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《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料

时间:2021-09-22 发布:洛克泰克仪器 来源:洛克泰克仪器

摘要: 每年的4月22日是“世界地球日”。在这个呼吁保护环境的特殊日子里,《自然》杂志在线发表一篇应景的重磅文章。由加州大学伯克利分校Ting Xu教授领衔的一支科研团队开发出了一种全新的可降解塑料,不用特殊条件,就能在几天内完全降解。一类新型塑料可在40摄
每年的4月22日是“世界地球日”。在这个呼吁保护环境的特殊日子里,《自然》杂志在线发表一篇应景的重磅文章。由加州大学伯克利分校Ting Xu教授领衔的一支科研团队开发出了一种全新的可降解塑料,不用特殊条件,就能在几天内完全降解。




《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料(图1)

一类新型塑料可在40摄氏度的环境下,于36小时后降解为小分子(图片来源:参考资料[2];Photos by Christopher DelRe;Courtesy University of California, Berkeley)



塑料制品以耐用著称,而这也为环保带来了挑战——在丢弃之后,塑料往往不会被降解,只能被填埋。虽然有一些塑料号称可被“生物降解”,但它们的降解过程并不彻底,最终难逃和普通塑料一样的填埋命运。更糟糕的是,不彻底降解所产生的塑料微颗粒,不仅会威胁到海洋生物的生存,更会通过食物链,慢慢出现在人体之中,给健康带来隐患。

为了制造出真正可降解,不留隐患的塑料,研究团队决定使用能降解塑料的酶。“在野外,大自然会使用酶来降解事物。就算我们死亡后,体内的酶也会自然地降解我们的身体。在这项研究中,我们问自己,酶能不能降解塑料,让它成为自然的一部分?”Ting Xu教授说道。


《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料(图2)



本研究的通讯作者Ting Xu教授(图片来源:Ting Xu教授实验室官方网站)



而为了能够快速降解塑料,研究人员们还有着一个大胆的设想——如果酶只能接触到塑料的表面,那就只能一层一层降解塑料,速度非常慢。他们想要做的,是让酶在塑料中“无处不在”。只要每个酶能降解周围一小部分的塑料,充斥于塑料各处的酶,就能很快将整块材料降解殆尽。

想起来容易做起来难。最耐久的塑料,有着近乎晶体般的分子结构,连水分子都无法渗透,何况是酶呢?为了解决这个问题,研究人员们决定直接将能降解塑料的酶作为原料,添加到塑料生产的过程中。这也是Ting Xu教授的课题组多年来一直致力的研究方向。


《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料(图3)



本研究的设计思路(图片来源:参考资料[2];Graphic by Christopher DelRe;Courtesy University of California, Berkeley)



可是酶并不是非常稳定的分子。在细胞之外,酶很容易降解或失去功能。研究人员们开发了一种叫做随机杂聚物(random heteropolymers)的分子,能像包装纸一样,轻柔地将酶包裹在其中。利用类似的技术,本研究中,科学家们将数十亿个被包裹起来的酶,与塑料树脂珠进行混合,用于后续的塑料生产。从过程上看,这有点像在塑料生产过程中加入色素,并不改变塑料本身的特性。

但在混入了这些能降解塑料的酶,并确保它们具有功能性之后,奇迹就发生了。只要加上水和热量,这些酶就会发挥功效,降解塑料。研究指出,在室温环境下,只要约一周的时间,80%的聚乳酸塑料可以被完全降解,变成乳酸。而后者可以直接被土壤中的微生物所摄取。在工业处理的环境下,聚乳酸塑料的降解速度约为6天(50摄氏度),另一种聚己内酯塑料则只需要2天(40摄氏度)。值得一提的是,包裹这些酶的随机杂聚物,也能在紫外线下被降解,不留下污染。


《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料(图4)



此类塑料在很短的时间内就能被降解(图片来源:参考资料[2];UC Berkeley photo by Ting Xu;Courtesy University of California, Berkeley)



研究人员们指出,利用这一技术所生产出的新型塑料,98%可降解成小分子,且不会产生微塑料等对环境有害的物质。
《自然》重磅献礼!科学家造出了能在几天里完全降解的塑料(图5)





▲在土壤中,这类塑料能降解成小分子,为环境所吸收(图片来源:参考资料[2];UC Berkeley photo by Adam Lau/Berkeley Engineering;Courtesy University of California, Berkeley)



Ting Xu教授说,其团队开发的技术有望让我们重新思考人与地球的关系。现在,我们向地球索取资源的速度,远远超过将资源返回给地球的速度,这样的发展势必是不可持续的。保护这颗蔚蓝的星球,就是保护我们人类唯一的家园。


参考资料:

[1] DelRe, C., Jiang, Y., Kang, P. et al. Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes. Nature 592, 558–563 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3

[2] New process makes ‘biodegradable’ plastics truly compostable, Retrieved April 21, 2021, from https://news.berkeley.edu/2021/04/21/new-process-makes-biodegradable-plastics-truly-compostable/

[3] To design truly compostable plastic, scientists take cues from nature, Retrieved April 21, 2021, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/dbnl-tdt042021.php

[4] New process breaks down biodegradable plastics faster, Retrieved April 21, 2021, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uarl-npb042121.php

[5] A new technique could make some plastic trash compostable at home, Retrieved April 21, 2021, from https://www.sciencenews.org/article/plastic-compost-new-enzyme-technique-biodegradable



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