作者林赛·布朗内尔，汉斯格威思生物启发工程研究所 绝大多数塑料是由化石燃料制成的，不会生物降解
塑料污染正在我们的海洋和水道中堆积，“微塑料”正在进入土壤、动物甚至我们自己的身体
信用:shutterstock/Rich Carey 如果你从屏幕上抬起头，环顾四周，几乎可以肯定手臂够得着合成塑料制成的东西(甚至可能是你穿的衣服)
人类制造塑料只有大约100年，但自20世纪50年代以来，我们已经生产了大约83亿吨塑料——这大约相当于25000座帝国大厦的重量
而且，因为绝大多数塑料不能生物降解，几乎那个世纪所有的塑料都留在地球的某个地方，从鱼和海鸟的内脏到水中毒的垃圾填埋场，再到大太平洋垃圾带
即使我们看不见它们，微塑料现在已经渗透到我们呼吸的空气中，并最终进入我们的肺部，它们对健康的影响还不为人所知
塑料已经变得无处不在，因为它们比天然材料有许多优势:它们可以非常坚固但重量轻，它们可以是柔性的或刚性的(或两者兼有)，它们是防水的，它们制造和运输成本低
使塑料如此坚固和通用的秘密成分是碳氢化合物聚合物——由碳和氢原子串成的长链，它们的排列赋予了它们这些有价值的特性
碳氢化合物中添加的其他元素——如氧、氮和硫——创造了不同类型的塑料，最适合不同的任务，从用于制造塑料包装的精密低密度聚乙烯(LDPE)到难以置信的耐用聚碳酸酯，其强度是玻璃的200倍
从万能药到问题 第一批塑料是在20世纪初由实业家发明的，他们用煤提炼过程中产生的副产品进行实验，煤是一种富含碳氢化合物的化石燃料
当美国在1941年进入第二次世界大战时，随着自然资源迅速变得稀缺，对塑料的需求激增
塑料被用于制造关键的战时物资，如降落伞、绳索、挡风玻璃和轮胎，大量用于军队装备
对塑料的需求如此之大，以至于美国政府提供补贴，鼓励企业建造基于更便宜、更容易获得的石油(另一种碳基化石燃料)而不是煤炭的制造工厂
战争结束后，塑料生产商将注意力转移到国内领域，吹捧塑料替代品比现有产品更卫生、更便宜、更现代
塑料开始取代许多物品中的传统材料，如汽水瓶、衣服和包装，并创造出全新的产品，如福米加台面、特百惠和聚苯乙烯泡沫塑料
似乎生活的几乎每个方面都注定要被塑化
然而，到了20世纪60年代，世界对塑料的开放拥抱开始引起人们的警觉
人们开始注意到塑料碎片被冲到海滩上，越来越多的证据表明，从塑料制品中滤出的化学添加剂对人类和环境都有害
怀斯研究所科学家香农·南格尔博士
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玛丽卡·齐萨克博士
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学分:哈佛大学威斯学院 尽管有这些担忧，更可持续的塑料替代品还没有成功取代它
石化公司每年仍获得数百亿美元的政府补贴，以保持石油基塑料的廉价，而源自生物材料的更环保的“生物塑料”目前只占塑料市场总量的不到1%
大多数生物塑料是通过发酵植物中的淀粉、糖和纤维素来生产乙醇或乳酸，然后将其精制成用于制造塑料的化学构件
然而，扩大这一过程以满足世界当前的需求将需要如此多的土地来种植所需的植物，以至于我们会破坏整个栖息地并威胁到我们自己的食物供应
幸运的是，怀斯研究所的科学家香农·南格博士
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玛丽卡·齐萨克博士
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正在通过开发一种廉价的可生物降解的塑料来解决这个问题，这种塑料根本不需要使用植物，而且碳足迹可以忽略不计:微生物
遇见微生物 虽然我们大多数人认为细菌是“好的”(生活在我们肠道中的)或“坏的”(会导致感染的)细菌，但Nangle和Ziesack认为它们是小型工厂，可以被改造成比从石油或植物中提炼塑料更容易、更可持续地生产塑料的聚合物构件
“像所有生物一样，细菌需要摄取食物，从中提取能量和营养，排泄废物才能生存
细菌很容易生长和控制，所以科学家们长期以来一直在研究它们的内部工作方式，我们现在可以从基因和代谢上操纵它们，以改变它们的饮食和生产，”齐萨克说
喀尔刻系统中的工程微生物吸收化石燃料燃烧产生的二氧化碳和氢气，并利用它们生产一类可生物降解的脂肪酸聚合物
这些聚合物经过纯化后，可用于制造各种可生物降解的产品，比植物糖基生物塑料的环境足迹小得多
学分:哈佛大学威斯学院 自2017年以来，她和南格勒一直在试验基于微生物的塑料，当时他们受到了仿生叶子项目的启发，该项目是他们的顾问、威斯核心学院成员帕梅拉·西尔弗博士设计的
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，共同创建
他们研究了一种叫做铜细菌的特殊微生物，这种微生物吸收氢气和二氧化碳气体，并利用一种叫做气体发酵的过程将它们转化为必需的分子
微生物产生的化合物之一是一种叫做聚羟基丁酸酯的聚合物，这是一种聚酯，它用作能量储存的形式
聚羟基丁酸酯本身并不是一种很好的塑料聚合物——它非常脆，很难制造物品——但是齐萨克和南格勒已经找到了一种方法来调整微生物的新陈代谢，使其产生一种类似的聚酯，称为聚羟基丁酸酯，这种聚酯更灵活，已经作为一种可生物降解的塑料替代品进行了研究
“可生物降解的PHAs并不是一个新的想法，但是到目前为止，还没有人能够制造出足够便宜的PHAs来与基于石油的聚酯竞争
我们的微生物可以大幅降低生产这些聚合物的价格，因为我们给它们提供的是气体，而不是昂贵的前体化合物，而且我们避免了工业农业的所有经济和环境成本，这些成本已经包含在植物基生物塑料的价格中，”南格尔说
尽管像聚羟基乙酸这样的聚酯只是如今用于不同种类塑料的众多聚合物中的一种，但Nangle和Ziesack认为，通过正确的工程设计，他们的系统可以生产出具有不同性质的聚酯，模仿其他类型的聚合物
“PHAs的美妙之处在于它们可以被广泛修饰，所以如果我们能够扩大我们的微生物能够产生的化合物的范围，我们就可以创造出具有与其他石化产品相当的特性的材料，即使它们的化学结构不同，”齐萨克说
到现实世界，甚至更远 在实验室的成功和他们的项目有助于解决全球“塑料问题”的潜力的鼓舞下，齐萨克和南格勒为他们的项目提交了一份研究所项目申请，现名为喀尔刻，并一直与工业、投资和商业发展伙伴合作，从技术和商业上进一步推进他们的技术，以最大限度地获得近期的商业成功
虽然让他们的系统在实验室工作是一个重大的科学挑战，但把它带出实验室并进入生产设施是一组完全不同的障碍，他们一次只能跨越一步
喀尔刻工艺使用工程微生物来生产粉末状的聚合物PHA(中心)，它可以被加工成各种塑料产品
学分:哈佛大学威斯学院 “我们想为一个从始至终都是完全可持续的系统制定一个商业计划，在这个计划中，我们对产品生命周期的每个阶段都进行了思考和规划，这样当消费者使用完它时，它就会(通过生物降解)自我保护，”Nangle说
“让投资者相信一个学术实验室规模的实验在商业上是可行的是很棘手的，而作为一个研究所项目获得支持对于让我们证明这个系统能够在现实世界中工作并产生真正的影响至关重要
" 喀尔刻的创造者甚至计划如何在“现实世界”之外，在既没有化石燃料也没有植物的地方，比如外太空，使用他们的微生物
有一天，这些微生物可以被运送到其他星球的人类聚居地，在那里它们可以被用来制造从建筑材料到食物的一切东西，并支持我们人类对其他世界的探索
“我们真的还不知道这项技术的极限是什么，因为用微生物大规模制造塑料直到最近才被开发和实施
但我们致力于将这个项目进行到底，如果有一天这意味着火星——那将是惊人的，”齐萨克说
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