在生物塑料中添加酶可以使其消失

由于大量不同的塑料进入水道，需要数百年才能分解，塑料污染和微塑料几乎遍布地球上的每个角落，从空气到海洋，数量庞大。可堆肥塑料，如玉米制成的塑料杯和吸管，有时被吹捧为可行的解决方案，但如果没有基础设施将它们适当地转化为堆肥，它们最终可能会被填埋。

为了防止海洋中塑料含量进一步增加，科学家们正在寻找让塑料快速分解并将其融入塑料配方的关键。加州大学伯克利分校材料科学与工程和化学教授 Ting Xu 和她的研究小组研究了生物可利用的解决方案，这些解决方案将使一次性塑料在容易实现的条件下进行生物降解。在一项新研究中，他们描述了他们如何在可以嵌入生物塑料的酶上使用创新的聚合物涂层，使其更容易在家中堆肥。

“所以我一直相信生物学教会了我们一切……我们只需要适应它，”徐说。她说，可生物降解只是意味着塑料聚合物具有可以以某种方式破坏的化学骨架。她的实验室的新研究表明，他们已经找到了一种利用生物学的方法，即利用常见的酶和聚合物涂层来制造在暴露于热和水时可以降解的塑料。

这种新型、易于生物降解的塑料是在塑料制造过程中将酶编织在随机异质聚合物中制成的。这些聚合物简称为 RHP，它们包裹着酶，这样酶就不会分解并变得无用。徐说，以前在没有 RHP 帮助的情况下埋藏酶的尝试会在塑料中形成大块团块，使这种材料“变得几乎像羊乳酪”。

一旦塑料变湿，聚合物包装就会脱落，释放出酶，开始“吃掉”塑料。在这项研究中，他们用两种用于生物降解塑料的聚酯聚合物测试了这一过程：聚己内酯和聚乳酸。添加包裹在 RHP 中的酶不会改变塑料的特性，但仍会使它们在达到其有用产品生命周期的末期时迅速降解。80% 的聚乳酸纤维在室温水中放置一周内就会降解。在更高的工业堆肥温度 104 华氏度下，聚己内酯在两天内就会降解。

虽然这项研究在两种不同类型的聚酯聚合物上测试了两种不同的酶，但密歇根州立大学化学工程和材料科学教授拉马尼·纳拉扬（未参与这项研究）指出，有些酶在足够高的温度下会停止工作，因此这种方法在实践中可能效果不佳。徐说，这些特定的酶似乎在塑料制造的高热下仍能很好地发挥作用。但研究人员将测试在更高温度下制造的其他塑料，看看这些酶能承受多少。

未来，这些酶将被添加到新的塑料中——那些已经放在垃圾桶里的垃圾不会因为酶被扔在上面而受益匪浅。如果酶只是放在塑料上面，它们能起作用的表面积就有限了。塑料的结构也使其难以分解。“可生物降解塑料是半结晶的，”徐说，这使得酶很难到达并分解塑料结构。将酶加入塑料结构本身可以让酶接触到这些更有组织的链。

Narayan 表示，重要的是要认识到塑料的分解不仅仅是塑料本身的特性，还与塑料最终所处的环境条件有关。有必要同时考虑塑料和塑料最终所处的环境，而不是“独立于接收生物系统而进行聚合物改性”。这意味着对可生物降解塑料的研究不仅需要评估材料的降解情况，还需要评估其设计分解环境的特征。例如，设计为在工业堆肥设施中分解的塑料在被倾倒在淡水中时不会有相同的表现，但这并不意味着它不可生物降解。毕竟，如果没有在合适的温度下烹饪，即使是最好的食谱也会变得很糟糕。

幸运的是，徐说，使这种塑料如此可降解的酶并不昂贵。她的一位前学生还成立了一家公司，他正试图花更多时间开发这些可生物降解的塑料，以便有朝一日，工业合作伙伴甚至消费者都能参与到更可持续的一次性塑料配方中来。