靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(中)

魏昕宇 2019-12-3120:16:03 评论 1,227 views

《塑料的世界》系列

靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(中)

​​【前情提要】在上篇中【靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?(上)】,我们认识了常见的天然高分子材料,并了解了为什么用这些材料代替现有的合成塑料,从而解决白色污染问题是不现实的。在本篇中,我们将会了解目前最为热门的生物可降解塑料——聚乳酸,以及其它宣称可以通过生物降解消除白色污染的手段。

二、聚乳酸:时势造英雄

聚乳酸, 顾名思义, 是乳酸聚合得到的高分子化合物。乳酸是我们并不陌生的一种有机物。我们进行剧烈运动时,葡萄糖在体内会被代谢为丙酮酸,后者再进一步代谢为乳酸。牛奶在发酵成酸奶时,乳酸菌会将乳糖转化为乳酸,从而带来独特的酸味。事实上,乳酸这个名称的由来就是由于它最初是在发酵的牛奶中被发现,而做出这一发现的是以发现氧气闻名的瑞典化学家舍勒。而乳酸能够聚合成聚乳酸,最早则是被以合成尼龙闻名的美国化学家卡罗瑟斯发现的。因此,卡罗瑟斯不仅是公认的尼龙之父,也应该是当之无愧的聚乳酸之父。

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聚乳酸由乳酸聚合而得到

不过,在聚乳酸被发现后很长一段时间里,它却一直被束之高阁,这是为什么呢?由于技术所限,卡罗瑟斯最初得到的聚乳酸分子量不高,因此强度不高。后来研究人员通过改进方法,成功增加了聚乳酸的分子量。但即便如此,聚乳酸在性能上仍然没有太多的亮点,有些方面比其他塑料还要差,例如它比较脆,热稳定性也不太好。与此同时,聚乳酸的生产成本却高出别的塑料一大截。有谁会给这种“价高质次”的材料委以重任呢?

在沉寂了几十年之后, 聚乳酸终于迎来了它的第一个“伯乐”—生物医学行业的从业者。与其他合成的塑料相比,聚乳酸有一个独特之处,那就是在合适的条件下可以降解成无毒无害的乳酸。因此,它可以实现其他材料无法做到的一些独特应用。例如用聚乳酸制成的手术缝合线在伤口愈合过程中会逐渐被人体吸收,因此为患者免去了拆线的烦恼。又如聚乳酸虽然在体内能够被降解,但它本身并不能直接溶于水,因此如果把药物包裹在聚乳酸的微球内,微球进入体内后,药物并不会一下子跑出来,而是随着聚乳酸的降解而逐渐与组织接触,从而实现药物更加缓慢持久的释放。至于机械性能不够好、成本高等缺点,为了治病救人,都可以容忍。这样,聚乳酸终于结束“待业”状态,开始走入实际应用。

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聚乳酸共混物制造的作物用薄膜(图片来自维基百科)

但聚乳酸真正迎来更大的发展机遇还是在白色污染问题得到重视以后。人们意识到,如果用聚乳酸来代替传统的塑料,不就可以通过降解来缓解废弃塑料制品在环境中的积累吗?虽然聚乳酸机械强度等方面的性能不够出色,但也不比常规塑料差得太多,并且通过一些技术手段可以适当提高。而且不像纤维素塑料的加工需要繁琐的化学反应,聚乳酸可以像其他塑料那样通过加热熔融来成型,在生产上要方便很多。另外更重要的一点是,人们发现乳酸可以通过淀粉的发酵而得到,这使得聚乳酸的成本显著下降。因此,聚乳酸开始被大量用于生产食品包装、餐具等常规的塑料制品。可以预见,在不久的将来,聚乳酸还将迎来更加迅猛的发展。

在聚乳酸的带动下,近些年来,可降解塑料的队伍愈发庞大。然而细心的人们很快就发现,这其中似乎混进了一些可疑的家伙。

三、环境公害变身环保明星?

虽然聚乳酸在过去的几十年间进步飞速,许多传统的塑料在性能上仍然具有聚乳酸难以企及的优势,那么有没有可能在继续使用这些材料的同时,又设法让它们变得能够被生物所降解呢?一个可能的办法是对自然界进行“拉网式排查”,看看有没有可能在某个此前不为人所知的角落找到能够有效吃掉白色污染的神奇生物。通过这一途径,科学家们还真的收获了不少令人振奋的结果。除了本文开头提到黄粉虫,一个典型的例子是2016 年的关于聚对苯二甲酸乙二醇酯的一项发现。聚对苯二甲酸乙二醇酯通常被认为无法被微生物降解,但就在这一年,日本科学家在一处聚对苯二甲酸乙二醇酯制品的回收工厂中发现了一种此前从未被报道过的细菌,它能够利用体内两种特殊的酶将这种塑料分解为对应的单体对苯二甲酸和乙二醇。这项研究启发科学家们,遍地的塑料垃圾或许已经成了一种新的环境因素,可以帮助我们筛选出那些能够让微生物以塑料为食的基因突变。一年之后,来自英国和西班牙的研究人员还发现大蜡蛾这种昆虫的幼虫可以将聚乙烯降解为乙二醇。研究人员推测,由于大蜡蛾的幼虫以蜂蜡为食,而蜂蜡的化学结构与聚乙烯具有一定的相似性,因此这些毛虫能够以聚乙烯为食也就不奇怪了。

除了寄希望于新的微生物,一些生产厂商还将特殊的添加剂添加到聚乙烯、聚丙烯等难以降解的塑料中,声称这些添加剂能够借助光照、微生物等外界因素,加快塑料的降解。还有的厂家将聚乳酸、淀粉等可降解的塑料与不可降解的塑料混合。这样的塑料在进入市场时,往往也带上了“可降解”的标签。许多曾经的白色污染的罪魁祸首,摇身一变,成了对环境友好的明星材料。

然而这种转变太过突然,让不少人心生疑窦:这些所谓的可降解塑料真的能降解吗?

要回答这一问题,我们必须明确,究竟什么样的塑料可以被称为生物可降解塑料?一般来说,有这样两条标准必须符合:首先,这种材料必须能够在合理的时间内被环境中的微生物降解。因为即便是传统意义上化学性质稳定、难以被微生物分解的塑料,长时间暴露在环境中,仍然可能会发生一定的降解,如果给它们统统贴上可降解塑料的标签,显然是自欺欺人之举。因此,我们希望进入环境中的塑料最好在较短的时间内降解完全,例如几周或者数月是可以接受的。但光是降解完全还不够,如果降解产物是对环境有害的物质,那还不如不降解。因此我们还要加上第二条标准,那就是降解产物必须无毒无害,能够被生物再次利用。

有了这两条标准,市面上五花八门的可降解塑料哪些名实相符,哪些则是滥竽充数的南郭先生,就一目了然了。

(未完待续)

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魏昕宇

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