可降解塑料已被宣传为解决困扰世界的塑料污染问题的一种解决方案，但如今的“可降解”塑料袋，器皿和杯盖在典型的堆肥过程中不会分解，不会污染其他可回收塑料，这令回收者头疼。大多数可堆肥塑料主要由被称为聚乳酸或PLA的聚酯制成，最终会进入垃圾填埋场，并且使用寿命与永久塑料一样长。

加利福尼亚大学伯克利分校的科学家们现在已经发明了一种方法，使这些可堆肥的塑料在几周内仅用热和水就能更容易地分解，从而解决了困扰塑料工业和环保主义者的问题。

加州大学伯克利分校材料科学与工程学教授许挺说：“人们现在准备进入一次性塑料的可生物降解的聚合物中，但是如果事实证明它所造成的问题超出了其应有的价值，则该政策可能会恢复原状。”和化学。“我们基本上是说我们走在正确的道路上。我们可以解决这种一次性塑料不可生物降解的持续问题。”

Xu是描述该过程的论文的高级作者，该研究将出现在4月21日的“自然”杂志上。

从理论上讲，这项新技术应适用于其他类型的聚酯塑料，也许可以制造可堆肥的塑料容器，该容器目前由聚乙烯制成，而聚乙烯是一种不会降解的聚烯烃。徐认为，最好将聚烯烃塑料转变成高价值的产品，而不是堆肥，并且正在研究将回收的聚烯烃塑料进行再利用的方法。

新工艺包括在塑料中嵌入食用聚酯的酶。这些酶由简单的聚合物包裹材料保护，可以防止酶解开并变得无用。当暴露于热和水时，酶从其聚合物护罩上耸耸肩，并开始将塑料聚合物切碎成其结构单元-对于PLA而言，将其还原为乳酸，可以将土壤微生物喂入堆肥中。聚合物包裹物也降解。

该工艺消除了微塑料，它本身是许多化学降解过程的副产品和污染物。使用徐氏技术制成的塑料中，多达98%会降解为小分子。

该研究的合著者之一，前加州大学伯克利分校的博士生亚伦·霍尔(Aaron Hall)，已经剥离了一家公司，以进一步开发这些可生物降解的塑料。

熔融挤出的PCL(聚己内酯)塑料长丝(左)带有嵌入RHP的脂肪酶的纳米簇，在温水(104 F)下，在36小时内几乎完全降解成小分子。图片来源：加州大学伯克利分校克里斯托弗·德雷(Christopher DelRe)

使塑料自毁

塑料被设计为在正常使用期间不会分解，但这也意味着它们在丢弃后不会分解。最耐用的塑料几乎具有晶体状的分子结构，聚合物纤维排列得如此紧密，以至于水无法渗透，更不用说可能会咀嚼有机分子聚合物的微生物了。

徐的想法是将纳米级食用聚合物的酶直接嵌入塑料或其他材料中，从而隔离并保护它们，直到合适的条件释放出来。在2018年，她展示了这在实践中是如何工作的。她和她的加州大学伯克利分校的研究小组在纤维垫中嵌入了一种酶，该酶可以降解有毒的有机磷酸酯化学物质，例如杀虫剂和化学战剂中的化学物质。当垫子浸入化学品中时，嵌入的酶分解了有机磷酸酯。

她的关键创新是一种保护酶免于崩解的方法，这种蛋白通常在正常环境(例如活细胞)之外发挥作用。她设计了她称为无规杂聚物或RHP的分子，这些分子围绕酶并轻轻地将其结合在一起，而不会限制其自然柔韧性。RHP由四种类型的单体亚基组成，每种亚基的化学性质均旨在与特定酶表面的化学基团相互作用。它们在紫外光下会降解，并且其浓度小于塑料重量的1%-足够低而不成问题。

对于《自然》杂志报道的研究，Xu和她的团队使用了类似的技术，将酶包裹在RHP中，并将数十亿个此类纳米颗粒嵌入整个塑料树脂珠中，这是所有塑料制造的起点。她将这一过程与将颜料嵌入塑料中以对其进行着色进行比较。研究人员表明，RHP包裹的酶不会改变塑料的特性，该塑料可以在170摄氏度或338华氏度的温度下熔融并挤压成类似于普通聚酯塑料的纤维。

要触发降解，只需添加水和少量热量即可。在室温下，约一周内80%的改性PLA纤维完全降解。在较高温度下降解速度更快。在工业堆肥条件下，改性的PLA在六十天内在50摄氏度(122华氏度)下降解。另一种聚酯塑料PCL(聚己内酯)在40摄氏度(104华氏度)的工业堆肥条件下在两天内降解。对于PLA而言，她嵌入了一种称为蛋白酶K的酶，该酶将PLA咀嚼成乳酸分子。对于PCL，她使用脂肪酶。两者都是廉价且容易获得的酶。

“如果酶仅在塑料表面上，它就会非常缓慢地腐蚀下来，”徐说。“您希望它在纳米范围内分布，因此从本质上讲，每个人都只需要吃掉与其聚合物相邻的聚合物，然后整个材料就会分解。”

快速降解与市政堆肥效果很好，通常需要60到90天才能将食物和植物废物转化为可用的堆肥。在高温下进行工业堆肥所需的时间更少，但改性聚酯在这些温度下的分解速度也更快。

Xu怀疑较高的温度会使包裹的酶移动更多，从而使其更快地找到聚合物链的末端并咀嚼它，然后继续前进至下一个链。RHP包裹的酶还倾向于在聚合物链的末端附近结合，从而使酶保持在其靶标附近。

她说，改性聚酯在较低温度或短暂潮湿时不会降解。例如，用这种方法制成的聚酯衬衫将在中等温度下经受汗水和洗涤。在室温下在水中浸泡三个月不会导致塑料降解。

正如她和她的团队所证明的，浸泡在温水中确实会导致降解。

她说：“事实证明，堆肥还不够-人们想在家中堆肥而不弄脏手，他们想在水中堆肥。” “所以，这就是我们试图看到的。我们使用了温热的自来水。只需将其加热到合适的温度，然后放入，几天后我们就会发现它消失了。”

Xu正在开发可以降解其他类型的聚酯塑料的RHP包裹型酶，但她也正在对RHP进行改性，以便可以将降解编程为在特定点处停止而不完全破坏材料。如果要将塑料重新熔化并变成新的塑料，这可能会很有用。

该项目得到了国防部陆军研究办公室的部分支持，该办公室是陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室的组成部分。

陆军研究计划经理Stephanie McElhinny博士说：“这些结果为合理设计聚合材料提供了基础，该聚合材料可以在相对较短的时间内降解，这可以为与废物管理相关的陆军后勤提供显着的优势。”办公室。“更广泛地说，这些结果为将活性生物分子掺入固态材料的策略提供了见识，这可能对未来陆军的各种能力都有影响，包括传感，净化和自我修复材料。”

徐说，程序退化可能是回收许多物体的关键。她说，想像一下，使用可生物降解的胶水组装计算机电路甚至整个电话或电子设备，然后，当您用完它们后，将胶水溶解，使设备散开，所有零件都可以重复使用。

“对千禧一代来说，考虑这一点并开始对话将改变我们与地球互动的方式是一件好事，”徐说。“看看我们扔掉的所有浪费的东西：衣服，鞋子，电子产品(如手机和计算机)。我们从地球上拿东西的速度比我们返回它们的速度还快。不要回到地球上来挖掘这些材料，但请挖掘您拥有的一切，然后将其转换为其他内容。”