转载：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：吴婷婷，排版：王落尘，转载经授权发布。
来到海边，你能睇到乜嘢？是蓝天白云、黄金沙滩，仲要是被塑料垃圾缠绕致死嘅海洋生物？睇住桌上色泽诱人嘅食物，你系咪知道微塑料早已渗透进我哋生活嘅方方面面……
我哋从地球上唔断索取资源，仲要畀佢嘅却是堆积如山、难以降解嘅塑料垃圾。
随住环境嘅唔断恶化，近年来人对塑料危害嘅关注度明显提高，各国政府越来越重视塑料垃圾嘅处理，科学家们也投入精力唔断研发塑料降解技术。
呢排，加利福尼亚大学伯克利分校（University of California, Berkeley）嘅科学家就发明一种塑料降解新方法 —— 佢哋将一种可以 “食掉” 塑料嘅酶包裹喺特定分子度，仅喺几周时间内，就能让塑料喺稍高温度和水嘅作用下完全分解，唔仅咁，已分解嘅塑料还会成为土壤微生物嘅养料，真正成为 “可堆肥塑料”，从而解决困扰塑料工业和环保主义者嘅问题。
相关论文 “Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes” 为题，发表喺 Nature 杂志上。
（来源：Nature）
生物可降解，远没有听上去那么容易
1904 年，“塑料之父” Leo Baekeland 发明塑料，呢个畀人类带来极大便利嘅化合物曾一度被称为 “20 世纪最伟大嘅发明之一”。但係到今日，人终于发现：100 年前发明嘅塑料，至少要等 300 多年才能被降解！
当初，塑料被设计为喺正常使用期间唔会分解，呢原本是佢用途广泛嘅一大优势，但唔可降解也同时意味住会污染环境。
为减少环境污染，目前市场上已经存喺以下两种类型嘅 “可降解塑料”：
可降解塑料：可通过物理和生物因素（光或热，或微生物作用）降解，但降解速度慢，仲要可能留下憎水碎片，呢啲憎水碎片迁移到地下水和土壤度，其表面上会吸附并保留一啲高毒性物质。
生物可降解塑料：可被一啲微生物作为食物来获取能量，从而达到完全降解。其下有一个分支被称为 “可堆肥塑料”，是指塑料喺堆肥条件下，通过微生物嘅作用，可喺一定时间内转化成二氧化碳、水及其所含元素嘅矿化无机盐以及新物质。
（来源：UC Berkeley photo by Ting Xu）
一直以来，生物可降解塑料被宣传为可以解决困扰世界范围内塑料污染问题嘅最佳方案。但其实，当今所谓嘅 “可堆肥” 塑料袋、餐具等，只有喺特定条件下才会进行生物降解。
而喺第啲情况下（例如典型嘅花园堆肥和工业堆肥过程），佢们可能会缓慢降解或根本无办法降解，或者会破碎成微塑料，仲要会污染第啲可回收塑料。尤其系好多塑料基本上具有晶体状嘅分子结构，聚合物纤维排列得非常紧密，以至于水都无办法渗透，更唔用说可能会 “咀嚼” 有机分子聚合物嘅微生物。
打开塑料降解开关
为认识决上述问题，让可生物降解塑料真正 “可堆肥”，加州大学伯克利分校材料科学同工程系和化学系徐婷教授团队提出一种新工艺 —— 喺塑料中嵌入以聚酯为食嘅酶，呢啲酶能够有效地将塑料分解成一个个初级结构单元，同时，分解后嘅产物还可以用作堆肥。例如，就聚乳酸（PLA）而言，酶会将其分解为乳酸分子，而喺堆肥过程度，土壤微生物恰恰就以乳酸为食，因而达到真正将塑料降解成天然肥料嘅目嘅。
但呢次研究嘅创新点唔剩只喺于食聚酯酶嘅使用，仲喺度于一种被称为 RHP（random heteropolymers）嘅聚合分子。为让降解过程更加可控，研究团队提出一种新嘅想法：将能够 “食掉” 塑料聚合物嘅纳米级酶嵌入某种材料度，从而隔离并保护呢啲酶，直到合适嘅条件下再让包裹物溶解，从而将酶释放出来。
图 | 徐婷教授
实际上，早喺 2018 年，佢就展示该设想喺实践中嘅作用流程。首先，佢令 RHP 分子围绕住酶并轻轻地将其 “组织” 喺一齐，RHP 由四种类型嘅单体亚基组成，每种亚基嘅化学性质均旨喺同特定酶表面嘅化学基团相互作用。呢种包裹物剩系要要作用于紫外线之下就会降解，并且其浓度远低于塑料重量嘅 1％，绝唔会对环境造成污染。
（来源：Science）
而后喺本次研究度，徐婷和佢嘅团队使用类似嘅技术：将酶包裹喺 RHP 度，并将数十亿个此类纳米粒粒嵌入塑料树脂珠中。“如果仅将酶放置喺塑料表面，佢降解塑料化合物嘅速度就会非常缓慢。如果让佢喺纳米范围内分布，噉样从本质上讲，每个酶分子都剩系要要吞噬同其相邻嘅聚合物，噉样成个材料就会迅速分解掉。”
图 | (a) 喺塑料表面直接嵌入酶会形成断链，降解速度缓慢；（b）以 RHP 包裹酶，酶喺纳米范围内被限制喺同聚合物链端嘅位置，降解效果显著提升。
实验发现，由 RHP 和酶结合而成嘅纳米粒粒仍具有塑料特性，并可以喺 170℃（338 华氏度）嘅温度下熔融并迫压成类似于普通聚酯塑料嘅化合物。
那么点样将酶释放出来，打开降解嘅 “开关” 呢？其实好简单！要触发降解机制，剩系要使其遇热遇水即可。
实验表明，喺室温条件下，约一周时间内，80％嘅 PLA 纤维完全降解。较高温度下降解速度则更快，喺 50℃（122 华氏度）嘅工业堆肥条件下，PLA 喺 60 天内即可降解完成。另一种聚酯塑料 PCL（聚己内酯）则喺 40℃（104 华氏度）嘅工业堆肥条件下，喺两天内完全降解。
图｜嵌入脂肪酶嘅 PCL 塑料段，喺 40℃条件下浸泡于水度，24 个钟头后可以明显睇出降解情况，36 个钟头内降解为小分子，瓶中已睇唔出塑料踪迹，接近完全转化。（来源：论文）
也就是说，科学家们完全可以利用呢种技术，制造出降解过程可控、真正可堆肥嘅塑料。唔仅咁，实验中嵌入 PLA 嘅酶为蛋白酶 K，嵌入 PCL 嘅酶则为脂肪酶，呢两种酶都非常廉价且容易获得。
图 | 含酶 PCL（左）和 PLA（右）喺 ASTM 标准堆肥中容易分解（来源：论文）
one more thing
喺呢次研究度，研究团队还注意到可能出现嘅问题：如果唔小心让呢种可堆肥塑料遇水遇热触发降解机制，系唔系反而会对人嘅生活造成唔便？
其实唔用担心。据研究人员所说，嵌入酶嘅聚酯塑料喺较低温度或短暂潮湿时并唔会降解。例如，只要温度唔系好高，用呢种工艺制成嘅聚酯纤维衬衫能够经受汗水浸湿和水洗，边怕室温条件下喺水中浸泡三个月，都唔会导致衣物降解。
该技术嘅另一个好处喺于，有时人希望喺家中堆肥而唔弄脏手，呢一点喺使用呢种可堆肥塑料之时完全唔用担心。“剩系要要将自来水加热到合适嘅温度，然后将废弃唔用嘅塑料放进去，几天后你就会发现佢消失嘎啦。”
目前，徐婷嘅研究团队正喺度开发可以降解第啲类型聚酯塑料嘅 RHP 包裹型酶，同时也正喺度对 RHP 进行改性，以便可以将呢种降解工艺，人为设定成可以喺特定点停止，而唔完全破坏材料。
要知道，程序性降解可能系回收好多物体嘅关键。想像一下，使用生物可降解嘅胶水组装计算机电路或者成个电话或电子设备，然后，当人用完佢们后，剩系要要像打开 “开关” 一样将胶水溶解，设备零件就能毫发无损嘅散开，于是所有部件都可以重复使用。如果该技术能够实现，可以说是意义非凡嘅。
参考资料：
cantonese.live 足跡 粵字翻譯
2021-04-26 15:06:45
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