加州大学伯克利分校 一种改性塑料(左)在标准堆肥中三天后分解(右)，两周后完全分解
学分:加州大学伯克利分校克里斯托弗·德尔雷 生物降解塑料被宣传为解决困扰世界的塑料污染问题的一种解决方案，但今天的“可堆肥”塑料袋、器具和杯盖在典型的堆肥过程中不会分解，并污染其他可回收塑料，给回收者带来麻烦
大多数可堆肥的塑料，主要由被称为聚乳酸的聚酯制成，最终被填埋，寿命与塑料一样长
加州大学伯克利分校的科学家们现在发明了一种方法，只需加热和水，就能在几周内使这些可堆肥的塑料更容易分解，解决了一个困扰塑料工业和环保主义者的问题
加州大学伯克利分校的材料科学与工程和化学教授徐婷说:“人们现在准备转向一次性塑料用的可生物降解聚合物，但如果事实证明它产生的问题多于其价值，那么政策可能会倒退。”
“我们基本上是在说我们在正确的轨道上
我们可以解决一次性塑料不可生物降解的持续问题
" 徐是一篇描述这一过程的论文的资深作者，这篇论文将发表在4月21日出版的《自然》杂志上
这项新技术在理论上应该适用于其他类型的聚酯塑料，或许可以制造出可堆肥的塑料容器，这些容器目前是由聚乙烯制成的，这是一种不会降解的聚烯烃
徐认为，聚烯烃塑料最好转化为高价值的产品，而不是堆肥，并正在研究如何改造回收聚烯烃塑料的再利用
新的工艺包括在塑料制造过程中嵌入聚酯酶
这些酶被一个简单的聚合物包裹层保护着，防止酶分解变得无用
当暴露在热和水中时，这种酶摆脱了它的聚合物外壳，开始把塑料聚合物咀嚼成它的建筑材料——就聚乳酸而言，把它还原成乳酸，它可以为堆肥中的土壤微生物提供养分
聚合物包装也会降解
这一过程消除了微塑料，微塑料是许多化学降解过程的副产品，本身也是一种污染物
使用徐的技术制造的塑料中，高达98%会降解成小分子
该研究的合著者之一，前加州大学伯克利分校博士生亚伦·霍尔，已经将一家公司剥离出来，进一步开发这些可生物降解的塑料
熔融挤出的聚己内酯塑料细丝(左)嵌入了酶脂肪酶的纳米团簇，包裹着RHP，在温水(104℉)中36小时内几乎完全降解成小分子
学分:加州大学伯克利分校克里斯托弗·德尔雷 让塑料自毁 塑料在正常使用过程中不会分解，但这也意味着它们在被丢弃后不会分解
最耐用的塑料具有近乎晶体般的分子结构，聚合物纤维排列得如此紧密，以至于水无法渗透它们，更不用说可能会咀嚼聚合物(有机分子)的微生物了
徐的想法是将纳米级的聚合物食用酶直接嵌入塑料或其他材料中，以一种隔离和保护它们的方式，直到合适的条件释放它们
2018年，她展示了这在实践中是如何运作的
她和她的加州大学伯克利分校团队在纤维垫中嵌入了一种酶，这种酶可以降解有毒的有机磷酸酯化学物质，比如杀虫剂和化学战剂中的化学物质
当垫子浸在化学物质中时，嵌入的酶分解了有机磷酸酯
她的关键创新是一种防止酶分解的方法，这种分解通常是蛋白质在正常环境之外进行的，比如活细胞
她设计了一种分子，她称之为随机异聚体，或者称之为RHPs，这种分子包裹在酶的周围，轻轻地将酶固定在一起，而不限制其天然的柔韧性
重组蛋白由四种类型的单体亚基组成，每种亚基都具有化学性质，可以与特定酶表面的化学基团相互作用
它们在紫外线下会降解，浓度不到塑料重量的1%，低到不会有问题
在《自然》杂志(Nature)论文中报道的研究中，徐和她的团队使用了类似的技术，将酶包裹在重组蛋白中，并将数十亿个纳米颗粒嵌入塑料树脂珠中，这是所有塑料制造的起点
她将这一过程比作在塑料中嵌入颜料给它们上色
研究人员表明，RHP覆盖的酶没有改变塑料的特性，塑料可以在大约170摄氏度或338华氏度的温度下熔化并挤压成像普通聚酯塑料一样的纤维
要引发降解，只需加水和少量的热量
在室温下，80%的改性聚乳酸纤维在一周内完全降解
温度越高，降解越快
在工业堆肥条件下，改性聚乳酸在50摄氏度(122华氏度)下6天内降解
另一种聚酯塑料，聚己内酯，在40摄氏度(104华氏度)的工业堆肥条件下，在两天内降解
对于聚乳酸，她嵌入了一种叫做蛋白酶K的酶，将聚乳酸咀嚼成乳酸分子；对于PCL，她使用脂肪酶
两者都是廉价且容易获得的酶
“如果酶只存在于塑料的表面，它只会慢慢腐蚀，”徐说
“你想让它以纳米尺度分布在任何地方，这样，基本上，它们中的每一个只需要吃掉它们的聚合物邻居，然后整个材料就会分解
" 快速降解在城市堆肥中效果很好，通常需要60到90天才能将食物和植物废物转化为可用的堆肥
高温下的工业堆肥需要更少的时间，但是改性聚酯在这些温度下也更快分解
脂肪酶(绿色球)等酶可以从表面降解塑料聚合物(左上)，但它们会随机切断聚合物链，留下微塑料(右上)
加州大学伯克利分校的一个小组将酶嵌入整个塑料中(左下角)，由纳米簇(彩色球链)保护
包埋的酶固定在聚合物链的末端，在适当的热和湿度条件下，从末端降解聚合物分子
这种技术在使用过程中保持了塑料的完整性，但是当用户触发解聚时，塑料会一直变成可回收的小分子副产品
信用:克里斯托弗·德尔雷 徐怀疑，更高的温度会使被包裹的酶移动更多，让它更快地找到聚合物链的末端，咀嚼它，然后移动到下一个链
RHP包裹的酶也倾向于结合在聚合物链的末端，使酶靠近它们的目标
她说，这种改性聚酯在低温或短暂的潮湿时期不会降解
例如，用这种工艺制成的聚酯衬衫可以在中等温度下耐汗渍和洗涤
在室温下浸泡在水中三个月不会导致塑料降解
正如她和她的团队所证明的那样，浸泡在温水中确实会导致降解
“事实证明，堆肥是不够的——人们想在家里堆肥而不弄脏手，他们想在水中堆肥，”她说
“所以，这就是我们试图看到的
我们用的是热自来水
只要把它加热到合适的温度，然后把它放进去，几天后我们就会看到它消失了
" 徐正在开发包装的酶，可以降解其他类型的聚酯塑料，但她也在修改重组蛋白，使降解可以在特定的点停止，而不是完全破坏材料
如果塑料被重新熔化并变成新的塑料，这可能是有用的
该项目部分得到了美国国防部陆军研究办公室的支持
S
陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室
“这些结果为合理设计可在相对较短的时间内降解的聚合材料提供了基础，这将为与废物管理相关的陆军后勤提供显著优势，”斯蒂芬尼·麦克欣尼博士说
D
陆军研究办公室项目经理
“更广泛地说，这些结果为将活性生物分子结合到固态材料中的策略提供了见解，这可能对未来陆军的各种能力产生影响，包括传感、去污和自愈材料
" 徐说，程序退化可能是回收许多物体的关键
她说，想象一下，用可生物降解的胶水来组装电脑电路，甚至是整个手机或电子设备，然后，当你用完胶水时，溶解胶水，这样设备就会分解，所有的部件都可以重复使用
徐说:“千禧一代考虑到这一点，并开始一场将改变我们与地球接触方式的对话，这是件好事。”
“看看我们扔掉的所有浪费的东西:衣服、鞋子、手机和电脑等电子产品
我们从地球上拿东西的速度比我们归还它们的速度还快
不要回到地球去开采这些材料，而是开采你所拥有的任何东西，然后把它转换成别的东西
"
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