灵感来自“酸奶”，中国科学家攻克塑料降解难题！40℃水温下两天内可完全降解 | 专访

 

“当我从父母的花园里拿到堆肥土壤时，常常堆满了尚未完全降解的塑料碎片。” 本身就是加州大学伯克利分校材料科学与工程系教授的徐婷，看到这一幕时更加意识到，研发出可完全降解塑料的技术，于人、于己都很迫切。

 

 

图 | 塑料污染（来源：Pixabay）

 

塑料可完全降解的概念，已经诞生多年，但却没有技术能真正做到。当前，虽然有一些可 “生物降解” 的塑料，但是 “可降解” 和 “可完全降解” 带来的结果完全不一样。

 

无法完全降解的塑料，会通过一定方式进入海洋生物体内，进而通过食物链进入人体体内。

 

就在 4 月 21 日，第 52 个世界地球日来临前一天，Nature 报道了徐婷的新技术：无需特殊条件，一天到几周内就能完全降解塑料！

 

 

图 | 左侧的改性塑料，在标准堆肥中仅放置三天就会分解，而在两周后会完全分解（来源：受访者）

 

当天，徐婷担任通讯作者的论文在 Nature 发表，论文标题为《聚酯与纳米分散酶几乎完全解聚》“Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes”。

 

 

图 | 相关论文（来源：受访者）

 

徐婷告诉 DeepTech，在思考如何造出真正可降解且没有后遗症的塑料这一问题时，她想到了酶。

 

让塑料 “自我毁灭”

 

如下图所示，使用本次技术，在 40℃ 的环境下，这种塑料能在 36 小时后、也就是一天半之后降解为小分子。

 

 

图 | 36 小时后降解（来源：受访者）

 

说起酶，你可能比较陌生，但应该听说过做酸奶用的酶。酶也是一种大分子生物催化剂，具备加速化学反应的能力。

 

这种能力有多强？以乳清苷 - 5'- 磷酸脱羧酶为例，在无催化剂条件下耗时数百万年才能完成的化学反应，有了它只需几毫秒就能完成。截止目前，人类已知的是，酶能催化 5000 多种生化反应。

 

徐婷也表示，人类死亡后，体内的酶会自动降解身体，大自然本身也用酶来降解野外生物。

 

那么，能否用酶来降解塑料，从而让塑料融入自然呢？

 

 

图 | 徐婷（来源：受访者）

 

她和团队还做出一个大胆设想：假如酶只能触达到塑料表面，塑料只能被一层层地降解，速度十分堪忧。如果让酶充斥于塑料中呢？

 

这样一来，虽然每个酶只能降解它附近的小部分塑料，但无数个小部分降解累积在一起，整块塑料就能被完全降解。

 

设想很美好，摆在面前的困难也很骨感。耐久性塑料拥有水晶体般的分子结构，其中的聚合物纤维排列非常紧密，灵活如水分子都渗不进去，更别说酶了。

 

那怎么办呢？徐婷决定从根抓起，把酶介入到塑料诞生的初始阶段，让其作为生产塑料的原料。

 

2018 年，她曾展示过这项技术，当时她在纤维垫中嵌入一种酶，这种酶能降解有毒的有机磷酸酯化学物质，例如杀虫剂和化学战剂中的化学物质。当纤维垫浸入化学品中时，嵌入的酶可以分解有机磷酸酯。

 

 

图 | 相关降解过程（来源：受访者）

 

但是问题接踵而至，酶的分子特征不算太稳定。一旦脱离细胞范围，它就会丧失功能、或者被降解掉。

 

为了保护酶免于崩解，徐婷开发出一种分子，名字叫随机杂聚物（Random Heteropolymers，下称 RHP），它就跟水果皮似的，能像包裹果肉一样，把酶包起来。

 

 

图 | 脂肪酶的荧光显微镜图像（来源：受访者）

 

RHP 分子会围绕着酶，并将其轻轻地结合在一起，酶的自然柔韧性不会受到影响，塑料特性亦不会被改变。

 

此外，RHP 由四种类型的单体亚基组成，每种亚基的化学性质，都能和特定酶表面的化学基团相互作用。数十亿个酶被包起来后，和塑料树脂珠混合后，即可用于塑料生产。

 

如下图所示，图上的绿球是一种脂肪酶，左上角是脂肪酶正在从表面降解塑料聚合物，但是它会随机切割聚合物，并留下图中右上角的微塑料。

 

 

图 | 相关设计思路（来源：受访者）

 

上面图片的左下方指的是，徐婷给整个塑料中嵌入了酶纳米簇，图中的彩球链正是前文提到的随机杂聚物，它可以保护酶纳米簇。

 

具体生产塑料时，只要保证酶的功能不变，当制备出来的塑料结束使用用途、并进行再回收时，只要遇水遇热，就能唤醒酶的降解能力。

 

其原理是，嵌入的酶会固定在聚合物链末端附近，在适当条件下遇水遇热，就能从链末端降解聚合物分子。另据悉，该技术在使用过程中，可保持塑料的完整性。

 

徐婷推测，较高的温度会使包裹的酶运动更多，从而让它快速找到聚合物链的末端、并对其进行咀嚼，然后继续前进至下一个链。

 

此外，RHP 包裹的酶还倾向于在聚合物链的末端附近结合，从而使酶保持在相关靶标附近。

 

 

图 | PCL-RHP-BC - 脂肪酶的表征和降解（来源：受访者）

 

在不同温度下，降解速度也各不相同。徐婷指出，正常室温环境下，花费 7 天左右的时间，80% 的聚乳酸塑料就能被完全降解，降解后会变成乳酸。

 

这时，降解工作就能宣布大功告成，因为乳酸能被土壤中的微生物直接吸收。

 

另据悉，使用本次方法，在工业环境下处理同样重量的塑料，速度会更快。因为工业环境具备更好的温度调节条件，比如在 50℃ 的温度下，80% 的聚乳酸塑料可在 6 天左右完全降解；而在 40℃ 温度下，只需花费 2 天，就能降解聚己内酯塑料。

 

 

图 | 塑料的分解（来源：受访者）

 

徐婷告诉 DeepTech，使用本次技术生产的塑料，98% 的部分会被降解成小分子，还可避免对环境产生有害物质如微塑料。据了解，微塑料是化学降解过程中常见污染副产物。

 

针对聚乳酸塑料的降解，她嵌入了一种称为蛋白酶 K 的酶，该酶能将聚乳酸塑料咀嚼成乳酸分子。而针对聚己内酯塑料的降解，她使用了脂肪酶。

 

以上两种酶，都是廉价且容易获得的酶。如下图所示，左图是把聚乳酸塑料放置在堆肥中的初时模样，右图是放置一周后的聚乳酸塑料，可以明显看出后者已经被吸收不少。

 

 

图 | 塑料降解成为小分子并可被土壤吸收（来源：受访者）

 

如下图，本次论文的作者之一伊凡・贾亚普尔纳（Ivan Jayapurna），正在展示含有聚己内酯的样品膜，据了解聚己内酯具备较好的生物相容性、生物降解性、和无毒性。

 

 

图 | 伊凡・贾亚普尔纳，正在展示含有聚己内酯的样品膜（来源：受访者）

 

概括来说，从生产阶段就给聚己内酯嵌入酶，生产出来的聚酯塑料、不仅具备在常规堆肥中可进行快速生物降解的能力，其机械性能也不亚于低密度聚乙烯塑料，因此有望成为不可生物降解塑料的高潜力替代品。

 

我们向地球索取的速度，比回报地球的速度还快

 

对于本次研究的出发点，徐婷显然看得更深刻。

 

她说：“对千禧一代来说，考虑这一点并开始对话，将改变我们与地球互动的方式，这是一件好事，看看我们扔掉的东西：衣服、鞋子、手机和计算机等电子产品。我们从地球上拿东西的速度，比我们返回它们的速度还快。不要再回到地球开采这些材料，而要开采您拥有的任何东西，然后将其转换为其他东西。”

 

另据悉，本次论文的作者之一、前加州大学伯克利分校的博士生亚伦・霍尔（Aaron Hall），已成立一家公司，旨在使用本次成果，来进一步开发可生物降解的塑料。

 

 

图 | 含有酶的聚乳酸塑料薄膜（来源：受访者）

 

此外，本次技术不仅能造出塑料购物袋，还能制造可生物降解的胶水，使用这种胶水去组装电脑和手机等电子设备，在设备寿命即将终结时，只需溶解胶水，各种零件就会散开，并可进行重复使用。

 

由于本次研发出的塑料，在低温下或短暂潮湿时不会降解。研究中，徐婷把部分塑料在室温下放置了三个月，期间没有发生任何降解，不过倒入微热的水之后，就会开始降解。但这也意味着，这种塑料可被制成衣服，因为很明显它不会受到晾晒或冷水洗涤的影响。

 

谈及未来，徐婷表示，她正在开发可降解其他类型的聚酯塑料的 RHP 包裹型酶。目前，她正在对 RHP 进行改性，以便让降解过程能在特定时间节点停止，且不让该材料遭受破坏，这有望让塑料重新熔化、并变成新的塑料，届时塑料有望进入可循环使用的 “永生” 阶段。

 

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参考：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3

 

作者：多加  来源：DeepTech深科技