白色污染難解決？試試這款“活”塑料！

出品：科普中國(guó)

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

塑料的發(fā)明為我們的日常生活帶來了極大的便利。但是，大規(guī)模塑料垃圾的產(chǎn)生以及不當(dāng)?shù)奶幚矸绞剑沟盟芰侠簿褪前咨廴境蔀楫?dāng)下最為嚴(yán)峻的環(huán)境問題之一。

白色污染問題之所以難以解決，主要是石油基塑料在自然界中需要上百年才能降解，造成土壤和環(huán)境的污染。要想從源頭解決白色污染，應(yīng)該以可降解塑料（如聚乳酸PLA）代替石油基塑料。

為了加快可降解塑料的降解速度，我國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種“活”塑料，就是通過對(duì)微生物進(jìn)行基因編輯使其產(chǎn)生具備極端環(huán)境耐受能力的芽孢，可以在特定條件下分泌塑料降解酶，并通過塑料加工方法將芽孢包埋在塑料基質(zhì)中。

日常使用環(huán)境中，芽孢保持休眠狀態(tài)，塑料也可保持穩(wěn)定的使用性能。只有在特定條件下（表面侵蝕、堆肥），塑料中的芽孢才會(huì)被激活并啟動(dòng)降解程序，完成塑料的完全降解。

通過改造芽孢編程可降解“活”塑料

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

不可降解塑料

塑料是一種人工合成的高分子材料，它的歷史可以追溯到19世紀(jì)末。到了20世紀(jì)中期，隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，塑料的生產(chǎn)成本大幅降低，塑料的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。塑料的廣泛應(yīng)用也帶來了很多環(huán)境問題，隨處可見的白色污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到地球和人類的生存與發(fā)展。

為什么塑料降解如此艱難？因?yàn)樗芰鲜亲罱话俣嗄瓴懦霈F(xiàn)的高分子聚合物，100年對(duì)人類來說可能不算短，但對(duì)大自然而言簡(jiǎn)直就是彈指一瞬間，在這么短的時(shí)間內(nèi)自然界尚未進(jìn)化出能夠快速降解這些“新玩意”的微生物。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)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）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解時(shí)間都在百年以上。

各種塑料降解需要的時(shí)間

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

可降解塑料

隨著白色污染日益嚴(yán)重，人類也認(rèn)識(shí)到問題的緊迫性，開始尋找石油基塑料的代替品，我國(guó)也出臺(tái)了許多政策來限制不可降解塑料的使用，從“限塑令”到“禁塑令”。在這樣的背景下，可降解塑料越來越受關(guān)注。石油基塑料長(zhǎng)達(dá)幾百年才能降解，對(duì)于人類來說基本上可以定義為“不可降解塑料”。

有一類生物來源的高分子聚合物，由于自然界中存在能夠快速降解這些聚合物的微生物和酶，只需要一年不到的時(shí)間即可自然降解，因此被稱為“可降解塑料”，如聚乳酸（PLA）、聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚羥基脂肪酸（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經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，例如超市有償提供的可降解塑料袋、餐飲行業(yè)的可降解塑料吸管，以及醫(yī)院做手術(shù)用的可降解手術(shù)縫線（不需要拆線）等。

可降解塑料袋

（圖片來源：veer圖庫(kù)）

提高可降解塑料的降解速度

要想提高可降解塑料的降解速度，增加降解酶的數(shù)量是關(guān)鍵，如果能夠?qū)⒔到饷阜诺剿芰现?，在塑料廢棄的時(shí)候自動(dòng)釋放出降解酶，通過酶來降解塑料，就可以提高降解速度。不過如何把降解酶存到塑料中，平時(shí)使用的時(shí)候不降解，而在廢棄的時(shí)候才啟動(dòng)降解呢？科研工作者們想到了細(xì)菌的一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)——芽孢。

在自然億萬年的演化中，諸多微生物進(jìn)化出了針對(duì)惡劣環(huán)境條件的抵抗力。當(dāng)極端環(huán)境到來，不再適合生存和繁殖的時(shí)候，細(xì)菌就會(huì)轉(zhuǎn)變成芽孢的形式，這種轉(zhuǎn)變可以讓細(xì)菌獲得超強(qiáng)的抵御能力。芽孢可以忍受極端的干燥、溫度和壓力，而這些極端環(huán)境恰好存在于塑料加工的環(huán)境中。

因此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君團(tuán)隊(duì)提出通過合成生物學(xué)方法改造枯草芽孢桿菌，將可控分泌塑料降解酶（洋蔥霍爾德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因線路導(dǎo)入枯草芽孢桿菌，并在二價(jià)錳離子的環(huán)境中，迫使枯草芽孢桿菌“休眠”，形成芽孢形態(tài)。

產(chǎn)生的芽孢同樣帶有編輯的基因線路，并且相比于細(xì)菌還具備了針對(duì)高溫、高壓、有機(jī)溶劑和干燥的耐受性。通過將基因工程改造的芽孢溶液與聚碳酸酯PCL塑料母粒直接混合，通過高溫熔融擠出或者有機(jī)溶劑方法制備了一系列含有芽孢的塑料。

在物理性能方面的各項(xiàng)測(cè)試中，“活”塑料與PCL普通塑料，在屈服強(qiáng)度、應(yīng)力極限、最大形變量和熔點(diǎn)等參數(shù)上均沒有顯著區(qū)別。日常使用環(huán)境中，芽孢保持休眠狀態(tài)，塑料也可保持穩(wěn)定的使用性能。在不需要任何其他外源制劑的加入下，土壤環(huán)境中“活”塑料能夠在25-30天以內(nèi)就可被完全降解，而傳統(tǒng)可降解PCL塑料則需要55天左右才能被降解至肉眼不可見。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的普適性，研究人員繼續(xù)嘗試了其他的塑料體系，將芽孢與PBS、PBAT、PLA、PHA以及PET等聚合材料進(jìn)行混合加工，制備了相應(yīng)的“活”塑料。

“活”塑料在土壤中的降解過程

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

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

研究人員還將“活”塑料置于常見的碳酸飲料環(huán)境中浸泡2個(gè)月，在沒有外界作用的情況下，“活”塑料能夠保持穩(wěn)定的外形，說明活體塑料能夠像傳統(tǒng)塑料一樣使用，只有在它們被破壞或被廢棄的條件下，才會(huì)啟動(dòng)降解程序。這項(xiàng)研究為新型可生物降解塑料的開發(fā)，提供了新的視角和方法，有望助力解決當(dāng)下嚴(yán)重的塑料污染困境。

結(jié)語

“活”塑料的發(fā)明為解決白色污染這一全球性難題提供了新的思路和解決方案。通過生物工程技術(shù)，科學(xué)家們成功地將微生物的自然進(jìn)化優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)代材料科學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)造出一種能夠在特定條件下自主降解的塑料。這一創(chuàng)新成果不僅在理論上展示了可持續(xù)發(fā)展的可能性，也在實(shí)踐中為減少塑料垃圾的環(huán)境影響帶來了切實(shí)的希望。

然而，“活”塑料的推廣和應(yīng)用仍需克服諸多挑戰(zhàn)，包括生產(chǎn)成本、技術(shù)成熟度以及大規(guī)模應(yīng)用的社會(huì)接受度等問題。只有在科技進(jìn)步與政策引導(dǎo)的雙重推動(dòng)下，這一新型材料才能真正走向市場(chǎng)，成為應(yīng)對(duì)白色污染的利器。

未來，我們期待更多這樣的科技創(chuàng)新，從源頭上減少塑料污染，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生。讓我們共同努力，為保護(hù)地球環(huán)境貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

1.Tang et al. Degradable living plastics programmed by engineered spores. Nature Chemical Biology. 2024, 206, 20.

2.Choi et al. Sustainable production and degradation of plastics using microbes. Nature Microbiology. 2023, 8, 2253–2276.

3.Geyer, et al. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advance. 2017, 3, e1700782.