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(wěn)定而設(shè)計出的塑料,，卻構(gòu)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%會被回收,，另有12%會被焚化。剩下的數(shù)量龐大的塑料很難被降解,，只能通過掩埋,、焚燒等方式逐漸進入生態(tài)循環(huán)，在污染土地,、水體的同時,，也對包括人類在內(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,。可是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(yè)化堆肥環(huán)境中（60℃,，微生物環(huán)境）,，殘留物存在時間不長于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)歷了幾個月甚至幾年,，終于在自然環(huán)境中被分解之后,，它們還是會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，它有點過于“頑強”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(xué)家在傳統(tǒng)可降解塑料的基礎(chǔ)上進行了改性，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想法,，最早起源于研究團隊2018年的一項實驗。他們當(dāng)時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(dāng)墊子浸泡進含有這些化學(xué)物質(zhì)的液體中時，嵌入的酶就會像“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,，這種酶能夠抓住塑料分子鏈的末端，就像吃面條一樣,，逐個切斷鏈節(jié),。這樣一來,，塑料的分解速度得到了極大的提升，同時,，由于每一個鏈節(jié)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,。

當(dāng)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,，不至于在自然環(huán)境中輕易地失活，也不會隨隨便便就跑出來把尚在使用中的塑料“吃”個精光,。為了解決這個問題,，研究團隊為酶穿上了一層厚厚的“鎧甲”。他們設(shè)計了一種稱為隨機異源聚合物（RHPs）的分子,，能夠?qū)⒚咐卫伟饋?，且不會限制其靈活性。這種RHP分子由四個不同類型的單體亞基組成,，每個亞基具有不同的化學(xué)性質(zhì),，它們被分別設(shè)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色劑一樣被簡單地添加到原料中,，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分子的加入并不會影響可降解性能，因為這些分子暴露在紫外線下一段時間后即可被降解,。

同時,，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,。研究人員對其性能進行了實際測試，他們在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(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,。

同時,，他們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,，兩天以內(nèi)被完全降解,。此外，在平時的使用中,，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)境中并不會降解,，顯示出較好的穩(wěn)定性，經(jīng)測試,，該塑料至少能夠在室溫的水中浸泡三個月而不被降解,。

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于各種類型聚酯塑料的生產(chǎn)改性,。目前他們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(biāo)準(zhǔn),，并進一步擴大他們的技術(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景,。

事實上，研究人員認為堆肥并非是可降解塑料最好的終點,，將這些塑料回收并轉(zhuǎn)化為更高價值的材料是一個更好的選擇,。他們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),。

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(chǎn)品,，在使用結(jié)束后，只需要簡單地在水中加熱即可使整個設(shè)備散開,，那么所有的部件都可以有效地重復(fù)利用。這對于制造業(yè)來說,，將是一項巨大的進步,。

該研究團隊現(xiàn)已為這項技術(shù)提出了專利申請,，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上架，之后更多的新型塑料制品也將會進入我們的生活中,。

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,。”