新突破！我国科学家发明一种可降解的“活”塑料

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。

通过改造芽孢编程可以降解“活”塑料。图片来源：参考文献[1]

不可降解塑料

塑料是一种人工合成的高分子材料，它的历史可追溯到19世纪末。到了20世纪中期，随着石油化工工业的发展，塑料的生产成本大幅降低，塑料的应用范围也进一步扩大，成为现代社会不可或缺的一部分。然而，塑料的广泛应用也带来了很多环境问题，随处可见的“白色污染”已经严重威胁到地球和人类的生存与发展。

石油基塑料需长达几百年才能降解，相较人类的时间跨度来说，基本可以定义为“不可降解塑料”。

为什么塑料降解如此艰难？因为塑料是最近一百多年才出现的高分子聚合物。一百年的时间对人类来说可能够长，但对大自然而言就是弹指一瞬，在这么短的时间内，还不足够进化出能快速降解这些塑料的微生物。

据统计，传统的石油基塑料，例如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解时间都在百年以上。

各种塑料降解需要的时间。图片来源：参考文献[2]

可降解塑料

随着塑料垃圾问题日益严重，人类也意识到解决“白色污染”的紧迫性，开始寻找石油基塑料的代替品。我国出台了从“限塑令”到“禁塑令”的许多政策，限制使用不可降解塑料，在这样的背景下，可降解塑料受到越来越多的关注。

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。

可降解塑料袋。图片来源：图虫创意

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。

“活”塑料在土壤中的降解过程 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。图片来源：参考文献[1]

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。

参考文献

[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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出品丨科普中国

作者丨Denovo团队

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林