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北京再发“限塑令”,塑料降解难题该怎么破?

北京市市场监督管理局日前针对“限塑令”再次发布相关禁令,规定自2021年7月1日起建成区范围内外卖禁止使用不可降解塑料袋,建成区、景区景点堂食禁止使用不可降解一次性塑料餐具。

来源:北京日报
发布时间:1月前 阅读量:16966 评论量:0 收藏量:0

北京市市场监督管理局日前针对“限塑令”再次发布相关禁令,规定自2021年7月1日起建成区范围内外卖禁止使用不可降解塑料袋,建成区、景区景点堂食禁止使用不可降解一次性塑料餐具。

自1907年塑料发明以来,它既给人们带来了极大的方便,也给环境带来了种种污染和危害——100多年前发明的塑料,至少要等300多年后才能被降解!解决这个矛盾最好的方式,就是寻找让塑料完全降解的方法。科学家为此已经进行了数十年的努力,那么,这种努力目前有了怎样的最新进展?我们约请知名科普作者张田勘来和读者做些介绍。

问:目前降解塑料的方式主要都有哪些?

答:现在,降解塑料的方式主要有光、氧降解和生物降解。

光降解和氧降解塑料一般是在传统石化塑料中混入添加剂,使塑料在光照或较高温度下加速碎裂。现在的光降解和氧降解塑料无法在可控时间内完全生物降解,仍会残留一些塑料在环境中。

而生物降解是指在特定环境中,以微生物来降解塑料,完全转化成二氧化碳和水。但是,生物降解包含了一个前提,即生产塑料的材料是生物质而非石化原料生产的塑料。如果生物降解既可以降解石化材料制成的塑料产品,也可以降解生物材料制成的塑料产品,那就最理想了。

一般而言,由生物质制造的塑料易于降解,但如果以生物质来生产可降解塑料,则制造成本比化石塑料高2倍以上。现在,全球约有2/3的生物可降解塑料是依赖粮食作物作为原材料,显然这也并非可持续之道。

当然,生物可降解塑料的原材料也可以用植物,但是生物可降解塑料在制造中会使用各种辅助制剂、添加剂和塑化剂。一项针对欧洲市场的生物质塑料产品的调查发现,大部分产品含有多种化学品,其中还有数量不少的有毒化学物质。

据报道,83%的生物可降解塑料其实是“可堆肥塑料”,其高效降解需要温度高达50℃和55%的湿度,但一般的环境难以达到这种条件。

问:据说,在研发可降解塑料的科学研究中,发现了一些能“吃”塑料的细菌,能否给我们举一些例子?

答:近日,《自然》杂志报道了加利福尼亚大学伯克利分校徐婷团队发明的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”。

现在人们使用得较多的一种塑料产品是由聚乳酸(PLA)制成,这种塑料袋也会进入垃圾填埋场,并且寿命与永久塑料袋一样长。徐婷团队研究人员在聚乳酸塑料中嵌入BC-脂肪酶和蛋白酶K,并且添加了一种酶保护剂。结果表明,在家用自来水或标准土壤堆肥中,这样制成的塑料仅用3天时间就能完全分解,并在几天或几周内消除微塑料。

其实,对聚乳酸塑料的降解研究从1981年甚至更早就开始了,当时也考虑了用酶来降解,但是采用酶的方式一直解决不了成本昂贵的问题。现在市场上的工业用酶,价格一般是10美元1000克。除了成本问题,这种降解方式真正发挥作用,还需要方法简便易行并获得普及,因此,这种酶降解塑料的方式可能要较长时间才能真正实际使用。

还有一个例子。2016年,日本京都工艺纤维大学的小田康平和庆应义塾大学的宫本贤治领导的研究小组发现,一种微生物可以吞食对苯二甲酸酯塑料(PET),这是一种以石化产品为原料生产的塑料。

这种摄食PET的细菌称为大阪堺菌。日本研究小组经过仔细的微生物筛查后,发现一种细菌能够在PET薄膜上大量生长,因此这种细菌被命名为大阪堺菌。这种细菌在温和的30℃条件下就能够开始“大嚼”PET聚合物。据此,研究人员认为,大阪堺菌可以用来降解PET塑料。

不过,进一步的研究发现,这些细菌喜欢非晶体的PET,而实际生产和使用的塑料产品是结晶态PET,因此,这种细菌降解PET的效果并不理想。而且,在自然环境条件下大阪堺菌降解塑料的时间也较缓慢,完全降解一块小小的塑料薄膜就需要6周的时间。要让这种细菌达到实用的阶段,还需要进一步优化,才能真正用于清理世界上的PET塑料垃圾。不过,日本研究人员称,可以改造大阪堺菌所利用的酶,使之具备更快的反应速率和更好的实用性。

对此,中国科学院微生物研究所的吴边团队进行研究,对大阪堺菌降解PET塑料所需的酶进行优化,获得了稳定性显著增强的重设计酶,使得大阪堺菌对PET薄膜的降解效率提升了300倍。这一研究成果发表于2021年1月的《美国化学会•催化》杂志。

再举一个例子。2019年,印度希夫纳达尔大学的研究团队从大诺伊达地区的湿地中发现了两种“可食用塑料”的细菌,分别是菌株DR11和菌株DR14,它们具有分解聚苯乙烯的潜力。

聚苯乙烯具有高分子量和长链的聚合物结构,而且有良好的抗降解性能。但是,研究小组发现,当这两种分离的细菌接触到聚苯乙烯塑料时,会将其作为碳源,并用以制造生物膜。这个过程改变了聚苯乙烯的物理性质,启动了一个自然降解的过程,然后,细菌能够通过释放水解酶来破坏聚合物链。

事实上,聚苯乙烯很难降解,在生物降解之前,需要进行某种形式的预处理,如化学、热、光氧化等。现在,发现DR11和DR14菌株不仅能够在未经处理的聚苯乙烯上形成生物膜,而且还能够降解未经改性的塑料,意味着这两种细菌未来可以担当起降解塑料的重任。但是,研究团队也表示,要进一步评估这些菌株的代谢过程,以便在环境生物修复中加以利用。

中国科学家也有新的研究进展。2021年4月25日,中科院海洋所孙超岷团队发表的一篇论文显示,一些海洋微生物能够有效降解聚乙烯(PE)和对苯二甲酸酯(PET)塑料。研究团队从2016年开始从青岛近海采集了上千份塑料垃圾,经过大量筛选发现一个塑料垃圾上附着的一个菌群在PET和PE表面具有很明显的定殖和降解能力。

研究人员推测,这些细菌是通过降解塑料获得额外的能量。通过对菌群组成种类和丰度进行定量分析,发现有5类细菌为优势种群,结合培养技术成功获得上述5类细菌的纯培养菌株,其中3株具有明显降解塑料的能力。将这3株细菌按照一定比例进行复配,成功获得了一个能稳定共存并能显著降解PET和PE塑料的菌群,该菌群尤其喜好降解PE塑料,两周时间可以将PE降解为碎片。

PE塑料目前在国际上极为缺乏对其有效降解的微生物和酶类,因此,中国研究人员的成果意味着,未来可以用海洋细菌降解极难降解的PE塑料。

问:在研发能自行降解的塑料方面,有什么新的进展?

答:降解塑料的更高一级战略是研发和生产能自行降解的塑料,在这方面,中国研究人员也有了一些进展。

中国华南理工大学、中国广东聚益新材有限公司和智利一家公司合作研发的以聚乙烯醇为主要原料的水溶性购物袋将投产进入市场,中国负责生产原料、提供技术支持,智利公司负责产品的市场和销售。将来,购物袋原材料将继续以广东清远为主要生产基地,购物袋则在智利或其他地方制作,向全世界销售。

这种水溶性购物袋具有较高的承重力和冷水可溶性,适合在无水的环境下使用,使用后遇水即可“消失”,不产生污染。一个聚乙烯醇水溶袋,降解只需5分钟。这显然是塑料袋降解的一个突破,而且全球包括中国在内已经有多个大学和企业在研发这一技术,至于推向市场的实际应用,可能还需要一段时间。

另外,市场上有一些生物可降解塑料,但实际上要完全降解还差强人意,因此塑料降解的研究和应用将会是人类一个持续而重大的挑战。

问:最后,能否简单介绍一下目前市场上都有哪些生物可降解塑料?

答:现在市场上有五类被称为绿色塑料的生物可降解塑料。

一是聚乳酸(PLA)塑料,是一种新型的生物降解材料,采用可再生的植物资源,如玉米所提取的淀粉原料制成。

二是聚3-羟基烷酸酯(PHA),是由微生物通过各种碳源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。

三是聚己内酯,是一种低熔点聚合物,其熔点仅62℃。

四是聚酯类,既可以通过石化产品产生,也可通过淀粉、纤维素、葡萄糖等可再生农作物产物经生物发酵途径产生。

五是聚乙烯醇(PVA),又称水溶性PVA薄膜,可完全降解为二氧化碳和水。


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赵胜强_DGENOA
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