美国加利福尼亚大学伯克利分校徐婷教授Nature: 开发塑料降解新工艺，最快两天内完全分解

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来源：学术头条

作者：吴婷婷 

来到海边，你能看到什么？是蓝天白云、黄金沙滩，还是被塑料垃圾缠绕致死的海洋生物？看着桌上色泽诱人的食物，你是否知道微塑料早已渗透进我们生活的方方面面......
我们从地球上不断索取资源，还给它的却是堆积如山、难以降解的塑料垃圾。
随着环境的不断恶化，近年来人们对塑料危害的关注度明显提高，各国政府越来越重视塑料垃圾的处理，科学家们也投入精力不断研发塑料降解技术。
近日，加利福尼亚大学伯克利分校（University of California, Berkeley）徐婷教授团队发明了一种塑料降解新方法 —— 他们将一种可以 “吃掉” 塑料的酶包裹在特定分子中，仅在几周时间内，就能让塑料在稍高温度和水的作用下完全分解，不仅如此，已分解的塑料还会成为土壤微生物的养料，真正成为 “可堆肥塑料”，从而解决了困扰塑料工业和环保主义者的问题。
相关论文 “Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes” 为题，发表在 Nature 杂志上。
（来源：Nature）
生物可降解，远没有听上去那么容易
1904 年，“塑料之父” Leo Baekeland 发明了塑料，这个给人类带来极大便利的化合物曾一度被称为 “20 世纪最伟大的发明之一”。然而到了今天，人们终于发现：100 年前发明的塑料，至少要等 300 多年才能被降解！
当初，塑料被设计为在正常使用期间不会分解，这原本是它用途广泛的一大优势，但不可降解也同时意味着会污染环境。
为减少环境污染，目前市场上已经存在以下两种类型的 “可降解塑料”：
可降解塑料：可通过物理和生物因素（光或热，或微生物作用）降解，但降解速度慢，还可能留下憎水碎片，这些憎水碎片迁移到地下水和土壤中，其表面上会吸附并保留一些高毒性物质。
生物可降解塑料：可被一些微生物作为食物来获取能量，从而达到完全降解。其下有一个分支被称为 “可堆肥塑料”，是指塑料在堆肥条件下，通过微生物的作用，可在一定时间内转化成二氧化碳、水及其所含元素的矿化无机盐以及新物质。
（来源：UC Berkeley photo by Ting Xu）
一直以来，生物可降解塑料被宣传为可以解决困扰世界范围内塑料污染问题的最佳方案。但其实，当今所谓的 “可堆肥” 塑料袋、餐具等，只有在特定条件下才会进行生物降解。

而在其他情况下（例如典型的花园堆肥和工业堆肥过程），它们可能会缓慢降解或根本无法降解，或者会破碎成微塑料，还会污染其他可回收塑料。尤其是很多塑料基本上具有晶体状的分子结构，聚合物纤维排列得非常紧密，以至于水都无法渗透，更不用说可能会 “咀嚼” 有机分子聚合物的微生物。
打开塑料降解开关
为了解决上述问题，让可生物降解塑料真正 “可堆肥”，加州大学伯克利分校材料科学与工程系和化学系徐婷教授团队提出了一种新工艺 —— 在塑料中嵌入以聚酯为食的酶，这些酶能够有效地将塑料分解成一个个初级结构单元，同时，分解后的产物还可以用作堆肥。例如，就聚乳酸（PLA）而言，酶会将其分解为乳酸分子，而在堆肥过程中，土壤微生物恰恰就以乳酸为食，因而达到真正将塑料降解成天然肥料的目的。
但此次研究的创新点不仅仅在于食聚酯酶的使用，还在于一种被称为 RHP（random heteropolymers）的聚合分子。为了让降解过程更加可控，研究团队提出了一种新的想法：将能够 “吃掉” 塑料聚合物的纳米级酶嵌入某种材料中，从而隔离并保护这些酶，直到合适的条件下再让包裹物溶解，从而将酶释放出来。
图 | 徐婷教授

实际上，早在 2018 年，她就展示了该设想在实践中的作用流程。首先，她令 RHP 分子围绕着酶并轻轻地将其 “组织” 在一起，RHP 由四种类型的单体亚基组成，每种亚基的化学性质均旨在与特定酶表面的化学基团相互作用。这种包裹物只需要作用于紫外线之下就会降解，并且其浓度远低于塑料重量的 1％，绝不会对环境造成污染。
（来源：Science）
而后在本次研究中，徐婷和她的团队使用了类似的技术：将酶包裹在 RHP 中，并将数十亿个此类纳米颗粒嵌入塑料树脂珠中。“如果仅将酶放置在塑料表面，它降解塑料化合物的速度就会非常缓慢。如果让它们在纳米范围内分布，那么从本质上讲，每个酶分子都只需要吞噬与其相邻的聚合物，那么整个材料就会迅速分解掉。”
图 | (a) 在塑料表面直接嵌入酶会形成断链，降解速度缓慢；（b）以 RHP 包裹酶，酶在纳米范围内被限制在与聚合物链端的位置，降解效果显著提升。
实验发现，由 RHP 和酶结合而成的纳米颗粒仍具有塑料特性，并可以在 170℃（338 华氏度）的温度下熔融并挤压成类似于普通聚酯塑料的化合物。
那么如何将酶释放出来，打开降解的 “开关” 呢？其实很简单！要触发降解机制，只需使其遇热遇水即可。
实验表明，在室温条件下，约一周时间内，80％的 PLA 纤维完全降解。较高温度下降解速度则更快，在 50℃（122 华氏度）的工业堆肥条件下，PLA 在 60 天内即可降解完成。另一种聚酯塑料 PCL（聚己内酯）则在 40℃（104 华氏度）的工业堆肥条件下，在两天内完全降解。
图｜嵌入脂肪酶的 PCL 塑料段，在 40℃条件下浸泡于水中，24 小时后可以明显看出降解情况，36 小时内降解为小分子，瓶中已看不出塑料踪迹，接近完全转化。（来源：论文）
也就是说，科学家们完全可以利用这种技术，制造出降解过程可控、真正可堆肥的塑料。不仅如此，实验中嵌入 PLA 的酶为蛋白酶 K，嵌入 PCL 的酶则为脂肪酶，这两种酶都非常廉价且容易获得。
图 | 含酶 PCL（左）和 PLA（右）在 ASTM 标准堆肥中容易分解（来源：论文）

one more thing
在此次研究中，研究团队还注意到了可能出现的问题：如果不小心让这种可堆肥塑料遇水遇热触发了降解机制，是不是反而会对人们的生活造成不便？
其实不用担心。据研究人员所说，嵌入酶的聚酯塑料在较低温度或短暂潮湿时并不会降解。例如，只要温度不是很高，用这种工艺制成的聚酯纤维衬衫能够经受汗水浸湿和水洗，哪怕室温条件下在水中浸泡三个月，都不会导致衣物降解。
该技术的另一个好处在于，有时人们希望在家中堆肥而不弄脏手，这一点在使用这种可堆肥塑料之时完全不用担心。“只需要将自来水加热到合适的温度，然后把废弃不用的塑料放进去，几天后你就会发现它消失了。”
目前，徐婷的研究团队正在开发可以降解其他类型聚酯塑料的 RHP 包裹型酶，同时也正在对 RHP 进行改性，以便可以将这种降解工艺，人为设定成可以在特定点停止，而不完全破坏材料。
要知道，程序性降解可能是回收许多物体的关键。想像一下，使用生物可降解的胶水组装计算机电路或者整个电话或电子设备，然后，当人们用完它们后，只需要像打开 “开关” 一样将胶水溶解，设备零件就能毫发无损的散开，于是所有部件都可以重复使用。如果该技术能够实现，可以说是意义非凡的。
参考资料：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03408-3https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uoc--npm041621.phphttps://press.springernature.com/near-complete-depolymerization-of-polyesters-with-nano-dispersed/19023082https://chemistry.berkeley.edu/faculty/chem/ting-xuhttps://www.gaofenzi.org/archives/8179.htmlhttps://science.sciencemag.org/content/359/6381/1239

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