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我国科学家发明一种可降解的“活”塑料

科普中国2024-08-29 08:42

塑料的发明极大地便利了我们的日常生活。但是,大规模塑料垃圾的产生以及不当的塑料处理方式,使塑料垃圾(也就是白色污染)成为当下最严峻的环境问题之一。

塑料垃圾问题之所以难以解决,主要是石油基塑料在自然界中需要上百年才能降解,这给土壤和环境造成了污染。要想从源头解决“白色污染”,应该用可降解塑料,如用聚乳酸(PLA)代替石油基塑料。

为了加快可降解塑料的降解速度,我国科学家发明了一种“活”塑料,通过对微生物进行基因编辑,使其产生具备耐受极端环境能力的芽孢,在特定条件下分泌塑料降解酶,并通过塑料加工方法将芽孢包埋在塑料基质中。

在日常环境中,芽孢保持休眠状态,塑料保持稳定的使用性能,只有在特定条件下(如表面侵蚀、堆肥),塑料中的芽孢才会被激活并启动降解程序,完成塑料的完全降解。

有一类生物来源的高分子聚合物,自然界中存在能够快速降解它们的微生物和酶,可以在不到一年的时间内自然降解这些聚合物,它们被称为“可降解塑料”,如聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(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,已经成为国内外的发展趋势,例如超市有偿提供的可降解塑料袋、餐饮行业的可降解塑料吸管,以及医院做手术用的可降解手术缝线(不需要拆线)等。

要想提高可降解塑料的降解速度,就要增加降解酶的数量。将降解酶放到塑料中,在塑料被废弃的时候自动释放出降解酶,提高降解速度。不过,如何把降解酶保存到塑料中,并保证平时使用时不降解,废弃时才启动降解呢?科研工作者们想到了细菌的一个特殊结构——芽孢。

自然界通过亿万年的演化,使诸多微生物进化出了抵抗恶劣环境条件的能力。当不再适合生物生存和繁殖的极端环境到来时,细菌就会转变成芽孢的形式,这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。芽孢可以忍受极端的干燥、温度和压力,而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。

因此,中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君团队提出,通过合成生物学方法改造枯草芽孢杆菌,将可控分泌塑料降解酶(洋葱霍尔德菌脂肪酶,Lipase BC)的基因线路导入枯草芽孢杆菌,并在二价锰离子的环境中,迫使枯草芽孢杆菌“休眠”,形成芽孢形态。

产生的芽孢同样带有编辑的基因线路,并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。研究团队通过将基因工程改造的芽孢溶液与聚碳酸酯(PCL)塑料母粒直接混合,通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有芽孢的塑料。

在物理性能方面的各项测试中,“活”塑料与普通塑料(PCL)在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。在不需要任何其他外源制剂的加入下,土壤环境中,“活”塑料能够在25天-30天内被完全降解,而传统可降解塑料(PCL)则需要55天左右才能被降解至肉眼不可见。

为了验证系统的普适性,研究人员继续尝试了其他的塑料体系,将芽孢与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸(PHA)以及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚合材料进行混合加工,制备了相应的“活”塑料。

研究人员还将“活”塑料置于常见的碳酸饮料环境中浸泡2个月,在没有外界作用的情况下,“活”塑料能够保持稳定的外形,说明活体塑料能够像传统塑料一样正常使用,只有在它们被破坏或被废弃时,才会启动降解程序。这项研究为新型可生物降解塑料的开发提供了新的视角和方法,有望助力解决当下的塑料污染困境。

结语

“活”塑料的发明为解决塑料垃圾(白色污染)这一全球性难题提供了新的思路和解决方案。通过生物工程技术,科学家们成功地将微生物的自然进化优势与现代材料科学相结合,创造出一种能够在特定条件下自主降解的塑料。这一创新成果不仅在理论上展示了可持续发展的可能性,也在实践中为减少塑料垃圾的环境影响带来了切实的希望。

然而,“活”塑料的推广和应用仍需克服诸多挑战,包括生产成本、技术成熟度以及大规模应用的社会接受度等问题。只有在科技进步与政策引导的双重推动下,这一新型材料才能真正走向市场,成为应对“白色污染”的利器。

未来,我们期待更多这方面的科技创新,从源头上减少塑料污染,实现人与自然和谐共生。让我们共同努力,为保护地球环境贡献力量。

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