科技日報記者?張夢然
一種嵌入微生物的新型塑料可幫助減少塑料行業(yè)的環(huán)境足跡。美國加州大學(xué)圣迭戈分校研究人員開發(fā)了一種可生物降解的熱塑性聚氨酯（TPU），它充滿細(xì)菌孢子，當(dāng)暴露于堆肥中的營養(yǎng)物質(zhì)時，會在其生命周期結(jié)束后逐漸發(fā)芽并自身分解。30日發(fā)表在《自然·通訊》上的一篇論文中詳細(xì)介紹了此項研究成果。
利用熱塑性聚氨酯顆粒（左）和枯草芽孢桿菌孢子（右）合成的可生物降解“活塑料”。
在堆肥中5個月的不同分解階段的普通TPU（上）和“活”TPU（下）樣本。
圖片來源：加州大學(xué)圣迭戈分校工程學(xué)院
可生物降解TPU添加的是枯草芽孢桿菌的孢子，這種細(xì)菌具有分解塑料聚合物材料的能力。細(xì)菌孢子是一種休眠形式的細(xì)菌，能抵抗惡劣的環(huán)境條件。與具有生殖能力的真菌孢子不同，細(xì)菌孢子具有保護(hù)性蛋白質(zhì)屏障，使細(xì)菌能在缺乏營養(yǎng)時存活下來。
研究中所用的細(xì)菌孢子經(jīng)過進(jìn)化工程改造，可在TPU生產(chǎn)所需的高溫下存活。研究人員使用一種稱為適應(yīng)性實驗室進(jìn)化的技術(shù)，包括培養(yǎng)孢子，將它們置于極端溫度下適應(yīng)一段時間，讓它們自然變異，然后分離出在此過程中幸存下來的菌株并再次進(jìn)行循環(huán)。
為制造可生物降解塑料，研究人員將枯草芽孢桿菌孢子和TPU顆粒放入塑料擠壓機(jī)，讓這些成分在135℃下混合并熔化，然后擠出薄薄的塑料條。
研究人員評估了材料的生物降解性。他們將樣本放在微生物活性和無菌堆肥環(huán)境中，使溫度保持在37℃，相對濕度在44%—55%之間。堆肥中的水和其他營養(yǎng)物質(zhì)觸發(fā)了樣本內(nèi)孢子的萌發(fā)，在5個月內(nèi)降解了90%。
孢子還可以作為強(qiáng)化填料，類似于鋼筋加固混凝土。添加細(xì)菌孢子造出的TPU機(jī)械性能更強(qiáng)，抗斷裂且拉伸性更好。
研究人員表示，他們正在努力將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到公斤級。目前的重點是在實驗室進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，以驗證可行性。今后將進(jìn)一步優(yōu)化工藝以適應(yīng)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)化細(xì)菌以更快地分解塑料材料，以及探索TPU以外的其他類型塑料。
總編輯圈點：
塑料制品被稱為“白色污染”。它們在自然界的降解周期極其漫長，動輒以百年計。它們會污染土地、水體，是個棘手的大問題。此次，研究人員開發(fā)出了一種新型生物塑料TPU，將塑料和細(xì)菌合為一體。在合適的溫度和濕度下，能夠分解塑料聚合物的菌株開始生長，讓TPU得以分解。當(dāng)然，這種菌株也經(jīng)過了進(jìn)化工程改造，使其可以耐受高溫。不過，“綠色塑料”的工藝目前還停留在實驗室階段，能否實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，還需進(jìn)一步檢驗。
