经过这种技术改造的塑料（左图）在标准堆肥条件下3天后解体（右图），两周后完全分解。图片来源：Christopher DelRe, UC Berkeley
生物可降解塑料常被宣传为一种解决世界性塑料污染问题的方案。但当下所谓的“可堆肥”（compostable）塑料袋、器皿和瓶盖都不能够在常规降解程序下被分解，还会污染其他可回收塑料，为回收工作人员带来了麻烦。大多数主要由名为聚乳酸（PLA）的聚酯构成的可堆肥塑料最终流入填埋场，并会在那里存留上和永久塑料同样长的时间。
美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的科学家目前发明了一种方法，只利用热量和水就能在数周内轻松降解这些可堆肥塑料。这解决了困扰塑料产业和环保人士的问题。
“人们已经准备好开始使用生物可降解聚合物制造一次性塑料制品了，但如果此举带来的问题甚至超过了收益，相关政策就可能会被撤销”加州大学伯克利材料科学和工程教授兼化学教授徐婷表示。“我们正走在正确的道路上。我们能够解决一次性塑料制品不能被生物降解的顽固问题。”徐婷是该研究的资深作者，研究于4月在《自然》（Nature）发表。
新技术理论上也可以被用于其他类型的聚酯塑料中。例如，塑料容器目前是由聚乙烯制造的，这是一种不可降解的聚烯烃，而利用这项新技术或许能够实现可堆肥塑料容器的生产。徐婷认为，聚烯烃塑料最好能够被转换为更高价值的产品，而不是混入堆肥，研究团队正在致力于寻找将聚乙烯塑料回收转化、重新利用的方式。
新的工艺在塑料制作过程中掺入了能够分解聚酯的酶。这些酶被一种简单聚合物所缠绕，从而防止酶发生去折叠而失活。当暴露于热量和水时，酶会摆脱多聚物防护罩，开始将塑料聚合物切碎为单体。以PLA为例，它会被分解为乳酸，可供堆肥中的土壤微生物取食。包裹酶的聚合物也会被降解。
这个过程不会产生微塑料，这是许多化学降解过程的副产品，其本身也是一种污染源。而利用徐婷团队的技术制造的塑料98%以上都能被降解为小分子。
本项研究的共同作者之一，博士毕业于加州伯克利的Aaron Hall，成立了一家公司来进一步开发这些生物可降解塑料。
让塑料自毁
塑料的设计能够避免它们在正常使用时损毁，但这也就意味着它们在废弃后也无法被自然界分解。大多数耐用塑料都有和晶体相似的分子结构，聚合物纤维在这种结构中排列得足够紧密，水分无法渗透，更不必说那些可能能够分解聚合物有机大分子的微生物了。
徐婷的想法是将纳米级的聚合物分解酶直接嵌入塑料或其他材料中，并保护它与外界隔绝，直到条件合适才将它重新释放出来。在2018年，她在实践中展示了这种设计如何运作。当时，她与在加州大学伯克利的团队将在一个纤维垫中嵌入了一种能够降解有毒有机磷化合物的酶，该化合物与杀虫剂和化学武器中的成分相似。当塑料垫被浸入化合物中时，被嵌入的酶降解了有机磷。
她的关键性创新在于发明了一种保护酶在离开其常规环境（如活细胞）后不会分解的方法。她设计了名为随机异质聚合物（random heteropolymers，简称RHPs）的分子，它们巧妙地缠绕在酶周围，维系其形态而不影响其酶活性。RHPs由四种单体亚单元组成，每一种都被设计为能与特定酶表面的化学基团产生相互作用。它们会在紫外线下降解，并且只占整个塑料重量的1%，如此低的含量能避免造成问题。
在发表于《自然》的研究中，徐婷与她的团队利用了相似的技术将酶包裹于RHPs之内，并将数十亿这样的纳米颗粒嵌入塑料制造进程中最源头的材料——塑料树脂球中。她将这个技术与嵌入色素为塑料染色的技术相类比。研究者们证明，由RHP包裹的酶并不会改变塑料的特性。塑料依然能够像普通的聚酯塑料一样在170摄氏度被融化并被拉伸为纤维。
图片来源：Pixabay
启动降解过程所需的仅仅是水和一点热量。在室温下，80%的改良PLA纤维能够在一周左右彻底分解。降解过程在高温下进行得会更快。在工业堆肥条件下，改良PLA能够在50摄氏度下于6天内降解，另一种聚酯塑料聚己内酯（PCL）能够在40摄氏度下在两天内降解。徐婷将能把PLA分解为乳酸分子的蛋白酶K嵌入了PLA中，而对PCL使用了脂肪酶。这两种酶都是便宜而且可商业购买的。
“如果你只把酶放在塑料的表面，它侵入内部的速度就会非常慢，”徐婷表示，“你希望酶能够在微观尺度上遍布各处，以至于每个酶只需要消化它周围的聚合物，就能够将整块材料分解。”
美国市政管理的堆肥通常需要60-90天降解食物和植物废弃物，这种塑料快速的降解进程刚好与之匹配。工业堆肥的温度更高而时间更短，不过改良聚酯在这种温度下也会更快的降解。
徐婷推测更高的温度能让被束缚的酶的活动范围增加，从而更快找到聚合物链条的末端并将其分解，进而前往下一个分子链。由RHP缠绕的酶也同样倾向于结合聚合物链条的末端，从而缩短酶与其靶点的距离。
图片来源：Pixabay
徐婷表示，改良聚酯不会在更低的温度下或短暂的潮湿中降解。例如，利用这种技术制造的一件聚酯衬衫能够承受汗液和中等温度的清洗。在室温下泡在水中三个月也没有使塑料分解。不过她与她的团队也表明，在温水中浸泡确实会导致降解。
“看来仅考虑堆肥还不够，人们还希望能够在家中用水堆肥来避免弄脏手，”她表示，“这也就是我们的目的所在。我们使用了温自来水。只要加热到适宜温度，塑料就能在几天之内消失。”
徐婷正在开发可以降解其他聚酯塑料的由RHP缠绕的酶，但她同时也在改进RHPs，从而实现在特定阶段终止降解，避免材料被彻底摧毁。如果要将塑料熔化，合成新的塑料，这种性能将会派上用场。
徐婷表示，程序性降解可能成为回收许多物件的关键。她表示，可以想象利用生物可降解胶水来组装计算机电路，乃至整个手机或电子器件，这样当设备用完后，溶解掉胶水就可以将其拆解，各零件就可以重新利用。
“对千禧一代来说，思考这种问题并对此进行讨论能够改善我们与地球交互的方式，”徐婷表示，“看看我们扔掉的东西：衣服、鞋、手机和电脑之类的电子产品。我们从地球中拿取的速度比我们归还的速度更快。不要再向地球索取这些材料了，我们应充分利用现有的一切，把它们转换成其他的东西。”
翻译：刘诗宇
编辑：戚译引
引进来源：加州大学伯克利分校
本文来自：中国数字科技馆
特别声明：本文转载仅仅是出于科普传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或其它相关事宜，请与我们接洽。
[责任编辑：环球科学]
京公网安备11010502039775号
