季君晖：塑料发展简史，生物降解塑料会是白色污染的终结者吗？
作者：季君晖 中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心总工程师
现代生活中塑料制品随处可见，关于其危害也早就形成共识。科学研究发现，不同的塑料品种在环境中可以存在数十年到数百年不等，最稳定的聚乙烯制品可以在土壤环境中存在超过400年，在海洋环境中存在时间会更长。而降解塑料在土壤或堆肥环境中一般会在6个月内完全降解成二氧化碳和水。因此，推广降解塑料，是解决塑料污染问题的有效手段。
在陕西省商洛市洛南县的多个乡镇，群众用可降解塑料薄膜覆盖农作物。图为4月26日无人机拍摄的地膜田园风光
在几种大宗材料中，塑料是最年轻的。最早的塑料是1862年英国科学家亚历山大·帕克斯利用硝化棉制备的帕克辛，后经约翰·韦斯利凯悦改进为赛璐珞，现在的乒乓球用的还是赛璐珞。塑料一经问世，就显示出超乎想象的应用潜力，尤其是20世纪50年代德国化学家齐格勒和意大利化学家纳塔发明催化剂合成了聚烯烃塑料，更是标志着塑料时代的到来。
塑料本身品种多，性能覆盖范围大；加工方便、成本低，可异形或加入颜色；质轻价廉，安全性好；稳定性好，不怕风吹日晒，耐酸碱腐蚀。因此，塑料很快进入社会经济生活的方方面面。1950年全球塑料产量200万吨，2018年已超过3.6亿吨。
廉价使得塑料制品的很大一部分变成了一次性用品。1902年，奥地利工程师马克思·舒施尼研发出塑料袋，因其轻便、结实、廉价和方便使用，塑料袋迅速取代“菜篮子”“布袋子”，成了人们生活中的必需品。然而，大量塑料废弃物，尤其是一次性的塑料废弃物，被扔到大自然中。
美国佐治亚大学、加州大学圣巴巴拉分校和海洋教育协会组成的研究小组研究结果表明，自20世纪50年代初以来，人类生产了83亿吨塑料，其中63亿吨已彻底成为废弃物。这些废弃的塑料制品中，只有9%被回收，另有12%被焚烧处理，剩余的79%则被深埋在垃圾填埋场或在自然环境中累积，从而造成了巨大的环境污染和生态问题。2004年4月，英国《卫报》将塑料袋评为“人类最糟糕的发明”。
填埋的塑料废弃物占用大量的土地资源，而且难以降解成永久垃圾，还可能产生渗滤液污染地下水、大气和土壤。焚烧塑料废弃物能回收热能，但会产生氯化氢、二噁英、多环芳烃等复杂废气，造成大气的二次污染。
很多塑料废弃物则被抛弃或通过河流等进入了海洋，目前几乎所有类型的塑料都已在海洋中找到。根据英国政府科学办公室发布的《前瞻，未来海洋》，每年有800万~1000万吨塑料废弃物从陆地进入海洋。
5月9日，西藏圣山公司高山协作人员和登山向导在海拔6500米的前进营地捡拾食品易拉罐、包装塑料袋等生活垃圾。
如果环境中的塑料废弃物继续保持现有增长速度，预计到2050年，海洋中的塑料可能要超过鱼的重量。联合国环境规划署披露，仅印尼爪哇岛上272公里长的芝塔龙河，每天就有近两千吨废弃塑料流入南海。
海洋中的塑料物品随着洋流逐渐在一些地区汇集，形成海洋中的塑料聚集区。目前，太平洋上有3个规模很大的塑料聚集区，其中最大的在美国夏威夷至加州的海域中，基本位于西经130~160度、北纬25~40度的区域。
据称，其面积达160万平方公里，大小相当于45个海南岛或3个法国。海量的塑料垃圾影响了海洋的环境和生态，鲸因吞食塑料、小鱼小龟因缠在塑料网中致死的消息屡见报端。
海洋塑料污染影响最严重的还不是所谓“塑料岛”，而是微塑料。微塑料是指直径小于5毫米的塑料颗粒或碎片，但目前科研中说的微塑料通常更小，一般不超过1毫米。由于颗粒小，微塑料可以随波逐流，弥散性地分布在海洋里。
微塑料经常被鱼、贝等海洋生物吸入体内，部分残留在生物体内，最终抵达人类的餐桌。还有一部分微塑料随海盐一起进入人类的食物。微塑料对人的危害目前是医学领域研究的重点之一，至今尚未有明确的结论。但微塑料经常会吸附海洋中的有毒化合物、微生物等，对人类肯定无益。
深知塑料特性的研究人员，早就意识到塑料可能导致污染。早在舒施尼发明塑料袋时，他就提出，一定要等他找出分解的办法再生产。可唯利是图的资本不会等待，很快推动了塑料袋的商业化。失望而内疚的舒施尼自杀了。
20世纪60年代，美国科学家提出了通过降解塑料解决污染问题的方案。所谓降解塑料，是指塑料在环境中经过一定的外界因素作用，其高分子碳链逐渐断裂，最后全面断裂成一个一个的碳，在有氧环境中变成二氧化碳，在无氧环境中变成甲烷，最后重新进入自然界的碳循环。
说到降解，人们可能首先想到的是淀粉或纤维等天然材料的腐烂。事实上，上世纪60年代的科学家也希望通过将淀粉塑化制造降解塑料。但淀粉在耐水和耐油等方面的性能无法满足要求，科学家又想到了在淀粉中添加普通聚烯烃塑料。然而，经过两次不成功的尝试，科学家明确了只有能自身降解的全降解塑料，才能解决白色污染问题。
目前，生物降解塑料的相应产业化技术基本成熟。生物降解塑料是上世纪70年代开始研究的以环境中的微生物为促进分解塑料因素的一种新型高分子材料。
一开始，科学家研究的是PHA（聚羟基烷酸酯）。这是一种真正的生物材料，由微生物歧化代谢产生PHA质粒，然后分离净化得到。但这种高分子加工要求苛刻，价格高昂，这些因素阻碍了其产业化和大规模应用。
上世纪80年代，美国嘉吉·道公司（Cargill Dow Polymers）研发的PLA（聚乳酸）由玉米发酵成乳酸后制得，它成功地解决了降解塑料成本过高的问题，而且性能良好，很适宜制备部分注塑塑料制品。嘉吉·道公司在2003年实现了14万吨的产业化规模，成为全球第一个10万吨级的降解塑料生产商，PLA也成为现在主流的生物降解塑料之一。
日本零售业从7月1日起对塑料购物袋收费，政府希望通过此举抑制对塑料袋的过度使用。
本世纪初开发的PBS（聚丁二酸丁二醇酯）和PBAT（聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯）是针对PLA的脆性高等弱点开发的。PBS软硬度适中，耐热性好，是制备耐热制品的最佳降解塑料。PBAT性能接近聚乙烯，是开发一次性降解膜袋产品的最佳选择，是目前降解塑料的最主流产品。
目前，生物降解塑料已形成以PBAT和PLA为主，包括PBS、PHA、PCL（聚己内酯）等在内的系列产品，且主要产品的产能都已达到10万吨级规模。下游产品包括购物袋、垃圾袋、餐盒、地膜等也已面市，为陆地上的白色污染治理提供了解决办法。
生物降解塑料主要依赖环境中微生物的作用实现塑料降解，其在海洋环境中的降解效果往往并不理想。海水含盐量高，海水中微生物的数量较土壤也少得多。一般土壤中微生物含量为每毫克1亿个以上，但每升海水的微生物含量仅在万个数量级。与土壤相比，海水中的微生物数量几乎可以忽略。因此，需要研发海水降解塑料来解决海洋的塑料污染问题。中科院理化所季君晖：PLA在海水中基本不降解，PBAT、PBS一年失重不超过3%
中国科学院理化技术研究所的科研人员设计了海水降解塑料，它由具有海洋环境消纳的生物降解功能片段和能够在海水环境中被盐离子催化水解的水解片段共聚而成。
通过功能片段调节材料的性能，通过水解片段调节塑料在海洋中的降解速度，科研人员开发了一系列不同性能、适应不同应用场景的海水降解塑料。目前，该项目已完成实验室研究，处在进行工程化研究阶段，相信很快可以进入产业化示范，生产出新型海水降解塑料。季君晖团队发明海水降解塑料，解决世界性难题！
人类一方面要推广降解塑料，以切断环境中塑料废弃物的增量；另一方面要研究如何减轻现有环境中的塑料废弃物污染。近年来，科学家发现并进一步促进了微生物对普通塑料废弃物的分解。
如中国科学院昆明植物研究所的卡恩等人发现了塔宾曲霉可以分解聚酯型聚氨酯；北京航空航天大学杨军等人发现了黄粉虫可以降解聚苯乙烯；剑桥大学的保罗·邦贝利等人发现了蜡螟的幼虫可以降解聚乙烯薄膜。
马萨诸塞州森林洞穴海洋研究院的宫本显治等人首次发现海洋微生物Ideonella Sakaiensis能够以PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）为主要碳源和能量源，更是为利用微生物消除海洋塑料污染带来希望。
来源：2020年8月5日出版的《环球》杂志 第16期