节都被打断,塑料分解率高达98%,从而彻底遏制了微塑料的产生。



普通可降解塑料在酶及微生物等作用下会被随机分解,产生微塑料。而徐婷团队发明的新型塑料将酶嵌入了聚合物中,能够被完全分解。(图片来源:UC Berkeley/Christopher DelRe)


当然,在保证快速降解的同时,仍然需要确保该塑料能够正常使用。这就要求酶能够有效地被保护起来,不至于在自然环境中轻易地失活,也不会随随便便就跑出来把尚在使用中的塑料“吃”个精光。为了解决这个问题,研究团队为酶穿上了一层厚厚的“铠甲”。他们设计了一种称为随机异源聚合物(RHPs)的分子,能够将酶牢牢包裹起来,且不会限制其灵活性。这种RHP分子由四个不同类型的单体亚基组成,每个亚基具有不同的化学性质,它们被分别设计,以用于与特定酶表面的化学基团相互作用。


RHP-酶的包裹体可以像塑料着色剂一样被简单地添加到原料中,而并不改变塑料的特性,这些改性的塑料在170℃下,可以像普通聚酯塑料一样熔化并挤出成型。而RHP分子的加入并不会影响可降解性能,因为这些分子暴露在紫外线下一段时间后即可被降解。


同时,新型塑料中嵌入酶的数量也很少,只占塑料重量的0.02%。所添加的酶往往也是价廉易得的种类,这都使得该工艺能够与传统产线相兼容,很好地控制了该塑料的生产成本。


穿上“铠甲”的新型塑料终于兼顾了耐用性和可降解性。研究人员对其性能进行了实际测试,他们在PLA中植入了蛋白酶K进行改性,室温下,80%的改性PLA纤维能够在一周内完全降解。如果是处于工业堆肥条件(50℃)下,改性PLA在六天以内即可完全分解。



图片来源:UC Berkeley/Ting Xu


同时,他们还通过添加脂肪酶对PCL进行了改性,这使得PCL能够在40℃的堆肥条件下,两天以内被完全降解。此外,在平时的使用中,这种工艺制成的高分子聚合物在较低温度和短暂的潮湿环境中并不会降解,显示出较好的稳定性,经测试,该塑料至少能够在室温的水中浸泡三个月而不被降解。



新型可降解塑料最快两天即可降解。(图片来源:UC Berkeley/Christopher DelRe)


可高效回收


理论上来讲,徐婷团队提出的这种工艺能够适用于各种类型聚酯塑料的生产改性。目前他们正在进行更深入的实验,以得到更多种类的可降解塑料,能够同时满足堆肥性和耐用性的标准,并进一步扩大他们的技术应用范围。?


比如他们希望能够在聚烯烃中嵌入酶。这是一种普遍用于制造玩具和电子零件的塑料,市面上大部分的塑料容器也是由此制成。这一类塑料并不易降解,如果能够在这类塑料中嵌入酶,那么就可以更大地丰富可降解塑料的使用场景。


事实上,研究人员认为堆肥并非是可降解塑料最好的终点,将这些塑料回收并转化为更高价值的材料是一个更好的选择。他们想到的办法是进一步修改RHP,使得降解过程可以在指定的点停止,而不是完全破坏塑料,之后再将其重新组装,即可得到新的塑料。这种程序化的降解模式可能是未来回收塑料制品的关键技术。



加入了酶的PLA在堆肥条件下,一周就能降解。(图片来源:UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering)


试想一下,如果用可生物降解的聚合物来组装电脑、手机或者其他电子产品,在使用结束后,只需要简单地在水中加热即可使整个设备散开,那么所有的部件都可以有效地重复利用。这对于制造业来说,将是一项巨大的进步。


该研究团队现已为这项技术提出了专利申请,并创办了一家初创公司尝试将其商业化,以进一步开发这些新型可降解塑料。目前,他们决定先着眼于开发价格低廉且易于堆肥的塑料袋,并尝试推广到每一家杂货店。他们相信,真正的可堆肥塑料袋很快就将会上架,之后更多的新型塑料制品也将会进入我们的生活中。


徐婷说:“我们这一代应该积极思考,去尝试改变一下与地球的‘相处模式’了。我们现在丢弃了太多的废物,就像衣服、鞋子、手机和电脑等等。我们从地球上取走资源的速度比归还的速度快得多,我们不应该再继续盲目地、无休止地开采资源了,而应该先去考虑如何将资源有效地回收利用。”

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