如何處理塑料汙染，已經成為(wei) 環境治理的頭號難題。原本為(wei) 了穩定而設計出的塑料，卻構成了“不腐”的汙染。最近，《自然》的一項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(liang) 天即可實現完全降解。

　　編譯丨周郅璨

　　審校丨楊心舟

　　截至2018年，全世界生產(chan) 了約63億(yi) 噸塑料，其中隻有9%會(hui) 被回收，另有12%會(hui) 被焚化。剩下的數量龐大的塑料很難被降解，隻能通過掩埋、焚燒等方式逐漸進入生態循環，在汙染土地、水體(ti) 的同時，也對包括人類在內(nei) 的生物的健康造成了嚴(yan) 重威脅。

　　想要解決(jue) 塑料汙染問題，一種有潛力的方法是發展生物可降解塑料。可是生物降解性並不等於(yu) 堆肥性。所謂堆肥性，是指物品在經過發酵腐熟、微生物分解等堆肥工藝處理後，具備了有機肥料的性質。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間要求，即塑料在工業(ye) 化堆肥環境中（60℃，微生物環境），殘留物存在時間不長於(yu) 12周，最終產(chan) 物可維係植物的生命。

　　目前市麵上的可生物降解塑料通常是由聚乳酸（PLA）和聚己內(nei) 酯（PCL）等製成，然而，這些傳(chuan) 統的可降解塑料在堆肥工藝中並不能完全、快速地分解，還可能會(hui) 汙染其他可回收的塑料，因此它們(men) 的命運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曆了幾個(ge) 月甚至幾年，終於(yu) 在自然環境中被分解之後，它們(men) 還是會(hui) 由於(yu) 分解不完全而形成微塑料（小於(yu) 5nm的塑料顆粒），這些微塑料最終將出現在海洋和動物的身體(ti) 中，甚至是我們(men) 自己的體(ti) 內(nei) ，可能造成危害。

　　多年來，科學家們(men) 提出了各種各樣的方案，致力於(yu) 研製出一種真正的可降解塑料，來抵抗難以根除的“白色汙染”。近期，加州大學伯克利分校的徐婷教授及其團隊取得了重大突破，他們(men) 發明了一種新型可降解塑料，隻需要簡單地在水中加熱，即可在最快兩(liang) 天內(nei) 完成降解。相關(guan) 成果發表在了《自然》雜誌上。

　　用酶“吃”掉塑料

　　塑料是一類高分子聚合物，它的設計初衷是在使用過程中穩定而不分解。但誰都沒有想到，它有點過於(yu) “頑強”了，即使是被丟(diu) 棄多年後它仍然無法被分解。最耐用的塑料擁有近乎晶體(ti) 的分子結構，聚合物纖維排列十分緊密，甚至是水都無法穿透它們(men) ，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(men) 的降解時間仍然較長，且容易分解不完全而形成微塑料。針對這些缺陷，科學家在傳(chuan) 統可降解塑料的基礎上進行了改性，生產(chan) 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(dong) 西的有力工具，那我們(men) 為(wei) 什麽(me) 不嚐試用酶來分解塑料呢？”

　　巧用酶的分解能力這個(ge) 想法，最早起源於(yu) 研究團隊2018年的一項實驗。他們(men) 當時將一種能夠降解有機磷等化學物質的酶嵌入了纖維墊中。當墊子浸泡進含有這些化學物質的液體(ti) 中時，嵌入的酶就會(hui) 像“殺蟲劑”一樣發揮功效。之後，研究小組用類似的方法，嚐試在普通可降解塑料的製造過程中嵌入一種可食用酶。當暴露在高溫和水下時，這種酶能夠抓住塑料分子鏈的末端，就像吃麵條一樣，逐個(ge) 切斷鏈節。這樣一來，塑料的分解速度得到了極大的提升，同時，由於(yu) 每一個(ge) 鏈節都被打斷，塑料分解率高達98%，從(cong) 而徹底遏製了微塑料的產(chan) 生。

　　當然，在保證快速降解的同時，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起來，不至於(yu) 在自然環境中輕易地失活，也不會(hui) 隨隨便便就跑出來把尚在使用中的塑料“吃”個(ge) 精光。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，研究團隊為(wei) 酶穿上了一層厚厚的“鎧甲”。他們(men) 設計了一種稱為(wei) 隨機異源聚合物（RHPs）的分子，能夠將酶牢牢包裹起來，且不會(hui) 限製其靈活性。這種RHP分子由四個(ge) 不同類型的單體(ti) 亞(ya) 基組成，每個(ge) 亞(ya) 基具有不同的化學性質，它們(men) 被分別設計，以用於(yu) 與(yu) 特定酶表麵的化學基團相互作用。

　　RHP-酶的包裹體(ti) 可以像塑料著色劑一樣被簡單地添加到原料中，而並不改變塑料的特性，這些改性的塑料在170℃下，可以像普通聚酯塑料一樣熔化並擠出成型。而RHP分子的加入並不會(hui) 影響可降解性能，因為(wei) 這些分子暴露在紫外線下一段時間後即可被降解。

　　同時，新型塑料中嵌入酶的數量也很少，隻占塑料重量的0.02%。所添加的酶往往也是價(jia) 廉易得的種類，這都使得該工藝能夠與(yu) 傳(chuan) 統產(chan) 線相兼容，很好地控製了該塑料的生產(chan) 成本。

　　穿上“鎧甲”的新型塑料終於(yu) 兼顧了耐用性和可降解性。研究人員對其性能進行了實際測試，他們(men) 在PLA中植入了蛋白酶K進行改性，室溫下，80%的改性PLA纖維能夠在一周內(nei) 完全降解。如果是處於(yu) 工業(ye) 堆肥條件（50℃）下，改性PLA在六天以內(nei) 即可完全分解。

　　同時，他們(men) 還通過添加脂肪酶對PCL進行了改性，這使得PCL能夠在40℃的堆肥條件下，兩(liang) 天以內(nei) 被完全降解。此外，在平時的使用中，這種工藝製成的高分子聚合物在較低溫度和短暫的潮濕環境中並不會(hui) 降解，顯示出較好的穩定性，經測試，該塑料至少能夠在室溫的水中浸泡三個(ge) 月而不被降解。

　　可高效回收

　　理論上來講，徐婷團隊提出的這種工藝能夠適用於(yu) 各種類型聚酯塑料的生產(chan) 改性。目前他們(men) 正在進行更深入的實驗，以得到更多種類的可降解塑料，能夠同時滿足堆肥性和耐用性的標準，並進一步擴大他們(men) 的技術應用範圍。

　　比如他們(men) 希望能夠在聚烯烴中嵌入酶。這是一種普遍用於(yu) 製造玩具和電子零件的塑料，市麵上大部分的塑料容器也是由此製成。這一類塑料並不易降解，如果能夠在這類塑料中嵌入酶，那麽(me) 就可以更大地豐(feng) 富可降解塑料的使用場景。

　　事實上，研究人員認為(wei) 堆肥並非是可降解塑料最好的終點，將這些塑料回收並轉化為(wei) 更高價(jia) 值的材料是一個(ge) 更好的選擇。他們(men) 想到的辦法是進一步修改RHP，使得降解過程可以在指定的點停止，而不是完全破壞塑料，之後再將其重新組裝，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製品的關(guan) 鍵技術。

　　試想一下，如果用可生物降解的聚合物來組裝電腦、手機或者其他電子產(chan) 品，在使用結束後，隻需要簡單地在水中加熱即可使整個(ge) 設備散開，那麽(me) 所有的部件都可以有效地重複利用。這對於(yu) 製造業(ye) 來說，將是一項巨大的進步。

　　該研究團隊現已為(wei) 這項技術提出了專(zhuan) 利申請，並創辦了一家初創公司嚐試將其商業(ye) 化，以進一步開發這些新型可降解塑料。目前，他們(men) 決(jue) 定先著眼於(yu) 開發價(jia) 格低廉且易於(yu) 堆肥的塑料袋，並嚐試推廣到每一家雜貨店。他們(men) 相信，真正的可堆肥塑料袋很快就將會(hui) 上架，之後更多的新型塑料製品也將會(hui) 進入我們(men) 的生活中。

　　徐婷說：“我們(men) 這一代應該積極思考，去嚐試改變一下與(yu) 地球的‘相處模式’了。我們(men) 現在丟(diu) 棄了太多的廢物，就像衣服、鞋子、手機和電腦等等。我們(men) 從(cong) 地球上取走資源的速度比歸還的速度快得多，我們(men) 不應該再繼續盲目地、無休止地開采資源了，而應該先去考慮如何將資源有效地回收利用。”

　　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

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的活動和科普好物！