環境治理：新工藝使“可生物降解”塑料真正可用於堆肥


經過這種技術改造的塑料（左圖）在標準堆肥條件下3天後解體（右圖），兩周後完全分解。圖片來源：Christopher DelRe, UC Berkeley
生物可降解塑料常被宣傳為一種解決世界性塑料汙染問題的方案。但當下所謂的“可堆肥”（compostable）塑料袋、器皿和瓶蓋都不能夠在常規降解程序下被分解，還會汙染其他可回收塑料，為回收工作人員帶來了麻煩。大多數主要由名為聚乳酸（PLA）的聚酯構成的可堆肥塑料最終流入填埋場，並會在那裏存留上和永久塑料同樣長的時間，這些塑料。
美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的科學家目前發明了一種方法，隻利用熱量和水就能在數周內輕鬆降解這些可堆肥塑料。這解決了困擾塑料產業和環保人士的問題。
“人們已經準備好開始使用生物可降解聚合物製造一次性塑料製品了，但如果此舉帶來的問題甚至超過了收益，相關政策就可能會被撤銷，”UC伯克利材料科學和工程教授、化學教授徐婷表示。“我們想要表達的主要是：我們正走在正確的道路上。我們能夠解決一次性塑料製品不能被生物降解的頑固問題。”徐婷是該研究的資深作者，研究於4月在《自然》（Nature）發表。
新技術理論上也可以被用於其他類型的聚酯塑料中。例如，塑料容器目前是由聚乙烯製造的，這是一種不可降解的聚烯烴，而利用這項新技術或許能夠實現可堆肥塑料容器的生產。徐婷認為，聚烯烴塑料最好能夠被轉換為更高價值的產品，而不是混入堆肥，研究團隊也正在致力於尋找將聚乙烯塑料回收轉化、重新利用的方式。
新的工藝在塑料製作過程中摻入了能夠分解聚酯的酶。這些酶被一種簡單聚合物所纏繞，從而防止酶發生去折疊而失活。當暴露於熱量和水時，酶會擺脫多聚物防護罩，開始將塑料聚合物切碎為單體。以PLA為例，它會被分解為乳酸，可供堆肥中的土壤微生物取食。包裹酶的聚合物也會降解。
這個過程不會產生微塑料，這是許多化學降解過程的副產品，本身也是一種汙染源。而利用徐婷團隊的技術製造的塑料，高達98%都能被降解為小分子。
本項研究的共同作者之一，博士畢業於加州伯克利的Aaron Hall，設立了一個公司來進一步開發這些生物可降解塑料。
讓塑料自毀
塑料的設計能夠避免它們在正常使用時損毀，但這也就意味著它們在廢棄後也無法被自然分解。大多數耐用塑料都有和晶體相似的分子結構，聚合物纖維在這種結構中排列得足夠緊密，水分無法滲透，更不必說那些可能能夠分解聚合物有機大分子的微生物了。
徐婷的想法是將納米級的聚合物分解酶直接嵌入塑料或其他材料中，並保護它與外界隔絕，直到條件合適才將它重新釋放出來。在2018年，她在實踐中展示了這種設計如何運作。當時，她與在UC伯克利的團隊將在一個纖維墊中嵌入了一種降解有毒有機磷化合物的酶，該化合物與殺蟲劑和化學武器中的成分相似。當塑料墊被浸入化合物中時，被嵌入的酶降解了有機磷。
她的關鍵性創新在於發明了一種保護酶在離開其常規環境（如活細胞）後不會分解的方法。她設計了名為隨機異質聚合物（random heteropolymers，簡稱RHPs）的分子，它們巧妙地纏繞在酶周圍，維係其形態而不影響其自然靈活性。RHPs由四種單體亞單元組成，每一種都被設計為能與特定酶表麵的化學基團產生相互作用。它們會在紫外線下降解，並且隻占整個塑料重量的1%，如此低的含量能避免造成問題。
在發表於《自然》的研究中，徐婷與她的團隊利用了相似的技術將酶包裹於RHPs之內，並將數十億這樣的納米顆粒嵌入塑料製造進程中最源頭的材料——塑料樹脂球中。她將這個技術與嵌入色素為塑料染色的技術相類比。研究者們證明，由RHP包裹的酶並不會改變塑料的特性。塑料依然能夠像普通的聚酯塑料一樣在170攝氏度被融化並被拉伸為纖維。


圖片來源：Pixabay
啟動降解過程所需的僅僅是水和一點熱量。在室溫下，80%的改良PLA纖維能夠在一周左右徹底分解。降解過程在高溫下進行得更快。在工業堆肥條件下，改良PLA能夠在50攝氏度下於6天內降解，另一種聚酯塑料聚己內酯（PCL）能夠在40攝氏度下在兩天內降解。徐婷將能把PLA分解為乳酸分子的蛋白酶K嵌入了PLA中，而對PCL使用了脂肪酶。這兩種酶都是便宜而且可商業購買的。
“如果你隻把酶放在塑料的表麵，它侵入內部的速度就會非常慢，”徐婷表示，“你希望酶能夠在微觀尺度上遍布各處，以至於每個酶隻需要消化它周圍的聚合物，就能夠將整塊材料分解。”
美國市政管理的堆肥通常需要60-90天降解食物和植物廢棄物，這種塑料快速的降解進程剛好與之匹配。工業堆肥的溫度更高而時間更短，不過改良聚酯在這種溫度下也會更快降解。
徐婷推測更高的溫度能讓被束縛的酶的活動範圍增加，從而更快找到聚合物鏈條的末端並將其分解，進而前往下一個分子鏈。由RHP纏繞的酶也同樣傾向於結合聚合物鏈條的末端，從而縮短酶與其靶點的距離。


圖片來源：Pixabay
徐婷表示，改良聚酯不會在更低的溫度下或短暫的潮濕中降解。例如，利用這種技術製造的一件聚酯襯衫能夠承受汗液和中等溫度的清洗。在室溫下泡在水中三個月也沒有使塑料分解。不過她與她的團隊也表明，在溫水中浸泡確實會導致降解。
“看來僅考慮堆肥還不夠，人們還希望能夠在家中用水堆肥來避免弄髒手，”她表示，“這也就是我們的目的所在。我們使用了溫自來水。隻要加熱到適宜溫度，塑料就能在幾天之內消失。”
徐婷正在開發可以降解其他聚酯塑料的由RHP纏繞的酶，但她同時也在改進RHPs，從而實現在特定階段終止降解，避免材料被徹底摧毀。如果要將塑料熔化，合成新的塑料，這種性能將會派上用場。
徐婷表示，程序性降解可能成為回收許多物件的關鍵。她表示，可以想象利用生物可降解膠水來組裝計算機電路，乃至整個手機或電子器件，這樣當設備用完後，溶解掉膠水就可以將其拆解，各零件就可以重新利用。
“對千禧一代來說，思考這種問題並對此進行討論能夠改善我們與地球交互的方式，”徐婷表示，“看看我們扔掉的東西：衣服、鞋、手機和電腦之類的電子產品。我們從地球中拿取的速度比我們歸還的速度更快。不要再向地球索取這些材料了，我們應充分利用現有的一切，把它們轉換成其他的東西。”
翻譯：劉詩宇
編輯：戚譯引
引進來源：加州大學伯克利分校
本文來自：環球科學


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