靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(上)

魏昕宇 2019-12-3120:10:42 评论 1,303 views

《塑料的世界》系列

靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(上)

2015 年11 月,一向比较低调的高分子科学界突然整出了一个大新闻:来自中美两国的研究人员发现,黄粉虫这种昆虫的幼虫,即俗称的面包虫,能够吞食和降解塑料。

这则消息传出后,真可谓一石激起千层浪。有不少读者倍感欣慰,认为长期困扰人类社会的白色污染问题终于有了解决之道。但也有一些读者表示不解,认为黄粉虫能以塑料为食早就不是什么惊天的秘密。甚至有人在搜索之后发现,早在十余年前就有国内的中学生发现黄粉虫可以吃掉塑料,怀疑此次报道的研究不仅毫无新意,甚至有剽窃他人成果之嫌。

这一报道引发的争议,实际上既体现了广大民众对近年来方兴未艾的生物可降解塑料这一研究领域的关注和期待,也反映出人们对于这一新生事物的某些误解。因此要想准确理解这项研究,我们不妨先梳理一下生物可降解塑料发展的脉络。

当各种合成高分子材料刚刚进入我们的视野时,人们在欣喜于它们给生活带来的极大便利的同时,并没有过多地去考虑这些材料在寿终正寝之后该如何处理。废弃的高分子制品往往只是简单地被送到垃圾填埋场甚至随手扔在街上。然而随着时间的推移,人们逐渐意识到它们的化学性质通常非常稳定,在环境中可以长时间存在。因此废弃的高分子材料,尤其是塑料,造成了严重的环境问题,也就是通常所说的“白色污染”。这迫使人们不得不寻求解决问题之道。

然而在塑料诞生前,人类一直在利用天然的高分子化合物,为什么在过去的几千年间并没有出现白色污染的问题呢?一个重要的原因在于,在与这些天然高分子化合物共存的漫长岁月里,各种微生物已经进化出一系列的酶,能够将这些庞大的分子转变成可以为生物再次利用的养料。事实上,如果没有微生物扮演分解者角色,保证生态系统中的物质循环,恐怕早在人类诞生之前,地球上的资源就被生物消耗殆尽了。相反,合成高分子材料诞生至今不过100 多年的历史,微生物对它们并不熟悉,面对这些全新的化学结构时往往会感到无计可施。这样一来,人工合成的高分子材料难免在环境中长久地累积下来。

既然如此,我们把天然高分子材料直接请回来,白色污染问题不就迎刃而解了吗?接下来我们就来分析一下这条路是否走得通。

一、心有余而力不足的天然高分子材料

在天然高分子化合物中,含量最为丰富的要数纤维素了。纤维素广泛存在于植物特别是树木中,是由数百至上千个葡萄糖分子相互连接而形成的线性高分子。要问纤维素的机械强度如何,那些参天大树是再好不过的证明。按理说如此强劲的高分子化合物足以秒杀一切合成的塑料了,但偏偏正是这一点成了纤维素的软肋。我们知道,塑料之所以应用广泛,很重要的一点在于这个“塑”字,即可以通过熔融流动来被加工成任意形状。即便是高温下不能熔化的热固性塑料,也可以通过溶液等其他液体形式来实现成型加工。然而纤维素由于分子间的相互作用极强,在高温下宁可降解也不肯流动,同时它也很难溶于大部分溶剂,这就使得纤维素的应用受到很大的限制。

当然,长久以来,人们从未放弃过更好地利用纤维素的努力,其中造纸术的发明或许可以看作第一步。在造纸过程中,木材等富含纤维素的原料通过机械或者化学过程被分解成纤维素的短纤维,这些短纤维干燥成型后就得到了纸。纸的出现无疑让我们对纤维素的利用更加充分。时至今日,纸张仍然在我们的生活中扮演着不可或缺的角色,目前全球纸制品的产量一点也不比塑料少。这些纸制品除了用于书写、印刷、个人卫生等,也经常替代塑料用于包装、餐具等领域。但纸毕竟不是真正意义上的塑料,许多性能也无法媲美塑料,例如纸遇水后强度就下降许多,而且无法像塑料那样做到完全透明。事实上,许多纸质的包装材料往往还需要塑料的配合才能达到比较理想的效果,例如许多用来装牛奶的纸盒就必须在内部涂上一层塑料才能保证良好的防水效果。另外,纸虽然以可再生的植物为原料,废弃后也可以被微生物降解,但其生产过程中要产生大量的污水,对环境的负面影响也不容忽视。因此,用纸制品来进一步代替塑料制品恐怕未必是很好的选择。

到了近代,人们在不断地摸索中发现了更好地改造纤维素的方法。纤维素之所以难以熔化或者溶于溶剂,是因为分子间存在着强烈的氢键,而氢键的存在又是源于纤维素分子中大量的羟基结构。如果我们通过化学反应让羟基转化为别的结构,就有可能破坏纤维素分子之间的氢键,让纤维素变得能够溶解,这也正是这些新方法的切入点。例如纤维素与浓硝酸发生硝化反应得到的硝化纤维,与醋酸酐反应得到的醋酸纤维素,都可以形成溶液,从而实现进一步的加工,让我们更好地利用纤维素。如果在硝化纤维中加入樟脑作为增塑剂,可以得到性能进一步改善的赛璐珞,它被公认为是最早的塑料,诞生之后曾经很受欢迎。但赛璐珞有一个致命的缺陷,那就是太容易着火,要知道硝化程度高的纤维素可以被用作火药。作为塑料的硝化纤维硝化程度没那么高,但仍然很危险。例如,早期的电影胶片都是用硝化纤维制作,因此胶片库的火灾屡见不鲜,许多珍贵的影片拷贝就这样在火焰中灰飞烟灭。相比之下,醋酸纤维素没有那么易燃,因此逐渐取代了赛璐珞。但即便是这一类较为安全的材料,其生产加工仍然不如聚乙烯、聚丙烯等完全人工合成的塑料来得方便,因此在合成塑料兴起后就逐渐退居次要的位置。而且经过化学修饰的纤维素虽然加工更加容易,却也有可能因此失去了可被微生物降解的特性,这也是值得注意的一个问题。

另外一种改造纤维素的方法是用碱溶液和二硫化碳处理纤维素,纤维素分子中的羟基会与二硫化碳反应,这同样会让纤维素变得可溶。随后如果把酸加入溶液中,与二硫化碳反应结合的羟基又会被破坏。经过复杂的过程,纤维素的化学结构没有改变,物理结构却发生了变化,加工起来变得更加容易,这就是所谓的“再生纤维素”。我们在挑选服装时可能会注意到有些衣服会注明材质是“人造丝”,这就是用再生纤维素加工的纤维。

与赛璐珞和醋酸纤维素相比,再生纤维素的一个优势是纤维素的化学结构最终没有改变,因此其生物降解的能力也不受影响。然而不幸的是,再生纤维素的生产过程中要用到二硫化碳这种毒性很高且易燃的物质,对工人的健康和安全是一个严重的威胁。不过近些年来,许多科学家们尝试用更加安全环保的化学试剂来取代二硫化碳,并取得了一定的进展,这让人们看到了一定的希望。

介绍了纤维素,就不能不提一下它的“小兄弟”—淀粉。与纤维素一样,淀粉也是由葡萄糖连接而成的高分子化合物,但二者不仅葡萄糖分子之间的连接方式有所不同,而且纤维素分子完全是直链结构,而淀粉分子则有一部分是分支结构,这使得淀粉分子之间的相互作用更容易被破坏。如果把淀粉与少量的水混合并加热,淀粉就可以像热塑性塑料那样熔化流动,从而被加工成不同的形状,这样得到的淀粉被称为热塑性淀粉。热塑性淀粉同样可以被微生物降解,而且加工又比纤维素容易得多,加之淀粉的来源也很广泛,因此热塑性淀粉近年来颇受重视。然而不幸的是,相对较弱的分子间作用力既使得淀粉比纤维素容易加工,也导致热塑性淀粉的强度要比纤维素逊色许多,因此通常要和其他高分子材料混合才能达到令人满意的效果,这就严重制约了热塑性淀粉的推广应用。

当然,除了纤维素和淀粉,还有许多其他的天然高分子化合物也有可能成为塑料的替代品。但这些天然高分子化合物大多也面临着这样那样的问题,如果用一句话来概括,那就是好用的不够用,够用的不好用。例如有一种名为普鲁兰多糖的天然高分子化合物,结构与纤维素类似,机械性能也不差,但它可以直接溶于水,因此加工起来要方便得多,但这种材料目前只能通过微生物发酵来获取,如果作为塑料的替代品,搞不好塑料要成为奢侈品的代名词了。因此,天然高分子材料在未来也许会经历一定程度的复兴,但要想全面取代合成的塑料以消除白色污染,恐怕是非常困难的。

天然的高分子材料不够给力,科学家们只好求助于人工合成,而一大批新的生物可降解塑料也应运而生,其中最为人所熟知的大概要数近年来“出镜”频率颇高的聚乳酸了。

靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(上)

在合适的条件下,聚乳酸能够被环境中的微生物彻底降解

(未完待续)

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魏昕宇

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