來到海邊，你能看到什么？是藍(lán)天白云、黃金沙灘，還是被塑料垃圾纏繞致死的海洋生物？看著桌上色澤誘人的食物，你是否知道微塑料早已滲透進(jìn)我們生活的方方面面......

我們從地球上不斷索取資源，還給它的卻是堆積如山、難以降解的塑料垃圾。

隨著環(huán)境的不斷惡化，近年來人們對(duì)塑料危害的關(guān)注度明顯提高，各國政府越來越重視塑料垃圾的處理，科學(xué)家們也投入精力不斷研發(fā)塑料降解技術(shù)。

近日，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）的科學(xué)家就發(fā)明了一種塑料降解新方法——他們將一種可以“吃掉”塑料的酶包裹在特定分子中，僅在幾周時(shí)間內(nèi)，就能讓塑料在稍高溫度和水的作用下完全分解，不僅如此，已分解的塑料還會(huì)成為土壤微生物的養(yǎng)料，真正成為“可堆肥塑料”，從而解決了困擾塑料工業(yè)和環(huán)保主義者的問題。

相關(guān)論文“Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes” 為題，發(fā)表在 Nature 雜志上。

（來源：Nature）

生物可降解，遠(yuǎn)沒有聽上去那么容易

1904年，“塑料之父”Leo Baekeland 發(fā)明了塑料，這個(gè)給人類帶來極大便利的化合物曾一度被稱為“20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一”。然而到了今天，人們終于發(fā)現(xiàn)：100年前發(fā)明的塑料，至少要等 300 多年才能被降解！

當(dāng)初，塑料被設(shè)計(jì)為在正常使用期間不會(huì)分解，這原本是它用途廣泛的一大優(yōu)勢，但不可降解也同時(shí)意味著會(huì)污染環(huán)境。

為減少環(huán)境污染，目前市場上已經(jīng)存在以下兩種類型的“可降解塑料”：

可降解塑料：可通過物理和生物因素（光或熱，或微生物作用）降解，但降解速度慢，還可能留下憎水碎片，這些憎水碎片遷移到地下水和土壤中，其表面上會(huì)吸附并保留一些高毒性物質(zhì)。

生物可降解塑料：可被一些微生物作為食物來獲取能量，從而達(dá)到完全降解。其下有一個(gè)分支被稱為“可堆肥塑料”，是指塑料在堆肥條件下，通過微生物的作用，可在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水及其所含元素的礦化無機(jī)鹽以及新物質(zhì)。

（來源：UC Berkeley photo by Ting Xu）

一直以來，生物可降解塑料被宣傳為可以解決困擾世界范圍內(nèi)塑料污染問題的最佳方案。但其實(shí)，當(dāng)今所謂的“可堆肥”塑料袋、餐具等，只有在特定條件下才會(huì)進(jìn)行生物降解。

而在其他情況下（例如典型的花園堆肥和工業(yè)堆肥過程），它們可能會(huì)緩慢降解或根本無法降解，或者會(huì)破碎成微塑料，還會(huì)污染其他可回收塑料。尤其是很多塑料基本上具有晶體狀的分子結(jié)構(gòu)，聚合物纖維排列得非常緊密，以至于水都無法滲透，更不用說可能會(huì)“咀嚼”有機(jī)分子聚合物的微生物。

打開塑料降解開關(guān)

為了解決上述問題，讓可生物降解塑料真正“可堆肥”，加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系和化學(xué)系徐婷教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新工藝——在塑料中嵌入以聚酯為食的酶，這些酶能夠有效地將塑料分解成一個(gè)個(gè)初級(jí)結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)，分解后的產(chǎn)物還可以用作堆肥。

例如，就聚乳酸（PLA）而言，酶會(huì)將其分解為乳酸分子，而在堆肥過程中，土壤微生物恰恰就以乳酸為食，因而達(dá)到真正將塑料降解成天然肥料的目的。

但此次研究的創(chuàng)新點(diǎn)不僅僅在于食聚酯酶的使用，還在于一種被稱為 RHP（random heteropolymers）的聚合分子。為了讓降解過程更加可控，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的想法：將能夠“吃掉”塑料聚合物的納米級(jí)酶嵌入某種材料中，從而隔離并保護(hù)這些酶，直到合適的條件下再讓包裹物溶解，從而將酶釋放出來。

實(shí)際上，早在2018年，她就展示了該設(shè)想在實(shí)踐中的作用流程。首先，她令 RHP 分子圍繞著酶并輕輕地將其“組織”在一起，RHP 由四種類型的單體亞基組成，每種亞基的化學(xué)性質(zhì)均旨在與特定酶表面的化學(xué)基團(tuán)相互作用。這種包裹物只需要作用于紫外線之下就會(huì)降解，并且其濃度遠(yuǎn)低于塑料重量的 1％，絕不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

（來源：Science）

而后在本次研究中，徐婷和她的團(tuán)隊(duì)使用了類似的技術(shù)：將酶包裹在 RHP 中，并將數(shù)十億個(gè)此類納米顆粒嵌入塑料樹脂珠中。“如果僅將酶放置在塑料表面，它降解塑料化合物的速度就會(huì)非常緩慢。如果讓它們在納米范圍內(nèi)分布，那么從本質(zhì)上講，每個(gè)酶分子都只需要吞噬與其相鄰的聚合物，那么整個(gè)材料就會(huì)迅速分解掉。”

圖 | (a) 在塑料表面直接嵌入酶會(huì)形成斷鏈，降解速度緩慢；（b）以 RHP 包裹酶，酶在納米范圍內(nèi)被限制在與聚合物鏈端的位置，降解效果顯著提升。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由 RHP 和酶結(jié)合而成的納米顆粒仍具有塑料特性，并可以在 170℃（338 華氏度）的溫度下熔融并擠壓成類似于普通聚酯塑料的化合物。

那么如何將酶釋放出來，打開降解的“開關(guān)”呢？其實(shí)很簡單！要觸發(fā)降解機(jī)制，只需使其遇熱遇水即可。

實(shí)驗(yàn)表明，在室溫條件下，約一周時(shí)間內(nèi)，80％的 PLA 纖維完全降解。較高溫度下降解速度則更快，在 50℃（122 華氏度）的工業(yè)堆肥條件下，PLA 在 60 天內(nèi)即可降解完成。另一種聚酯塑料 PCL（聚己內(nèi)酯）則在 40℃（104 華氏度）的工業(yè)堆肥條件下，在兩天內(nèi)完全降解。

圖｜嵌入脂肪酶的 PCL 塑料段，在 40℃條件下浸泡于水中，24 小時(shí)后可以明顯看出降解情況，36 小時(shí)內(nèi)降解為小分子，瓶中已看不出塑料蹤跡，接近完全轉(zhuǎn)化。（來源：論文）

也就是說，科學(xué)家們完全可以利用這種技術(shù)，制造出降解過程可控、真正可堆肥的塑料。不僅如此，實(shí)驗(yàn)中嵌入 PLA 的酶為蛋白酶 K，嵌入 PCL 的酶則為脂肪酶，這兩種酶都非常廉價(jià)且容易獲得。

圖 | 含酶 PCL（左）和 PLA（右）在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)堆肥中容易分解（來源：論文）

one more thing

在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)還注意到了可能出現(xiàn)的問題：如果不小心讓這種可堆肥塑料遇水遇熱觸發(fā)了降解機(jī)制，是不是反而會(huì)對(duì)人們的生活造成不便？

其實(shí)不用擔(dān)心。據(jù)研究人員所說，嵌入酶的聚酯塑料在較低溫度或短暫潮濕時(shí)并不會(huì)降解。例如，只要溫度不是很高，用這種工藝制成的聚酯纖維襯衫能夠經(jīng)受汗水浸濕和水洗，哪怕室溫條件下在水中浸泡三個(gè)月，都不會(huì)導(dǎo)致衣物降解。

該技術(shù)的另一個(gè)好處在于，有時(shí)人們希望在家中堆肥而不弄臟手，這一點(diǎn)在使用這種可堆肥塑料之時(shí)完全不用擔(dān)心。“只需要將自來水加熱到合適的溫度，然后把廢棄不用的塑料放進(jìn)去，幾天后你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它消失了。”

目前，徐婷的研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)可以降解其他類型聚酯塑料的 RHP 包裹型酶，同時(shí)也正在對(duì) RHP 進(jìn)行改性，以便可以將這種降解工藝，人為設(shè)定成可以在特定點(diǎn)停止，而不完全破壞材料。

要知道，程序性降解可能是回收許多物體的關(guān)鍵。想像一下，使用生物可降解的膠水組裝計(jì)算機(jī)電路或者整個(gè)電話或電子設(shè)備，然后，當(dāng)人們用完它們后，只需要像打開“開關(guān)”一樣將膠水溶解，設(shè)備零件就能毫發(fā)無損的散開，于是所有部件都可以重復(fù)使用。如果該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，可以說是意義非凡的。