白色污染难解决？试试这款“活”塑料！

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

塑料的发明为我们的日常生活带来了极大的便利。但是，大规模塑料垃圾的产生以及不当的处理方式，使得塑料垃圾也就是白色污染成为当下最为严峻的环境问题之一。

白色污染问题之所以难以解决，主要是石油基塑料在自然界中需要上百年才能降解，造成土壤和环境的污染。要想从源头解决白色污染，应该以可降解塑料（如聚乳酸PLA）代替石油基塑料。

为了加快可降解塑料的降解速度，我国科学家发明了一种“活”塑料，就是通过对微生物进行基因编辑使其产生具备极端环境耐受能力的芽孢，可以在特定条件下分泌塑料降解酶，并通过塑料加工方法将芽孢包埋在塑料基质中。

日常使用环境中，芽孢保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。只有在特定条件下（表面侵蚀、堆肥），塑料中的芽孢才会被激活并启动降解程序，完成塑料的完全降解。

通过改造芽孢编程可降解“活”塑料

（图片来源：参考文献1）

不可降解塑料

塑料是一种人工合成的高分子材料，它的历史可以追溯到19世纪末。到了20世纪中期，随着石油化工工业的发展，塑料的生产成本大幅降低，塑料的应用范围也进一步扩大，成为现代社会不可或缺的一部分。塑料的广泛应用也带来了很多环境问题，随处可见的白色污染已经严重威胁到地球和人类的生存与发展。

为什么塑料降解如此艰难？因为塑料是最近一百多年才出现的高分子聚合物，100年对人类来说可能不算短，但对大自然而言简直就是弹指一瞬间，在这么短的时间内自然界尚未进化出能够快速降解这些“新玩意”的微生物。

据统计，传统的石油基塑料，例如，聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解时间都在百年以上。

各种塑料降解需要的时间

（图片来源：参考文献2）

可降解塑料

随着白色污染日益严重，人类也认识到问题的紧迫性，开始寻找石油基塑料的代替品，我国也出台了许多政策来限制不可降解塑料的使用，从“限塑令”到“禁塑令”。在这样的背景下，可降解塑料越来越受关注。石油基塑料长达几百年才能降解，对于人类来说基本上可以定义为“不可降解塑料”。

有一类生物来源的高分子聚合物，由于自然界中存在能够快速降解这些聚合物的微生物和酶，只需要一年不到的时间即可自然降解，因此被称为“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）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚碳酸酯（PCL）等。

目前使用可降解塑料代替石油基塑料已经成为国内外的发展趋势，例如超市有偿提供的可降解塑料袋、餐饮行业的可降解塑料吸管，以及医院做手术用的可降解手术缝线（不需要拆线）等。

可降解塑料袋

（图片来源：veer图库）

提高可降解塑料的降解速度

要想提高可降解塑料的降解速度，增加降解酶的数量是关键，如果能够将降解酶放到塑料中，在塑料废弃的时候自动释放出降解酶，通过酶来降解塑料，就可以提高降解速度。不过如何把降解酶存到塑料中，平时使用的时候不降解，而在废弃的时候才启动降解呢？科研工作者们想到了细菌的一个特殊结构——芽孢。

在自然亿万年的演化中，诸多微生物进化出了针对恶劣环境条件的抵抗力。当极端环境到来，不再适合生存和繁殖的时候，细菌就会转变成芽孢的形式，这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。芽孢可以忍受极端的干燥、温度和压力，而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。

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

产生的芽孢同样带有编辑的基因线路，并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。通过将基因工程改造的芽孢溶液与聚碳酸酯PCL塑料母粒直接混合，通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有芽孢的塑料。

在物理性能方面的各项测试中，“活”塑料与PCL普通塑料，在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。日常使用环境中，芽孢保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。在不需要任何其他外源制剂的加入下，土壤环境中“活”塑料能够在25-30天以内就可被完全降解，而传统可降解PCL塑料则需要55天左右才能被降解至肉眼不可见。

为了验证系统的普适性，研究人员继续尝试了其他的塑料体系，将芽孢与PBS、PBAT、PLA、PHA以及PET等聚合材料进行混合加工，制备了相应的“活”塑料。

“活”塑料在土壤中的降解过程

a.“活”塑料在土壤中30天即可完全降解；b.普通的PCL塑料在土壤中55天完全降解

（图片来源：参考文献1）

研究人员还将“活”塑料置于常见的碳酸饮料环境中浸泡2个月，在没有外界作用的情况下，“活”塑料能够保持稳定的外形，说明活体塑料能够像传统塑料一样使用，只有在它们被破坏或被废弃的条件下，才会启动降解程序。这项研究为新型可生物降解塑料的开发，提供了新的视角和方法，有望助力解决当下严重的塑料污染困境。

结语

“活”塑料的发明为解决白色污染这一全球性难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，创造出一种能够在特定条件下自主降解的塑料。这一创新成果不仅在理论上展示了可持续发展的可能性，也在实践中为减少塑料垃圾的环境影响带来了切实的希望。

然而，“活”塑料的推广和应用仍需克服诸多挑战，包括生产成本、技术成熟度以及大规模应用的社会接受度等问题。只有在科技进步与政策引导的双重推动下，这一新型材料才能真正走向市场，成为应对白色污染的利器。

未来，我们期待更多这样的科技创新，从源头上减少塑料污染，实现人与自然的和谐共生。让我们共同努力，为保护地球环境贡献力量。

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.