新突破！我國科學家發明一種可降解的“活”塑料

今天小編分享的科學經驗：新突破！我國科學家發明一種可降解的“活”塑料，歡迎閲讀。

塑料的發明極大地便利了我們的日常生活。但是，大規模塑料垃圾的產生以及不當的塑料處理方式，使塑料垃圾（也就是白色污染）成為當下最嚴峻的環境問題之一。

塑料垃圾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，這給土壤和環境造成了污染。要想從源頭解決 " 白色污染 "，應該用可降解塑料，如用聚乳酸（PLA）代替石油基塑料。

為了加快可降解塑料的降解速度，我國科學家發明了一種 " 活 " 塑料，通過對微生物進行基因編輯，使其產生具備耐受極端環境能力的芽孢，在特定條件下分泌塑料降解酶，并通過塑料加工方法将芽孢包埋在塑料基質中。

在日常環境中，芽孢保持休眠狀态，塑料保持穩定的使用性能，只有在特定條件下（如表面侵蝕、堆肥），塑料中的芽孢才會被激活并啓動降解程式，完成塑料的完全降解。

通過改造芽孢編程可以降解 " 活 " 塑料。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]

不可降解塑料

塑料是一種人工合成的高分子材料，它的歷史可追溯到 19 世紀末。到了 20 世紀中期，随着石油化工工業的發展，塑料的生產成本大幅降低，塑料的應用範圍也進一步擴大，成為現代社會不可或缺的一部分。然而，塑料的廣泛應用也帶來了很多環境問題，随處可見的 " 白色污染 " 已經嚴重威脅到地球和人類的生存與發展。

石油基塑料需長達幾百年才能降解，相較人類的時間跨度來説，基本可以定義為 " 不可降解塑料 "。

為什麼塑料降解如此艱難？因為塑料是最近一百多年才出現的高分子聚合物。一百年的時間對人類來説可能夠長，但對大自然而言就是彈指一瞬，在這麼短的時間内，還不足夠進化出能快速降解這些塑料的微生物。

據統計，傳統的石油基塑料，例如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解時間都在百年以上。

各種塑料降解需要的時間。圖片來源：參考文獻 [ 2 ]

可降解塑料

随着塑料垃圾問題日益嚴重，人類也意識到解決 " 白色污染 " 的緊迫性，開始尋找石油基塑料的代替品。我國出台了從 " 限塑令 " 到 " 禁塑令 " 的許多政策，限制使用不可降解塑料，在這樣的背景下，可降解塑料受到越來越多的關注。

有一類生物來源的高分子聚合物，自然界中存在能夠快速降解它們的微生物和酶，可以在不到一年的時間内自然降解這些聚合物，它們被稱為 " 可降解塑料 "，如聚乳酸（PLA）、聚己二酸 / 對苯二甲酸丁二醇酯（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，已經成為國内外的發展趨勢，例如超市有償提供的可降解塑料袋、餐飲行業的可降解塑料吸管，以及醫院做手術用的可降解手術縫線（不需要拆線）等。

可降解塑料袋。圖片來源：圖蟲創意

芽孢：提高降解速度

要想提高可降解塑料的降解速度，就要增加降解酶的數量。将降解酶放到塑料中，在塑料被廢棄的時候自動釋放出降解酶，提高降解速度。不過，如何把降解酶保存到塑料中，并保證平時使用時不降解，廢棄時才啓動降解呢？科研工作者們想到了細菌的一個特殊結構——芽孢。

自然界通過億萬年的演化，使諸多微生物進化出了抵抗惡劣環境條件的能力。當不再适合生物生存和繁殖的極端環境到來時，細菌就會轉變成芽孢的形式，這種轉變可以讓細菌獲得超強的抵御能力。芽孢可以忍受極端的幹燥、温度和壓力，而這些極端環境恰好存在于塑料加工的環境中。

因此，中國科學院深圳先進技術研究院戴卓君團隊提出，通過合成生物學方法改造枯草芽孢杆菌，将可控分泌塑料降解酶（洋葱霍爾德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因線路導入枯草芽孢杆菌，并在二價錳離子的環境中，迫使枯草芽孢杆菌 " 休眠 "，形成芽孢形态。

產生的芽孢同樣帶有編輯的基因線路，并且相比于細菌還具備了針對高温、高壓、有機溶劑和幹燥的耐受性。研究團隊通過将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，通過高温熔融擠出或者有機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測試中，" 活 " 塑料與普通塑料（PCL）在屈服強度、應力極限、最大形變量和熔點等參數上均沒有顯著區别。在不需要任何其他外源制劑的加入下，土壤環境中，" 活 " 塑料能夠在 25 天 -30 天内被完全降解，而傳統可降解塑料（PCL）則需要 55 天左右才能被降解至肉眼不可見。

為了驗證系統的普适性，研究人員繼續嘗試了其他的塑料體系，将芽孢與聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸 / 對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸（PHA）以及聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等聚合材料進行混合加工，制備了相應的 " 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 [ 1 ]

研究人員還将 " 活 " 塑料置于常見的碳酸飲料環境中浸泡 2 個月，在沒有外界作用的情況下，" 活 " 塑料能夠保持穩定的外形，説明活體塑料能夠像傳統塑料一樣正常使用，只有在它們被破壞或被廢棄時，才會啓動降解程式。這項研究為新型可生物降解塑料的開發提供了新的視角和方法，有望助力解決當下的塑料污染困境。

結語

" 活 " 塑料的發明為解決塑料垃圾（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，科學家們成功地将微生物的自然進化優勢與現代材料科學相結合，創造出一種能夠在特定條件下自主降解的塑料。這一創新成果不僅在理論上展示了可持續發展的可能性，也在實踐中為減少塑料垃圾的環境影響帶來了切實的希望。

然而，" 活 " 塑料的推廣和應用仍需克服諸多挑戰，包括生產成本、技術成熟度以及大規模應用的社會接受度等問題。只有在科技進步與政策引導的雙重推動下，這一新型材料才能真正走向市場，成為應對 " 白色污染 " 的利器。

未來，我們期待更多這方面的科技創新，從源頭上減少塑料污染，實現人與自然和諧共生。讓我們共同努力，為保護地球環境貢獻力量。

參考文獻

[ 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.

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