靈感來自“酸奶”，中國科學家攻克塑料降解難題！40℃水溫下兩天內可完全降解 | 專訪
點擊： 作者：多加 來源：DeepTech深科技 微信號 發布時間:2021-04-25 11:14:28
“當我從父母的花園里拿到堆肥土壤時，常常堆滿了尚未完全降解的塑料碎片。” 本身就是加州大學伯克利分校材料科學與工程系教授的徐婷，看到這一幕時更加意識到，研發出可完全降解塑料的技術，于人、于己都很迫切。
圖 | 塑料污染（來源：Pixabay）
塑料可完全降解的概念，已經誕生多年，但卻沒有技術能真正做到。當前，雖然有一些可 “生物降解” 的塑料，但是 “可降解” 和 “可完全降解” 帶來的結果完全不一樣。
無法完全降解的塑料，會通過一定方式進入海洋生物體內，進而通過食物鏈進入人體體內。
就在 4 月 21 日，第 52 個世界地球日來臨前一天，Nature 報道了徐婷的新技術：無需特殊條件，一天到幾周內就能完全降解塑料！
圖 | 左側的改性塑料，在標準堆肥中僅放置三天就會分解，而在兩周后會完全分解（來源：受訪者）
當天，徐婷擔任通訊作者的論文在 Nature 發表，論文標題為《聚酯與納米分散酶幾乎完全解聚》“Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes”。
圖 | 相關論文（來源：受訪者）
徐婷告訴 DeepTech，在思考如何造出真正可降解且沒有后遺癥的塑料這一問題時，她想到了酶。
讓塑料 “自我毀滅”
如下圖所示，使用本次技術，在 40℃ 的環境下，這種塑料能在 36 小時后、也就是一天半之后降解為小分子。
圖 | 36 小時后降解（來源：受訪者）
說起酶，你可能比較陌生，但應該聽說過做酸奶用的酶。酶也是一種大分子生物催化劑，具備加速化學反應的能力。
這種能力有多強？以乳清苷 - 5'- 磷酸脫羧酶為例，在無催化劑條件下耗時數百萬年才能完成的化學反應，有了它只需幾毫秒就能完成。截止目前，人類已知的是，酶能催化 5000 多種生化反應。
徐婷也表示，人類死亡后，體內的酶會自動降解身體，大自然本身也用酶來降解野外生物。
那么，能否用酶來降解塑料，從而讓塑料融入自然呢？
圖 | 徐婷（來源：受訪者）
她和團隊還做出一個大膽設想：假如酶只能觸達到塑料表面，塑料只能被一層層地降解，速度十分堪憂。如果讓酶充斥于塑料中呢？
這樣一來，雖然每個酶只能降解它附近的小部分塑料，但無數個小部分降解累積在一起，整塊塑料就能被完全降解。
設想很美好，擺在面前的困難也很骨感。耐久性塑料擁有水晶體般的分子結構，其中的聚合物纖維排列非常緊密，靈活如水分子都滲不進去，更別說酶了。
那怎么辦呢？徐婷決定從根抓起，把酶介入到塑料誕生的初始階段，讓其作為生產塑料的原料。
2018 年，她曾展示過這項技術，當時她在纖維墊中嵌入一種酶，這種酶能降解有毒的有機磷酸酯化學物質，例如殺蟲劑和化學戰劑中的化學物質。當纖維墊浸入化學品中時，嵌入的酶可以分解有機磷酸酯。
圖 | 相關降解過程（來源：受訪者）
但是問題接踵而至，酶的分子特征不算太穩定。一旦脫離細胞范圍，它就會喪失功能、或者被降解掉。
為了保護酶免于崩解，徐婷開發出一種分子，名字叫隨機雜聚物（Random Heteropolymers，下稱 RHP），它就跟水果皮似的，能像包裹果肉一樣，把酶包起來。
圖 | 脂肪酶的熒光顯微鏡圖像（來源：受訪者）
RHP 分子會圍繞著酶，并將其輕輕地結合在一起，酶的自然柔韌性不會受到影響，塑料特性亦不會被改變。
此外，RHP 由四種類型的單體亞基組成，每種亞基的化學性質，都能和特定酶表面的化學基團相互作用。數十億個酶被包起來后，和塑料樹脂珠混合后，即可用于塑料生產。
如下圖所示，圖上的綠球是一種脂肪酶，左上角是脂肪酶正在從表面降解塑料聚合物，但是它會隨機切割聚合物，并留下圖中右上角的微塑料。
圖 | 相關設計思路（來源：受訪者）
上面圖片的左下方指的是，徐婷給整個塑料中嵌入了酶納米簇，圖中的彩球鏈正是前文提到的隨機雜聚物，它可以保護酶納米簇。
具體生產塑料時，只要保證酶的功能不變，當制備出來的塑料結束使用用途、并進行再回收時，只要遇水遇熱，就能喚醒酶的降解能力。
其原理是，嵌入的酶會固定在聚合物鏈末端附近，在適當條件下遇水遇熱，就能從鏈末端降解聚合物分子。另據悉，該技術在使用過程中，可保持塑料的完整性。
徐婷推測，較高的溫度會使包裹的酶運動更多，從而讓它快速找到聚合物鏈的末端、并對其進行咀嚼，然后繼續前進至下一個鏈。
此外，RHP 包裹的酶還傾向于在聚合物鏈的末端附近結合，從而使酶保持在相關靶標附近。
圖 | PCL-RHP-BC - 脂肪酶的表征和降解（來源：受訪者）
在不同溫度下，降解速度也各不相同。徐婷指出，正常室溫環境下，花費 7 天左右的時間，80% 的聚乳酸塑料就能被完全降解，降解后會變成乳酸。
這時，降解工作就能宣布大功告成，因為乳酸能被土壤中的微生物直接吸收。
另據悉，使用本次方法，在工業環境下處理同樣重量的塑料，速度會更快。因為工業環境具備更好的溫度調節條件，比如在 50℃ 的溫度下，80% 的聚乳酸塑料可在 6 天左右完全降解；而在 40℃ 溫度下，只需花費 2 天，就能降解聚己內酯塑料。
圖 | 塑料的分解（來源：受訪者）
徐婷告訴 DeepTech，使用本次技術生產的塑料，98% 的部分會被降解成小分子，還可避免對環境產生有害物質如微塑料。據了解，微塑料是化學降解過程中常見污染副產物。
針對聚乳酸塑料的降解，她嵌入了一種稱為蛋白酶 K 的酶，該酶能將聚乳酸塑料咀嚼成乳酸分子。而針對聚己內酯塑料的降解，她使用了脂肪酶。
以上兩種酶，都是廉價且容易獲得的酶。如下圖所示，左圖是把聚乳酸塑料放置在堆肥中的初時模樣，右圖是放置一周后的聚乳酸塑料，可以明顯看出后者已經被吸收不少。
圖 | 塑料降解成為小分子并可被土壤吸收（來源：受訪者）
如下圖，本次論文的作者之一伊凡?賈亞普爾納（Ivan Jayapurna），正在展示含有聚己內酯的樣品膜，據了解聚己內酯具備較好的生物相容性、生物降解性、和無毒性。
圖 | 伊凡?賈亞普爾納，正在展示含有聚己內酯的樣品膜（來源：受訪者）
概括來說，從生產階段就給聚己內酯嵌入酶，生產出來的聚酯塑料、不僅具備在常規堆肥中可進行快速生物降解的能力，其機械性能也不亞于低密度聚乙烯塑料，因此有望成為不可生物降解塑料的高潛力替代品。
我們向地球索取的速度，比回報地球的速度還快
對于本次研究的出發點，徐婷顯然看得更深刻。
她說：“對千禧一代來說，考慮這一點并開始對話，將改變我們與地球互動的方式，這是一件好事，看看我們扔掉的東西：衣服、鞋子、手機和計算機等電子產品。我們從地球上拿東西的速度，比我們返回它們的速度還快。不要再回到地球開采這些材料，而要開采您擁有的任何東西，然后將其轉換為其他東西。”
另據悉，本次論文的作者之一、前加州大學伯克利分校的博士生亞倫?霍爾（Aaron Hall），已成立一家公司，旨在使用本次成果，來進一步開發可生物降解的塑料。
圖 | 含有酶的聚乳酸塑料薄膜（來源：受訪者）
此外，本次技術不僅能造出塑料購物袋，還能制造可生物降解的膠水，使用這種膠水去組裝電腦和手機等電子設備，在設備壽命即將終結時，只需溶解膠水，各種零件就會散開，并可進行重復使用。
由于本次研發出的塑料，在低溫下或短暫潮濕時不會降解。研究中，徐婷把部分塑料在室溫下放置了三個月，期間沒有發生任何降解，不過倒入微熱的水之后，就會開始降解。但這也意味著，這種塑料可被制成衣服，因為很明顯它不會受到晾曬或冷水洗滌的影響。
談及未來，徐婷表示，她正在開發可降解其他類型的聚酯塑料的 RHP 包裹型酶。目前，她正在對 RHP 進行改性，以便讓降解過程能在特定時間節點停止，且不讓該材料遭受破壞，這有望讓塑料重新熔化、并變成新的塑料，屆時塑料有望進入可循環使用的 “永生” 階段。
-End-
參考：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3
作者：多加 來源：DeepTech深科技
責任編輯：向太陽
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