尽管我们努力进行分类和回收,但在美国,仍然只有不到9%的塑料被回收,大多数都最终被填埋污染环境。


可生物降解的塑料袋和容器可以提供帮助,但如果分类不当,则会污染原本可以回收的#1和#2塑料。更糟糕的是,大多数可生物降解的塑料需要几个月的时间才能分解,当它们最终分解时,它们会形成微塑料,可能会积存在海洋和动物体内。


现在,据《自然》杂志报道,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的科学家们设计了一种酶激活的可降解塑料,这种塑料可以减少微塑料污染,并有望实现塑料的升级回收。这种材料可以被分解成构件,称为单体的小分子,然后重组成一种新的可分解塑料产品。

科学家设计酶活化的可堆肥塑料 可以减少微塑料的污染

改性塑料(左)在标准堆肥中仅用了三天(右)就分解了,两周后就完全分解了。


在野外,酶是大自然用来分解东西的,即使我们死了,酶也会自然分解我们的身体。因此,在这项研究中,我们问自己,酶是如何生物降解塑料,使其成为自然的一部分?资深作者徐婷说道,她是伯克利实验室材料科学部的资深科学家,同时也是加州大学伯克利分校的化学、材料科学与工程教授。


目前使用的大多数生物可降解塑料通常由聚乳酸(PLA)制成,聚乳酸是一种植物基塑料材料,与玉米淀粉混合制成。还有聚己内酯(PCL),一种生物可降解聚酯,广泛应用于生物医学应用,如组织工程。


但传统的生物可降解塑料的问题是,它们与塑料薄膜等一次性塑料无法区分,所以这些材料的很大一部分最终被扔进了垃圾填埋场。研究人员、科学家兼副主任、共同作者科琳·斯考恩(Corinne Scown)表示,即使一个可生物降解塑料容器被存放到有机废物处理设施,它也无法像曾经存放过的午餐沙拉那样分解得快,所以最终会污染有机废物。


生物降解塑料的另一个问题是,它们不像普通塑料那么坚固,这就是为什么你不能用一个标准的绿色堆肥袋携带重物的原因。其代价是,生物可降解塑料可以随着时间的推移而分解。但徐说,它们仍然只能分解成微塑料,微塑料仍然是塑料,只是小得多。


因此,许和她的团队决定采取一种不同的方法:将酶“纳米限制”成塑料。


使酶起作用


因为酶是生命系统的一部分,所以关键在于在塑料中开辟一个安全的地方,让酶在被召唤之前处于休眠状态。


在一系列的实验中,徐和他的合作者在PLA和PCL塑料材料中嵌入了微量的商业酶伯克霍氏菌脂肪酶(bc -脂肪酶)和蛋白酶K。科学家们还添加了一种酶保护剂,称为四单体随机异型聚合物,或RHP,以帮助酶分散到几个纳米(十亿分之一米)的距离。


科学家们得到了一个令人震惊的结果,他们发现普通家庭自来水或标准的土壤堆肥可以将这种含有酶的塑料材料转化为一种叫做单体的小分子建筑材料,并在短短几天或几周内消除微塑料。


他们还发现bc—脂肪酶是一种挑剔的“食客”。在脂肪酶将聚合物链转化为单体之前,它必须先抓住聚合物链的末端。徐解释说,通过控制脂肪酶何时发现链端,有可能确保材料不会降解,直到被热水或堆肥土壤触发。


此外,他们发现这种策略只有在bc -脂肪酶纳米分散的情况下才有效。在这种情况下,PCL块中仅占重量的0.02%,而不是随机地加入并混合。


纳米分散使每个酶分子发挥作用,并且没有什么浪费,徐说。


考虑到成本因素,这一点很重要。工业酶可以花费大约10美元每公斤,但是这种新方法只会增加几美分一公斤树脂的生产成本,因为所需的酶含量很低。

科学家设计酶活化的可堆肥塑料 可以减少微塑料的污染

在伯克利实验室的先进光源进行的x射线散射研究表征了PCL和PLA塑料材料中酶的纳米分散。


联合作者Tom Russell进行的界面张力实验实时揭示了当塑料分解成不同的分子时液滴的大小和形状是如何变化的。实验室结果也区分酶和RHP分子。


他说,界面测试可以让你了解到降解过程是如何进行的。但证据就在堆肥过程中,她的团队通过使用RHPs、水和堆肥土壤成功地从可生物降解塑料中回收了塑料单体。


罗素是马萨诸塞大学高分子科学与工程学院的客座科学家和教授,他领导了伯克利实验室材料科学部的自适应界面组装面向结构液体项目。


开发一种价格低廉、容易分解的塑料薄膜可以激励农产品制造商用分解塑料来包装新鲜水果和蔬菜,而不是用一次性的塑料包装。因此,斯考恩说,当有机废物被用于厌氧消化或堆肥时,要节省在昂贵的塑料包装机器上投资的额外费用。


由于他们的方法可以很好地应用于硬塑料和软塑料,徐希望将他们的研究扩展到聚烯烃,一种普遍用于制造玩具和电子部件的塑料。


该团队真正的可降解塑料可能很快就会上架。他们最近向加州大学伯克利分校的专利局提交了专利申请。该研究的共同作者艾伦·霍尔(Aaron Hall)当时是加州大学伯克利分校(UC Berkeley)材料科学与工程专业的博士生,他创立了加州大学伯克利分校的初创公司Intropic materials来进一步开发这项新技术。


在解决塑料问题时,我们有责任让大自然走上正轨。我们的研究是一个良好的开端,徐说。


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