圖片來源：UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering

如何處理塑料污染，已經成為環境治理的頭號難題。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，兩天即可實現完全降解。

截至2018年，全世界生產了約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循環，在污染土地、水體的同時，也對包括人類在內的生物的健康造成了嚴重威脅。

想要解決塑料污染問題，一種有潛力的方法是發展生物可降解塑料。可是生物降解性并不等于堆肥性。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后，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，即塑料在工業化堆肥環境中（60℃，微生物環境），殘留物存在時間不長于12周，最終產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，還可能會污染其他可回收的塑料，因此她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歷了幾個月甚至幾年，終于在自然環境中被分解之后，她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在海洋和動物的身體中，甚至是我們自己的體內，可能造成危害。

多年來，科學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，加州大學伯克利分校的徐婷教授及其團隊取得了重大突破，他們發明了一種新型可降解塑料，只需要簡單地在水中加熱，即可在最快兩天內完成降解。相關成果發表在了《自然》雜志上。

用酶“吃”掉塑料

塑料是一類高分子聚合物，她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，她有點過于“頑強”了，即使是被丟棄多年后她仍然無法被分解。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，甚至是水都無法穿透她們，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，但她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，科學家在傳統可降解塑料的基礎上進行了改性，生產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，那我們為什么不嘗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中時，嵌入的酶就會像“殺蟲劑”一樣發揮功效。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。這樣一來，塑料的分解速度得到了極大的提升，同時，由于每一個鏈節都被打斷，塑料分解率高達98%，從而徹底遏制了微塑料的產生。

徐婷團隊發明的新型塑料將酶嵌入了聚合物中，能夠被完全分解。（圖片來源：UC Berkeley/Christopher DelRe）

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，不至于在自然環境中輕易地失活，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”。他們設計了一種稱為隨機異源聚合物（RHPs）的分子，能夠將酶牢牢包裹起來，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性質，她們被分別設計，以用于與特定酶表面的化學基團相互作用。

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產線相兼容，很好地控制了該塑料的生產成本。

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纖維能夠在一周內完全降解。如果是處于工業堆肥條件（50℃）下，改性PLA在六天以內即可完全分解。

圖片來源：UC Berkeley/Ting Xu

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境中并不會降解，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月而不被降解。

新型可降解塑料最快兩天即可降解。（圖片來源：UC Berkeley/Christopher DelRe）

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準，并進一步擴大他們的技術應用范圍。

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鍵技術。

加入了酶的PLA在堆肥條件下，一周就能降解。（圖片來源：UC Berkeley/Adam Lau/Berkeley Engineering）

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

該研究團隊現已為這項技術提出了專利申請，并創辦了一家初創公司嘗試將其商業化，以進一步開發這些新型可降解塑料。目前，他們決定先著眼于開發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。”

編譯：周郅璨 審校：楊心舟

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