新的突破！中国科学家发明了一种可降解的“活”塑料

下面的文章来自中国科普。 ，作者Denovo团队

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塑料发明极大地方便了我们的日常生活。然而，大规模塑料垃圾的产生和塑料处理方法的不当使塑料垃圾(即白色污染)成为目前最严重的环境问题之一。

塑料垃圾问题之所以难以解决，主要是因为石油基塑料需要几百年才能在自然界降解，污染了土壤和环境。如果你想从源头上解决“白色污染”，你应该使用可降解塑料，比如使用聚乳酸。（PLA）替代石油基塑料。

为了加快可降解塑料的降解速度，中国科学家发明了一种“活”塑料。通过对微生物进行基因编辑，他们可以在特定条件下产生耐受极端环境能力的芽胞，分泌塑料降解酶，并通过塑料加工方法将芽胞埋在塑料基质中。

在日常环境中，胚芽保持休眠模式，塑料保持稳定的使用性能。只有在特定条件下(如表面腐蚀和肥料堆积)，才能激活和启动塑料中的胚芽降解程序，完成塑料的完全降解。

▲“活”塑料可以通过改造芽胞编程来降解。图片/参考文献[1]

不可降解塑料

塑料是一种人工合成的聚合物材料，其历史可以追溯到19世纪末。20世纪中期，随着石化行业的发展，塑料的生产成本大大降低，塑料的应用范围进一步扩大，成为当今社会不可或缺的一部分。然而，塑料的广泛应用也带来了许多环境问题，“白色污染”随处可见，严重威胁着地球和人类的生存和发展。

与人类的时间跨度相比，石油基塑料需要近几百年才能降解，基本上可以定义为“不可降解塑料”。

为什么塑料降解这么难？因为塑料是近100年才出现的聚合物。一百年对人类来说可能很长，但对自然来说只是一瞬间。在这么短的时间内，这些塑料微生物没有足够的进化来快速降解。

根据统计，聚丙烯等传统石油基塑料（PP）、聚乙烯塑料（HDPE）、聚乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）聚对苯二甲酸乙二醇酯酯（PET），降解时间超过100年。

▲各种塑料降解所需的时间。图片/参考文献[2]

可降解塑料

随着塑料垃圾问题的日益严重，人类也意识到了处理“白色污染”的紧迫性，开始寻找石油基塑料替代品。中国出台了许多从“塑料限制令”到“塑料禁止令”的政策，以限制不可降解塑料的使用。在这种背景下，可降解塑料越来越受到重视。

有一种来自生物源的聚合物。自然界中有微生物和酶可以快速降解，这些聚合物可以在不到一年的时间内自然降解。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）、丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚碳酸酯（PCL）等。

目前，用可降解塑料代替石油基塑料已经成为国内外的发展方向，如超市提供的可降解塑料袋、餐饮业的可降解塑料吸管、医院手术用的可降解手术缝线(无需拆线)等。

▲可降解塑料袋。图片/图虫创意

芽：提高降解率

为了提高可降解塑料的降解速率，有必要增加降解酶的总数。将降解酶放入塑料中，当塑料被丢弃时，降解酶会自动释放，从而提高降解速率。但是，如何将降解酶保存在塑料中，保证在丢弃时不降解？研究人员想到了细菌的特殊结构——芽胞。

通过数亿年的演变，大自然进化出许多微生物抵御恶劣环境要求的能力。当极端环境不再适合生物生存和繁殖时，细菌就会转化为芽胞，这可以使细菌具有很强的抵抗力。芽可以承受极端的干燥、温度和压力，而这些极端的环境恰好存在于塑料加工环境中。

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

产生的芽胞也含有编辑基因线，与细菌相比，它们还具有高温、高压、有机溶剂和干燥耐受性。研究小组通过芽胞溶液和聚碳酸酯改造基因工程。（PCL）通过高温熔融挤出或有机溶剂的方法，将塑料母粒直接混合，制备出一系列含芽胞的塑料。

在各种物理性能测试中，“活”塑料和普通塑料（PCL）在屈服强度、应力极限、最大变量和溶点等数据上没有显著差异。在土壤环境中，“活”塑料可以在25-30天内完全降解，而传统的可降解塑料可以在没有任何其他外源制剂的情况下完全降解。（PCL）被降解到人眼不可见大约需要55天。

为了验证系统的普遍性，研究人员继续尝试其他塑料系统，将芽胞和聚丁二酸丁二醇酯（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）等待聚合材料混合加工，制备相应的“活”塑料。

▲土壤中“活”塑料的降解过程 a.在土壤中30天后，“活”塑料可以完全降解；b.普通PCL塑料在土壤中完全降解55天。图片/参考文献[1]

研究人员还将“活”塑料浸泡在普通汽水环境中2个月。“活”塑料可以保持稳定的形状，而不会产生外部影响，这表明活物塑料可以像传统塑料一样正常使用。只有当它们被破坏或丢弃时，降解程序才会启动。这项研究为新型可生物降解塑料的研发提供了新的视角和方法，有望帮助处理当前的塑料污染困境。

结语

“活”塑料发明为解决塑料垃圾(白色污染)的全球性问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，创造了一种可以在特定条件下独立降解的塑料。这一创新性成果不仅在理论上表现出可持续发展的概率，而且在实践中给减少塑料垃圾的环境影响带来了切实可行的希望。

然而，“活”塑料的推广和应用仍然需要克服许多挑战，包括生产成本、技术成熟度和大规模应用的社会接受度。只有在科技创新和政策引导的多重推动下，这种新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，从根本上减少塑料污染，实现人与自然的和谐共生。让我们共同努力，为保护地球环境做出贡献。

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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