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如何處理塑料污染，已經(jīng)成為環(huán)境治理的頭號難題。原本為了穩定而設計出的塑料，卻構成了“不腐”的污染。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，兩天即可實(shí)現完全降解。
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。剩下的數量龐大的塑料很難被降解，只能通過(guò)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)，也對包括人類(lèi)在內的生物的健康造成了嚴重威脅。
想要解決塑料污染問(wèn)題，一種有潛力的方法是發(fā)展生物可降解塑料?？墒?/span>生物降解性并不等于堆肥性。所謂堆肥性，是指物品在經(jīng)過(guò)發(fā)酵腐熟、微生物分解等堆肥工藝處理后，具備了有機肥料的性質(zhì)。因此，要把一種塑料稱(chēng)作“可堆肥”塑料，除了要求其可通過(guò)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(cháng)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）和聚己內酯（PCL）等制成，然而，這些傳統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在海洋和動(dòng)物的身體中，甚至是我們自己的體內，可能造成危害。
多年來(lái)，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(lái)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隊取得了重大突破，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(lèi)高分子聚合物，它的設計初衷是在使用過(guò)程中穩定而不分解。但誰(shuí)都沒(méi)有想到，它有點(diǎn)過(guò)于“頑強”了，即使是被丟棄多年后它仍然無(wú)法被分解。最耐用的塑料擁有近乎晶體的分子結構，聚合物纖維排列十分緊密，甚至是水都無(wú)法穿透它們，更不用說(shuō)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(cháng)，且容易分解不完全而形成微塑料。針對這些缺陷，科學(xué)家在傳統可降解塑料的基礎上進(jìn)行了改性，生產(chǎn)出了更易降解的新型塑料。
徐婷說(shuō)：“在野外，酶是大自然用來(lái)分解各種東西的有力工具，那我們?yōu)槭裁床粐L試用酶來(lái)分解塑料呢？”
巧用酶的分解能力這個(gè)想法，最早起源于研究團隊2018年的一項實(shí)驗。他們當時(shí)將一種能夠降解有機磷等化學(xué)物質(zhì)的酶嵌入了纖維墊中。當墊子浸泡進(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(chóng)劑”一樣發(fā)揮功效。之后，研究小組用類(lèi)似的方法，嘗試在普通可降解塑料的制造過(guò)程中嵌入一種可食用酶。當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。這樣一來(lái)，塑料的分解速度得到了極大的提升，同時(shí)，由于每一個(gè)鏈節都被打斷，塑料分解率高達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 )被隨機分解，產(chǎn)生微塑料。而徐婷團隊發(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(lái)源：UC Berkeley/Christopher DelRe）
當然，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起來(lái)，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(lái)把尚在使用中的塑料“吃”個(gè)精光。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團隊為酶穿上了一層厚厚的“鎧甲”。他們設計了一種稱(chēng)為隨機異源聚合物（RHPs）的分子，能夠將酶牢牢包裹起來(lái)，且不會(huì )限制其靈活性。這種RHP分子由四個(gè)不同類(lèi)型的單體亞基組成，每個(gè)亞基具有不同的化學(xué)性質(zhì)，它們被分別設計，以用于與特定酶表面的化學(xué)基團相互作用。
RHP-酶的包裹體可以像塑料著(zhù)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，因為這些分子暴露在紫外線(xiàn)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(lèi)，這都使得該工藝能夠與傳統產(chǎn)線(xiàn)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。研究人員對其性能進(jìn)行了實(shí)際測試，他們在PLA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?xún)燃纯赏耆纸狻?/span>
同時(shí)，他們還通過(guò)添加脂肪酶對PCL進(jìn)行了改性，這使得PCL能夠在40℃的堆肥條件下，兩天以?xún)缺煌耆到狻?/strong>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，顯示出較好的穩定性，經(jīng)測試，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(lái)源：UC Berkeley/Christopher DelRe）
可高效回收
理論上來(lái)講，徐婷團隊提出的這種工藝能夠適用于各種類(lèi)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，以得到更多種類(lèi)的可降解塑料，能夠同時(shí)滿(mǎn)足堆肥性和耐用性的標準，并進(jìn)一步擴大他們的技術(shù)應用范圍。
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(lèi)塑料并不易降解，如果能夠在這類(lèi)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(guò)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(lái)回收塑料制品的關(guān)鍵技術(shù)。
試想一下，如果用可生物降解的聚合物來(lái)組裝電腦、手機或者其他電子產(chǎn)品，在使用結束后，只需要簡(jiǎn)單地在水中加熱即可使整個(gè)設備散開(kāi)，那么所有的部件都可以有效地重復利用。這對于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，將是一項巨大的進(jìn)步。
該研究團隊現已為這項技術(shù)提出了專(zhuān)利申請，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(kāi)發(fā)這些新型可降解塑料。目前，他們決定先著(zhù)眼于開(kāi)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(shuō)：“我們這一代應該積極思考，去嘗試改變一下與地球的‘相處模式’了。我們現在丟棄了太多的廢物，就像衣服、鞋子、手機和電腦等等。我們從地球上取走資源的速度比歸還的速度快得多，我們不應該再繼續盲目地、無(wú)休止地開(kāi)采資源了，而應該先去考慮如何將資源有效地回收利用?！?/span>
