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Natural:华裔生物学家发明者塑胶水解生产工艺最慢三天内完全降解

发布日期:2022-01-17 16:45 来源:黄金城APP

  来到海边,你能看到什么?是蓝天白云、黄金沙滩,还是被塑胶废弃物缠绕致死的海洋微生物?看着桌上色泽诱人的食材,你是否知道微塑胶早已渗入进我们生活的方方面面......

  随着环境的不断恶化,近年来现代人对塑胶危害的关注度明显提高,各国政府越来越重视塑胶废弃物的处理,微生物学家们也投入精力不断研发塑胶水解控制技术。

  近日,加利福尼亚大学柏克莱(University of California, Berkeley)的微生物学家就发明者了一类塑胶水解新方法 ——他们将一类能 “吞下” 塑胶的酶包覆在某一大分子中,仅在几周天数内,就能让塑胶在稍高环境温度和水的促进作用下全然降解,除此以外,已降解的塑胶还会成为沉积物细菌的养料,或者说成为 “可沼气塑胶”,进而化解了所苦塑胶轻工业和和平主义者的难题。

  1904 年,“塑胶之父” Leo Baekeland 发明者了塑胶,这个给人类带来极大便利的氧化物曾一度被称作 “20 世纪最伟大的发明者之一”。然而到了今天,现代人终于发现:100 年前发明者的塑胶,至少要等 300 多年才能被水解!

  当初,塑胶被设计为在正常采用期间不会降解,这原本是它用途广泛的一大优势,但不可水解也同时意味着会环境污染环境PTA塑胶手动配混料控制系

  可水解塑胶:可通过物理和微生物因素(光或热,或细菌促进作用)水解,但水解速率慢,还可能留下憎水碎块,这些憎水碎块迁移到地下水和沉积物中,其表层上会吸附并保留一些高毒性物质。

  微生物可水解塑胶:可被一些细菌作杂食材来获取能量,进而达到全然水解。其下有一个分支被称作 “可沼气塑胶”,是指塑胶在沼气前提下,通过细菌的促进作用,可在一定天数内转化成二氧化碳、水及其所含元素的矿化无机盐以及新物质。

  一直以来,微生物可水解塑胶被宣传为能化解所苦世界范围内塑胶环境污染难题的最佳方案。但其实,当今所谓的 “可沼气” 塑胶袋、餐具等,只有在某一前提下才会进行微生物水解。

  而在其他情况下(例如典型的花园沼气和轻工业沼气操作过程),它们可能会较慢水解或根本无法水解,或者会破碎protons塑胶,还会环境污染其他可回收塑胶。尤其是很多塑胶基本上具有晶体状的大分子结构,树脂水溶性排列得十分紧密,以至于水都无法渗入,更不用说可能会 “咀嚼” 有机大分子树脂的细菌。

  为了化解上述难题,让可微生物水解塑胶或者说 “可沼气”,加州大学柏克莱材料科学与工程系和化学系徐婷教授项目组提出了一类生产工艺 ——在塑胶中内嵌以聚丙烯杂食的酶,这些酶能够有效地将塑胶降解成一个个初级结构单元,同时,降解后的产物还能用作沼气。例如,就聚葡萄糖(PLA)而言,酶会将其降解为葡萄糖大分子,而在沼气操作过程中,沉积物细菌恰恰就以葡萄糖杂食,因而达到或者说将塑胶水解成天然肥料的目的。

  但此次科学研究的创新点不仅仅在于食聚丙烯酶的采用,还在于一类被称作 RHP(random heteropolymers)的聚合大分子。为了让水解操作过程更加受控,科学研究项目组提出了一类捷伊想法:将能够 “吞下” 塑胶树脂的奈米级酶内嵌某种材料中,进而隔离并保护这些酶,直到合适的前提下再让包覆物溶解,进而将酶转化成。

  实际上,早在 2018 年,她就展示了该设想在实践中的促进作用流程。首先,她令 RHP 大分子围绕着酶并轻轻地将其 “组织” 在一起,RHP 由四种类型的单体核糖体组成,每种核糖体的化学性质均旨在与某一酶表层的化学基团相互促进作用。此种包覆物只需要促进作用于紫外线之下就会水解,并且其浓度远低于塑胶重量的 1%,绝不会对环境造成环境污染。

  而后在本次科学研究中,徐婷和她的项目组采用了类似的控制技术:将酶包覆在 RHP 中,并将数十亿个此类奈米微粒内嵌塑胶树脂珠中。“假如仅将酶放置在塑胶表层,它水解塑胶氧化物的速率就会十分较慢。假如让它们在奈米范围内分布,所以从本质上讲,每个酶大分子都只需要吞噬与其相邻的树脂,所以整个材料就会迅速降解掉。”

  图 (a) 在塑胶表层直接内嵌酶会形成腹满,水解速率较慢;(b)以 RHP 包覆酶,酶在奈米范围内被限制在与树脂链端的位置,水解效果显著提升。

  试验发现,由 RHP 和酶结合而成的奈米微粒仍具有塑胶特性,并能在 170℃(338 摄氏度)的环境温度下熔融并挤压成近似于普通聚丙烯塑胶的氧化物。

  所以如何将酶转化成,打开水解的 “开关” 呢?其实很简单!要促发水解监督机制,只需使其受热受热方可。

  试验表明,在室温前提下,约一周天数内,80%的 PLA 水溶性全然水解。较高环境温度下水解速率则更快,在 50℃(122 摄氏度)的轻工业沼气前提下,PLA 在 60 天内方可水解完成。另一类聚丙烯塑胶 PCL(聚己内酯)则在 40℃(104 摄氏度)的轻工业沼气前提下,在三天内全然水解。

  图|内嵌脂类的 PCL 塑胶段,在 40℃前提下浸泡于水中,24 小时后能明显看出水解情况,36 小时内水解为小大分子,瓶中已看不出塑胶踪迹,接近全然转化。(来源:学术论文)

  也就是说,微生物学家们全然能利用此种控制技术,制造出水解操作过程受控、或者说可沼气的塑胶。除此以外,试验中内嵌 PLA 的酶为蛋白酶 K,内嵌 PCL 的酶则为脂类,这两种酶都十分廉价且容易获得。

  图 含酶 PCL(左)和 PLA(右)在 ASTM 标准沼气中容易降解(来源:学术论文)

  在此次科学研究中,科学研究项目组还注意到了可能出现的难题:假如不小心让此种可沼气塑胶受热受热促发了水解监督机制,是不是反而会对现代人的生活造成不便?

  其实不用担心。据科学研究人员所说,内嵌酶的聚丙烯塑胶在较低环境温度或短暂潮湿时并不会水解。例如,只要环境温度不是很高,用此种工艺制成的聚丙烯水溶性衬衫能够经受汗水浸湿和水洗,哪怕室温前提下在水中浸泡三个月,都不会导致衣物水解。

  该控制技术的另一个好处在于,有时现代人希望在家中沼气而不弄脏手,这一点在采用此种可沼气塑胶之时全然不用担心。“只需要将自来水加热到合适的环境温度,然后把废弃不用的塑胶放进去,几天后你就会发现它消失了。”

  目前,徐婷的科学研究项目组正在开发能水解其他类型聚丙烯塑胶的 RHP 包覆型酶,同时也正在对 RHP 进行改性,以便能将此种水解工艺,人为设定成能在某一点停止,而不全然破坏材料。

  要知道,程序性水解可能是回收许多物体的关键。想像一下,采用微生物可水解的胶水组装计算机电路或者整个电话或电子设备,然后,当现代人用完它们后,只需要像打开 “开关” 一样将胶水溶解,设备零件就能毫发无损地散开,于是所有部件都能重复采用。假如该控制技术能够实现,能说是意义非凡的。


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