为了设计出真正可堆肥的塑料，科学家们从自然界中汲取了灵感。
新技术可以将塑料从垃圾填埋场，海洋中引导到您的后院堆肥箱中
日期：2021年4月21日来源：美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室概括：科学家设计了一种酶活化的可堆肥塑料，可以减少微塑料的污染。家用自来水或土壤堆肥仅需几天或几周即可将杂化塑料分解成可重复使用的小分子，称为单体。
尽管我们进行了分类和回收工作，但在美国，只有不到9％的塑料得到回收，并且大多数最终被填埋或环境中。
可生物降解的塑料袋和容器可以提供帮助，但如果分类不当，则会污染原本可以回收的＃1和＃2塑料。更糟糕的是，大多数可生物降解的塑料需要几个月的时间才能分解，当它们最终分解时，它们会形成微塑料-可能积存在海洋和动物体内的微小塑料碎片-包括我们自己的塑料。
如今，据《自然》杂志报道，能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家设计了一种酶活化的可堆肥塑料，可以减少微塑料的污染，并为塑料的再利用提供了广阔的前景。这种材料可以分解成各个组成部分（称为单体的小分子），然后重新制成一种新的可堆肥塑料产品。
“在野外，酶是自然界用来分解事物的物质，即使我们死了，酶也会使我们的身体自然分解。因此，在这项研究中，我们问自己：’酶如何降解塑料，使之成为自然的一部分？” 资深作者Ting Xu表示，他拥有伯克利实验室材料科学系的教职高级科学家以及加州大学伯克利分校的化学，材料科学与工程学教授的头衔。
在伯克利实验室，徐（她致力于发展受自然启发的功能聚合物材料已有近15年的职业生涯）领导着一支由来自全国各地大学和国家实验室的科学家和工程师组成的跨学科团队，以解决日益严重的问题。一次性和所谓的可生物降解塑料构成的塑料垃圾填埋场。
当今使用的大多数可生物降解塑料通常由聚乳酸（PLA）制成，聚乳酸是一种与玉米淀粉混合的植物基塑料材料。还有聚己内酯（PCL），一种可生物降解的聚酯，广泛用于生物医学应用，例如组织工程。
但是，传统的可生物降解塑料的问题在于它们与一次性塑料（例如塑料薄膜）没有区别-因此这些材料中的很大一部分最终会被填埋。论文的共同作者，伯克利实验室能源技术领域的研究，能源分析和环境影响部副主任。
可生物降解塑料的另一个问题是它们不如普通塑料坚固，这就是为什么您不能在标准的绿色堆肥袋中搬运重物的原因。折衷方案是，可生物降解的塑料会随着时间的流逝而分解，但是，Xu表示，它们仍会分解为仍是塑料的微塑料，尺寸要小得多。
因此，徐和她的团队决定采用另一种方法-将酶“纳米限制”到塑料中。
使酶发挥作用
由于酶是生命系统的一部分，因此诀窍是在塑料中划出一个安全的位置，使酶处于休眠状态，直到它们被激活为止。
在一系列实验中，Xu和他的合作者在PLA和PCL塑料材料中嵌入了痕量的商业酶伯克霍尔德cepacian脂肪酶（BC-lipase）和蛋白酶K。科学家还添加了一种酶保护剂，称为四单体无规杂聚物或RHP，以帮助将酶分散开几纳米（十亿分之一米）。
令人惊讶的结果是，科学家发现普通的家用自来水或标准土壤堆肥将酶包埋的塑料材料转化为称为单体的小分子结构单元，并在短短几天或几周内消除了微塑料。
他们还了解到，BC-脂肪酶是一种挑剔的“食者”。在脂肪酶将聚合物链转化为单体之前，它必须首先捕获聚合物链的末端。通过控制脂肪酶何时发现链端，可以确保材料在被热水或堆肥土壤触发之前不会降解。
此外，他们发现这种策略仅在BC-脂肪酶被纳米分散时才有效（在这种情况下，PCL嵌段中的重量百分比仅为0.02％），而不是随机地加入并混合。
徐说：“纳米分散使每个酶分子发挥作用，没有浪费。”
在考虑成本时，这一点很重要。工业用酶的价格约为每公斤10美元，但是这种新方法只会使一公斤树脂的生产成本增加几美分，因为所需的酶量非常低-该材料的保质期超过7几个月，斯考恩补充说。
证明在堆肥中
伯克利实验室的高级光源进行的X射线散射研究表征了PCL和PLA塑料材料中酶的纳米分散性。
共同作者汤姆·罗素（Tom Russell）进行的界面张力实验实时揭示了液滴的大小和形状是如何随着塑料分解成不同分子而发生变化的。实验室结果还区分了酶和RHP分子。
他说：“界面测试为您提供了有关降解过程的信息。” “但是证明是在堆肥中的-Ting和她的团队仅通过使用RHP，水和堆肥土壤就成功地从可生物降解的塑料中回收了塑料单体。”
罗素（Russell）是马萨诸塞大学的客座教授和高分子科学与工程教授，他领导了伯克利实验室材料科学系的“适应界面组件向结构化液体的发展”计划。
研发价格实惠且易于堆肥的塑料薄膜可以激励农产品生产商用可堆肥塑料而不是一次性保鲜膜包装新鲜的水果和蔬菜-因此，可以节省有机废料设施，避免因昂贵的塑料拆包投资而产生的额外费用斯考恩说，当他们想接受食物废物进行厌氧消化或堆肥时，这些机器就可以使用。
由于他们的方法可能同时适用于硬质，硬质塑料和软质，柔韧性塑料，因此，许先生希望将其研究范围扩大到聚烯烃，聚烯烃是一种普遍存在的塑料系列，通常用于制造玩具和电子零件。
该团队真正可堆肥的塑料可能很快就会上架。他们最近通过加州大学伯克利分校的专利局提交了专利申请。并合着了博士学位的亚伦·霍尔（Aaron Hall）。在学习期间，加州大学伯克利分校材料科学与工程专业的学生创建了加州大学伯克利分校的初创公司Intropic Materials，以进一步开发新技术。他最近被选中参加回旋加速器路（Cyclotron Road），这是与Activate合作开展的一项企业奖学金计划。
“在解决塑料问题时，在自然界中走大步是我们的环境责任。通过开出带有酶的分子图谱，我们的研究是一个好的开始。”
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