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中国学者攻克塑料降解难题

2021年04月25日 环保新发明 暂无评论 阅读 21 次浏览 次

“当我从父母的花园里拿到堆肥土壤时,常常堆满了尚未完全降解的塑料碎片。” 本身就是加州大学伯克利分校材料科学与工程系教授的徐婷,看到这一幕时更加意识到,研发出可完全降解塑料的技术,于人、于己都很迫切。

受酸奶启发中国学者攻克塑料降解难题!40℃水温两天内可完全降解

图 | 塑料污染(来源:Pixabay)

塑料可完全降解的概念,已经诞生多年,但却没有技术能真正做到。当前,虽然有一些可 “生物降解” 的塑料,但是 “可降解” 和 “可完全降解” 带来的结果完全不一样。

无法完全降解的塑料,会通过一定方式进入海洋生物体内,进而通过食物链进入人体体内。

就在 4 月 21 日,第 52 个世界地球日来临前一天,Nature 报道了徐婷的新技术:无需特殊条件,一天到几周内就能完全降解塑料!

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图 | 左侧的改性塑料,在标准堆肥中仅放置三天就会分解,而在两周后会完全分解(来源:受访者)

当天,徐婷担任通讯作者的论文在 Nature 发表,论文标题为《聚酯与纳米分散酶几乎完全解聚》“Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes”。

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图 | 相关论文(来源:受访者)

徐婷告诉 DeepTech,在思考如何造出真正可降解且没有后遗症的塑料这一问题时,她想到了酶。

让塑料 “自我毁灭”

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如下图所示,使用本次技术,在 40℃ 的环境下,这种塑料能在 36 小时后、也就是一天半之后降解为小分子。

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图 | 36 小时后降解(来源:受访者)

说起酶,你可能比较陌生,但应该听说过做酸奶用的酶。酶也是一种大分子生物催化剂,具备加速化学反应的能力。

这种能力有多强?以乳清苷 - 5'- 磷酸脱羧酶为例,在无催化剂条件下耗时数百万年才能完成的化学反应,有了它只需几毫秒就能完成。截止目前,人类已知的是,酶能催化 5000 多种生化反应。

徐婷也表示,人类死亡后,体内的酶会自动降解身体,大自然本身也用酶来降解野外生物。

那么,能否用酶来降解塑料,从而让塑料融入自然呢?

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图 | 徐婷(来源:受访者)

她和团队还做出一个大胆设想:假如酶只能触达到塑料表面,塑料只能被一层层地降解,速度十分堪忧。如果让酶充斥于塑料中呢?

这样一来,虽然每个酶只能降解它附近的小部分塑料,但无数个小部分降解累积在一起,整块塑料就能被完全降解。

设想很美好,摆在面前的困难也很骨感。耐久性塑料拥有水晶体般的分子结构,其中的聚合物纤维排列非常紧密,灵活如水分子都渗不进去,更别说酶了。

那怎么办呢?徐婷决定从根抓起,把酶介入到塑料诞生的初始阶段,让其作为生产塑料的原料。

2018 年,她曾展示过这项技术,当时她在纤维垫中嵌入一种酶,这种酶能降解有毒的有机磷酸酯化学物质,例如杀虫剂和化学战剂中的化学物质。当纤维垫浸入化学品中时,嵌入的酶可以分解有机磷酸酯。

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图 | 相关降解过程(来源:受访者)

但是问题接踵而至,酶的分子特征不算太稳定。一旦脱离细胞范围,它就会丧失功能、或者被降解掉。

为了保护酶免于崩解,徐婷开发出一种分子,名字叫随机杂聚物(Random Heteropolymers,下称 RHP),它就跟水果皮似的,能像包裹果肉一样,把酶包起来。

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图 | 脂肪酶的荧光显微镜图像(来源:受访者)

RHP 分子会围绕着酶,并将其轻轻地结合在一起,酶的自然柔韧性不会受到影响,塑料特性亦不会被改变。

此外,RHP 由四种类型的单体亚基组成,每种亚基的化学性质,都能和特定酶表面的化学基团相互作用。数十亿个酶被包起来后,和塑料树脂珠混合后,即可用于塑料生产。

如下图所示,图上的绿球是一种脂肪酶,左上角是脂肪酶正在从表面降解塑料聚合物,但是它会随机切割聚合物,并留下图中右上角的微塑料。

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图 | 相关设计思路(来源:受访者)

上面图片的左下方指的是,徐婷给整个塑料中嵌入了酶纳米簇,图中的彩球链正是前文提到的随机杂聚物,它可以保护酶纳米簇。

具体生产塑料时,只要保证酶的功能不变,当制备出来的塑料结束使用用途、并进行再回收时,只要遇水遇热,就能唤醒酶的降解能力。

其原理是,嵌入的酶会固定在聚合物链末端附近,在适当条件下遇水遇热,就能从链末端降解聚合物分子。另据悉,该技术在使用过程中,可保持塑料的完整性。

徐婷推测,较高的温度会使包裹的酶运动更多,从而让它快速找到聚合物链的末端、并对其进行咀嚼,然后继续前进至下一个链。

此外,RHP 包裹的酶还倾向于在聚合物链的末端附近结合,从而使酶保持在相关靶标附近。

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图 | PCL-RHP-BC - 脂肪酶的表征和降解(来源:受访者)

在不同温度下,降解速度也各不相同。徐婷指出,正常室温环境下,花费 7 天左右的时间,80% 的聚乳酸塑料就能被完全降解,降解后会变成乳酸。

这时,降解工作就能宣布大功告成,因为乳酸能被土壤中的微生物直接吸收。

另据悉,使用本次方法,在工业环境下处理同样重量的塑料,速度会更快。因为工业环境具备更好的温度调节条件,比如在 50℃ 的温度下,80% 的聚乳酸塑料可在 6 天左右完全降解;而在 40℃ 温度下,只需花费 2 天,就能降解聚己内酯塑料。

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图 | 塑料的分解(来源:受访者)

徐婷告诉 DeepTech,使用本次技术生产的塑料,98% 的部分会被降解成小分子,还可避免对环境产生有害物质如微塑料。据了解,微塑料是化学降解过程中常见污染副产物。

针对聚己内酯塑料的降解,她嵌入了一种称为蛋白酶 K 的酶,该酶能将聚乳酸塑料咀嚼成乳酸分子。而针对聚己内酯塑料的降解,她使用了脂肪酶。

以上两种酶,都是廉价且容易获得的酶。如下图所示,左图是把聚乳酸塑料放置在堆肥中的初时模样,右图是放置一周后的聚乳酸塑料,可以明显看出后者已经被吸收不少。

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图 | 塑料降解成为小分子并可被土壤吸收(来源:受访者)

如下图,本次论文的作者之一伊凡・贾亚普尔纳(Ivan Jayapurna),正在展示含有聚己内酯的样品膜,据了解聚己内酯具备较好的生物相容性、生物降解性、和无毒性。

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图 | 伊凡・贾亚普尔纳,正在展示含有聚己内酯的样品膜(来源:受访者)

概括来说,从生产阶段就给聚己内酯嵌入酶,生产出来的聚酯塑料、不仅具备在常规堆肥中可进行快速生物降解的能力,其机械性能也不亚于低密度聚乙烯塑料,因此有望成为不可生物降解塑料的高潜力替代品。

我们向地球索取的速度,比回报地球的速度还快

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对于本次研究的出发点,徐婷显然看得更深刻。

她说:“对千禧一代来说,考虑这一点并开始对话,将改变我们与地球互动的方式,这是一件好事,看看我们扔掉的东西:衣服、鞋子、手机和计算机等电子产品。我们从地球上拿东西的速度,比我们返回它们的速度还快。不要再回到地球开采这些材料,而要开采您拥有的任何东西,然后将其转换为其他东西。”

另据悉,本次论文的作者之一、前加州大学伯克利分校的博士生亚伦・霍尔(Aaron Hall),已成立一家公司,旨在使用本次成果,来进一步开发可生物降解的塑料。

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图 | 含有酶的聚乳酸塑料薄膜(来源:受访者)

此外,本次技术不仅能造出塑料购物袋,还能制造可生物降解的胶水,使用这种胶水去组装电脑和手机等电子设备,在设备寿命即将终结时,只需溶解胶水,各种零件就会散开,并可进行重复使用。

由于本次研发出的塑料,在低温下或短暂潮湿时不会降解。研究中,徐婷把部分塑料在室温下放置了三个月,期间没有发生任何降解,不过倒入微热的水之后,就会开始降解。但这也意味着,这种塑料可被制成衣服,因为很明显它不会受到晾晒或冷水洗涤的影响。

谈及未来,徐婷表示,她正在开发可降解其他类型的聚酯塑料的 RHP 包裹型酶。目前,她正在对 RHP 进行改性,以便让降解过程能在特定时间节点停止,且不让该材料遭受破坏,这有望让塑料重新熔化、并变成新的塑料,届时塑料有望进入可循环使用的 “永生” 阶段。

-End-

参考:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3

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