塑料的发明极大地便利了我们的日常生活。但是,大规模塑料垃圾的产生以及不当的塑料处理方式,使塑料垃圾(也就是白色污染)成为当下最严峻的环境问题之一。
塑料垃圾问题之所以难以解决,主要是石油基塑料在自然界中需要上百年才能降解,这给土壤和环境造成了污染。要想从源头解决“白色污染”,应该用可降解塑料,如用聚乳酸(PLA)代替石油基塑料。
为了加快可降解塑料的降解速度,我国科学家发明了一种“活”塑料,通过对微生物进行基因编辑,使其产生具备耐受极端环境能力的芽孢,在特定条件下分泌塑料降解酶,并通过塑料加工方法将芽孢包埋在塑料基质中。
在日常环境中,芽孢保持休眠状态,塑料保持稳定的使用性能,只有在特定条件下(如表面侵蚀、堆肥),塑料中的芽孢才会被激活并启动降解程序,完成塑料的完全降解。
通过改造芽孢编程可以降解“活”塑料。图片来源:参考文献[1]
不可降解塑料
塑料是一种人工合成的高分子材料,它的历史可追溯到19世纪末。到了20世纪中期,随着石油化工工业的发展,塑料的生产成本大幅降低,塑料的应用范围也进一步扩大,成为现代社会不可或缺的一部分。然而,塑料的广泛应用也带来了很多环境问题,随处可见的“白色污染”已经严重威胁到地球和人类的生存与发展。
石油基塑料需长达几百年才能降解,相较人类的时间跨度来说,基本可以定义为“不可降解塑料”。
为什么塑料降解如此艰难?因为塑料是最近一百多年才出现的高分子聚合物。一百年的时间对人类来说可能够长,但对大自然而言就是弹指一瞬,在这么短的时间内,还不足够进化出能快速降解这些塑料的微生物。
据统计,传统的石油基塑料,例如聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),降解时间都在百年以上。
各种塑料降解需要的时间。图片来源:参考文献[2]
可降解塑料
随着塑料垃圾问题日益严重,人类也意识到解决“白色污染”的紧迫性,开始寻找石油基塑料的代替品。我国出台了从“限塑令”到“禁塑令”的许多政策,限制使用不可降解塑料,在这样的背景下,可降解塑料受到越来越多的关注。
有一类生物来源的高分子聚合物,自然界中存在能够快速降解它们的微生物和酶,可以在不到一年的时间内自然降解这些聚合物,它们被称为“可降解塑料”,如聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚羟基脂肪酸(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚碳酸酯(PCL)等。
目前,使用可降解塑料代替石油基塑料,已经成为国内外的发展趋势,例如超市有偿提供的可降解塑料袋、餐饮行业的可降解塑料吸管,以及医院做手术用的可降解手术缝线(不需要拆线)等。
可降解塑料袋。图片来源:图虫创意
芽孢:提高降解速度
要想提高可降解塑料的降解速度,就要增加降解酶的数量。将降解酶放到塑料中,在塑料被废弃的时候自动释放出降解酶,提高降解速度。不过,如何把降解酶保存到塑料中,并保证平时使用时不降解,废弃时才启动降解呢?科研工作者们想到了细菌的一个特殊结构——芽孢。
自然界通过亿万年的演化,使诸多微生物进化出了抵抗恶劣环境条件的能力。当不再适合生物生存和繁殖的极端环境到来时,细菌就会转变成芽孢的形式,这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。芽孢可以忍受极端的干燥、温度和压力,而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。
因此,中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君团队提出,通过合成生物学方法改造枯草芽孢杆菌,将可控分泌塑料降解酶(洋葱霍尔德菌脂肪酶,Lipase BC)的基因线路导入枯草芽孢杆菌,并在二价锰离子的环境中,迫使枯草芽孢杆菌“休眠”,形成芽孢形态。
产生的芽孢同样带有编辑的基因线路,并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。研究团队通过将基因工程改造的芽孢溶液与聚碳酸酯(PCL)塑料母粒直接混合,通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有芽孢的塑料。
在物理性能方面的各项测试中,“活”塑料与普通塑料(PCL)在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。在不需要任何其他外源制剂的加入下,土壤环境中,“活”塑料能够在25天-30天内被完全降解,而传统可降解塑料(PCL)则需要55天左右才能被降解至肉眼不可见。
为了验证系统的普适性,研究人员继续尝试了其他的塑料体系,将芽孢与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸(PHA)以及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚合材料进行混合加工,制备了相应的“活”塑料。
“活”塑料在土壤中的降解过程 a.“活”塑料在土壤中30天即可完全降解;b.普通的PCL塑料在土壤中55天完全降解。图片来源:参考文献[1]
研究人员还将“活”塑料置于常见的碳酸饮料环境中浸泡2个月,在没有外界作用的情况下,“活”塑料能够保持稳定的外形,说明活体塑料能够像传统塑料一样正常使用,只有在它们被破坏或被废弃时,才会启动降解程序。这项研究为新型可生物降解塑料的开发提供了新的视角和方法,有望助力解决当下的塑料污染困境。
结语
“活”塑料的发明为解决塑料垃圾(白色污染)这一全球性难题提供了新的思路和解决方案。通过生物工程技术,科学家们成功地将微生物的自然进化优势与现代材料科学相结合,创造出一种能够在特定条件下自主降解的塑料。这一创新成果不仅在理论上展示了可持续发展的可能性,也在实践中为减少塑料垃圾的环境影响带来了切实的希望。二手注塑机回收
然而,“活”塑料的推广和应用仍需克服诸多挑战,包括生产成本、技术成熟度以及大规模应用的社会接受度等问题。只有在科技进步与政策引导的双重推动下,这一新型材料才能真正走向市场,成为应对“白色污染”的利器。
未来,我们期待更多这方面的科技创新,从源头上减少塑料污染,实现人与自然和谐共生。让我们共同努力,为保护地球环境贡献力量。