饮食酶使“可生物降解”塑料真正堆肥

嵌入塑料中的聚合物酶允许编程降解。

可生物降解的塑料被广告为塑料污染问题的一个解决方案，植物污染问题是世界，但今天的“堆肥”塑料袋，器具和杯子盖子在典型的堆肥期间不会破裂，污染其他可回收的塑料，为再循环者创造头痛。最漂亮的塑料，主要是由称为聚酯的聚酯制成的酸最终被扔进垃圾填埋场，和塑料一样持久。

加州大学，伯克利，科学家们现在发明了一种方法来使这些粘性塑料更容易发生，只需几周内的热水和水，解决了塑料行业和环保主义者困惑的问题。

“People are now prepared to move into biodegradable polymers for single-use plastics, but if it turns out that it creates more problems than it’s worth, then the policy might revert back,” said Ting Xu, UC Berkeley professor of materials science and engineering and of chemistry. “We are basically saying that we are on the right track. We can solve this continuing problem of single-use plastics not being biodegradable.”

徐是一篇文章的高级作者，描述了本周期刊问题上出现的过程自然。

这些技术理论上应该适用于其他类型的聚酯塑料，可能允许创造粘性塑料容器，目前由聚乙烯制成，一种不降解的聚烯烃。徐认为聚烯烃塑料最佳地变成更高的价值产品，而不是堆肥，并正在努力改变再循环聚烯烃塑料以进行再利用。

这种新工艺包括在塑料制造过程中，在塑料中嵌入食用聚酯的酶。这些酶被一种简单的聚合物包裹着，防止酶解并变得无用。当接触到热量和水时，这种酶就会脱离聚合物的保护层，开始将塑料聚合物分解成其组成部分——以PLA为例，将其还原为乳酸，从而为堆肥中的土壤微生物提供养分。聚合物包装也会降解。

微塑料是许多化学降解过程的副产品，本身就是一种污染物。使用徐的技术制造的塑料多达98%可以降解成小分子。

该研究的共同作者之一、前加州大学伯克利分校博士生艾伦·霍尔(Aaron Hall)已经成立了一家公司，进一步开发这些生物可降解塑料。

使塑料自毁

塑料设计不在正常使用期间分解，但这也意味着在被丢弃后它们不会分解。最耐用的塑料具有几乎是晶体状的分子结构，聚合物纤维如此紧密地对齐，水无法穿透它们，更不用说可以咀嚼聚合物的微生物，这是有机分子的聚合物。

徐的思想是将纳米级聚合物酶直接嵌入塑料或其他材料中，以搅拌和保护它们，直到正确的条件释放它们。2018年，她展示了这效果如何实践。她和她的UC Berkeley团队嵌入纤维垫中，一种酶，可降解有毒的有机磷酸盐化学物质，如杀虫剂和化学战剂的那些。当垫子浸入化学物质中时，嵌入的酶突破了有机磷酸盐。

她的关键创新是一种保护酶免受脱落的方法，蛋白质通常在其正常环境之外，例如活细胞。她设计了她称为随机杂多聚合物或rhPs的分子，将其包裹在酶周围并轻轻地将其固定在一起而不会限制其自然柔韧性。rhPS由四种类型的单体亚基组成，每个单体亚基组成，所述化学性质设计成与特定酶表面上的化学基团相互作用。它们在紫外线下降解，并以浓度小于塑料重量的浓度浓度，足够低至关重要。

研究报告发表在自然纸张，徐和她的团队使用了类似的技术，在rhPS中施用酶，并在整个塑料树脂珠粒中嵌入数十亿这些纳米颗粒，这是所有塑料制造的起点。她将此过程与塑料中的颜料嵌入塑料中的颜色。研究人员表明，RHP笼罩的酶没有改变塑料的特征，这可以在约170度的温度下熔化和挤出成常规聚酯塑料等纤维科尔斯群岛或338度华氏温度。

要触发降解，只需要加水和一点热。在室温下，80%的聚乳酸纤维在一周内完全降解。温度越高，降解速度越快。在工业堆肥条件下，改性PLA在50摄氏度(122华氏度)下6天内降解。另一种聚酯塑料PCL(聚己内酯)在40摄氏度(104华氏度)工业堆肥条件下2天降解。她植入了一种叫做蛋白酶K的酶，它可以把PLA咀嚼成乳酸分子;对于PCL，她使用脂肪酶。这两种酶都很便宜，而且很容易获得。

“如果你只在塑料表面上有酶，那么它就会非常缓慢地蚀刻，”徐说。“你希望它到处都是纳米镜下分布，所以基本上，他们每个人都需要吃掉他们的聚合物邻居，然后是整个材料崩解。”

堆肥

快速退化适用于市政堆肥，通常需要60〜90天，将食物和植物垃圾变成可用堆肥。高温工业堆肥需要更少的时间，但改性的聚酯在这些温度下也会更快地分解。

徐怀疑较高的温度使浓郁的酶移动更多，使其更快地找到聚合物链的末端并咀嚼它然后继续前进到下一个链条上。RHP包裹的酶也倾向于在聚合物链的末端附近结合，将酶保持在其靶附近。

她说，改性的聚酯在较低温度下或在短暂的潮湿时期不会降低。例如，采用此过程制造的涤纶衬衫在中等温度下承受汗水和洗涤。在室温下在水中浸泡三个月并没有导致塑料降解。

随着她和她的团队展示，在温水中浸泡会导致退化。

“事实证明，堆肥是不够的 - 人们想要在他们家中堆肥而不会肮脏，他们想要在水中堆肥，”她说。“所以，这就是我们试图看到的。我们使用温暖的自来水。让它升温到正确的温度，然后把它放进去，我们在几天内看到它消失了。“

徐正在开发RHP包裹的酶，可以降解其他类型的聚酯塑料，但她也在改变RHPS，使得降解可以被编程为停止在特定点，而不是完全破坏材料。如果要重新熔化塑料并变成新塑料，这可能是有用的。

该项目部分由国防部陆军研究办公室，美国军队战斗能力发展指挥的军队研究实验室的陆军研究办公室支持。

陆军研究办公室项目经理Stephanie McElhinny博士说:“这些结果为合理设计可在相对较短的时间内降解的高分子材料提供了基础，这可以为陆军后勤相关的废物管理提供显著的优势。”“更广泛地说，这些研究结果为将活性生物分子并入固态材料的战略提供了见解，这可能对未来陆军的各种能力产生影响，包括传感、净化和自我修复材料。”

徐说，编程的退化可能是回收许多物体的关键。想象一下，她说，使用可生物降解的胶水来组装计算机电路甚至整个手机或电子产品，然后，当你完成它们时，溶解胶水使装置分开，并且所有碎片都可以重复使用。

“千禧一代应该考虑这个问题，并开始一场将改变我们与地球交互方式的对话，”徐说。“看看我们扔掉的所有废弃物:衣服、鞋子、手机和电脑等电子产品。我们从地球上获取东西的速度比我们归还它们的速度要快。不要回到地球去开采这些材料，而是开采你拥有的任何东西，然后把它转化成别的东西。”

参考文献：“近乎完全用纳米分散酶的聚酯解聚”由克里斯托弗·德雷，玉峰江，菲尔贡康，Junpyo kwon，伊朗·哈尔纳，夏源阮，勒马，凯尔·泽金，蒂米，科伦德·斯·斯·······斯皮尔，科琳德，Robert O. Ritchie，Thomas P. Russell和Ting Xu，4月21日，4月21日，自然。
DOI：10.1038 / S41586-021-03408-3

本文的共同作者包括克里斯托弗德，玉峰江，菲尔贡康，朱鑫湖，亚伦大厅，伊万杰纳尔纳，志远阮，乐马，凯尔·泽金，蒂姆·伯克利罗伯特里奇·罗伯特里奇;Corinne Scenke of Berkeley Lab;和阿默斯特大学马萨诸塞州大学的托马斯罗素。该工作主要由美国能源部（DE-AC02-05-CH11231）提供资金，以及陆军研究办公室和UC BERKELEY的BAKAR奖学金计划的协助。