來到海邊，你能看到什麼？是藍天白雲、黃金沙灘，還是被塑料垃圾纏繞致死的海洋生物？看着桌上色澤誘人的食物，你是否知道微塑料早已滲透進我們生活的方方面面......
我們從地球上不斷索取資源，還給它的卻是堆積如山、難以降解的塑料垃圾。
隨着環境的不斷惡化，近年來人們對塑料危害的關注度明顯提高，各國政府越來越重視塑料垃圾的處理，科學家們也投入精力不斷研發塑料降解技術。
近日，加利福尼亞大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的科學家就發明了一種塑料降解新方法 —— 他們將一種可以 “吃掉” 塑料的酶包裹在特定分子中，僅在幾周時間內，就能讓塑料在稍高温度和水的作用下完全分解，不僅如此，已分解的塑料還會成為土壤微生物的養料，真正成為 “可堆肥塑料”，從而解決了困擾塑料工業和環保主義者的問題。
相關論文 “Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes” 為題，發表在 Nature 雜誌上。
（來源：Nature）
生物可降解，遠沒有聽上去那麼容易
1904 年，“塑料之父” Leo Baekeland 發明了塑料，這個給人類帶來極大便利的化合物曾一度被稱為 “20 世紀最偉大的發明之一”。然而到了今天，人們終於發現：100 年前發明的塑料，至少要等 300 多年才能被降解！
當初，塑料被設計為在正常使用期間不會分解，這原本是它用途廣泛的一大優勢，但不可降解也同時意味着會污染環境。
為減少環境污染，目前市場上已經存在以下兩種類型的 “可降解塑料”：
可降解塑料：可通過物理和生物因素（光或熱，或微生物作用）降解，但降解速度慢，還可能留下憎水碎片，這些憎水碎片遷移到地下水和土壤中，其表面上會吸附並保留一些高毒性物質。
生物可降解塑料：可被一些微生物作為食物來獲取能量，從而達到完全降解。其下有一個分支被稱為 “可堆肥塑料”，是指塑料在堆肥條件下，通過微生物的作用，可在一定時間內轉化成二氧化碳、水及其所含元素的礦化無機鹽以及新物質。
（來源：UC Berkeley photo by Ting Xu）
一直以來，生物可降解塑料被宣傳為可以解決困擾世界範圍內塑料污染問題的最佳方案。但其實，當今所謂的 “可堆肥” 塑料袋、餐具等，只有在特定條件下才會進行生物降解。
而在其他情況下（例如典型的花園堆肥和工業堆肥過程），它們可能會緩慢降解或根本無法降解，或者會破碎成微塑料，還會污染其他可回收塑料。尤其是很多塑料基本上具有晶體狀的分子結構，聚合物纖維排列得非常緊密，以至於水都無法滲透，更不用説可能會 “咀嚼” 有機分子聚合物的微生物。
打開塑料降解開關
為了解決上述問題，讓可生物降解塑料真正 “可堆肥”，加州大學伯克利分校材料科學與工程系和化學系徐婷教授團隊提出了一種新工藝 —— 在塑料中嵌入以聚酯為食的酶，這些酶能夠有效地將塑料分解成一個個初級結構單元，同時，分解後的產物還可以用作堆肥。例如，就聚乳酸（PLA）而言，酶會將其分解為乳酸分子，而在堆肥過程中，土壤微生物恰恰就以乳酸為食，因而達到真正將塑料降解成天然肥料的目的。
但此次研究的創新點不僅僅在於食聚酯酶的使用，還在於一種被稱為 RHP（random heteropolymers）的聚合分子。為了讓降解過程更加可控，研究團隊提出了一種新的想法：將能夠 “吃掉” 塑料聚合物的納米級酶嵌入某種材料中，從而隔離並保護這些酶，直到合適的條件下再讓包裹物溶解，從而將酶釋放出來。
圖 | 徐婷教授
實際上，早在 2018 年，她就展示了該設想在實踐中的作用流程。首先，她令 RHP 分子圍繞着酶並輕輕地將其 “組織” 在一起，RHP 由四種類型的單體亞基組成，每種亞基的化學性質均旨在與特定酶表面的化學基團相互作用。這種包裹物只需要作用於紫外線之下就會降解，並且其濃度遠低於塑料重量的 1％，絕不會對環境造成污染。
（來源：Science）
而後在本次研究中，徐婷和她的團隊使用了類似的技術：將酶包裹在 RHP 中，並將數十億個此類納米顆粒嵌入塑料樹脂珠中。“如果僅將酶放置在塑料表面，它降解塑料化合物的速度就會非常緩慢。如果讓它們在納米範圍內分佈，那麼從本質上講，每個酶分子都只需要吞噬與其相鄰的聚合物，那麼整個材料就會迅速分解掉。”
圖 | (a) 在塑料表面直接嵌入酶會形成斷鏈，降解速度緩慢；（b）以 RHP 包裹酶，酶在納米範圍內被限制在與聚合物鏈端的位置，降解效果顯著提升。
實驗發現，由 RHP 和酶結合而成的納米顆粒仍具有塑料特性，並可以在 170℃（338 華氏度）的温度下熔融並擠壓成類似於普通聚酯塑料的化合物。
那麼如何將酶釋放出來，打開降解的 “開關” 呢？其實很簡單！要觸發降解機制，只需使其遇熱遇水即可。
實驗表明，在室温條件下，約一週時間內，80％的 PLA 纖維完全降解。較高温度下降解速度則更快，在 50℃（122 華氏度）的工業堆肥條件下，PLA 在 60 天內即可降解完成。另一種聚酯塑料 PCL（聚己內酯）則在 40℃（104 華氏度）的工業堆肥條件下，在兩天內完全降解。
圖｜嵌入脂肪酶的 PCL 塑料段，在 40℃條件下浸泡於水中，24 小時後可以明顯看出降解情況，36 小時內降解為小分子，瓶中已看不出塑料蹤跡，接近完全轉化。（來源：論文）
也就是説，科學家們完全可以利用這種技術，製造出降解過程可控、真正可堆肥的塑料。不僅如此，實驗中嵌入 PLA 的酶為蛋白酶 K，嵌入 PCL 的酶則為脂肪酶，這兩種酶都非常廉價且容易獲得。
圖 | 含酶 PCL（左）和 PLA（右）在 ASTM 標準堆肥中容易分解（來源：論文）
one more thing
在此次研究中，研究團隊還注意到了可能出現的問題：如果不小心讓這種可堆肥塑料遇水遇熱觸發了降解機制，是不是反而會對人們的生活造成不便？
其實不用擔心。據研究人員所説，嵌入酶的聚酯塑料在較低温度或短暫潮濕時並不會降解。例如，只要温度不是很高，用這種工藝製成的聚酯纖維襯衫能夠經受汗水浸濕和水洗，哪怕室温條件下在水中浸泡三個月，都不會導致衣物降解。
該技術的另一個好處在於，有時人們希望在家中堆肥而不弄髒手，這一點在使用這種可堆肥塑料之時完全不用擔心。“只需要將自來水加熱到合適的温度，然後把廢棄不用的塑料放進去，幾天後你就會發現它消失了。”
目前，徐婷的研究團隊正在開發可以降解其他類型聚酯塑料的 RHP 包裹型酶，同時也正在對 RHP 進行改性，以便可以將這種降解工藝，人為設定成可以在特定點停止，而不完全破壞材料。
要知道，程序性降解可能是回收許多物體的關鍵。想像一下，使用生物可降解的膠水組裝計算機電路或者整個電話或電子設備，然後，當人們用完它們後，只需要像打開 “開關” 一樣將膠水溶解，設備零件就能毫髮無損地散開，於是所有部件都可以重複使用。如果該技術能夠實現，可以説是意義非凡的。