中国研究人员开发出可完全降解的可切换活性塑料

该研究发表于《ACS应用聚合物材料》期刊。研究描述了一种嵌入了工程化枯草芽孢杆菌休眠孢子的聚己内酯基质。在正常情况下，该材料的性能与普通塑料无异。施加触发条件后，孢子会被激活。

细菌系统如何运作

该设计依赖于两种细菌菌株的协同作用。第一种菌株产生一种酶，能将长链聚合物切割成较短的片段，从而在材料中形成新的攻击入口。第二种酶则从这些片段的末端进行攻击。两种菌株共同作用，加速聚合物的分解，直至最终只剩下小分子。

这种两阶段机制解决了许多可生物降解塑料普遍存在的一个问题。标准的可生物降解塑料在完全降解之前往往会发生碎片化，这些碎片会以微塑料的形式残留在土壤和水中。据研究团队称，深圳的这种材料能够完全降解，不会留下此类残留物。

聚己内酯是一种相对易降解的聚酯。它已应用于3D打印耗材和可吸收手术缝合线中。尽管如此，它与目前全球塑料垃圾中占主导地位的聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）仍有一定差距。即便如此，该实验仍然提供了一个有用的基准结果。嵌入孢子的薄膜保持了与标准聚己内酯相当的机械性能。添加活菌并未削弱材料在其活性期间的强度。

激活仍需实验室条件

触发条件受到严格控制。实验中，研究人员将塑料薄膜置于温度约为50摄氏度的温热营养液中。孢子随后被激活，薄膜在六天内完全分解。

这些条件与自然环境中的情况相去甚远。一块被丢弃的活性塑料不会在垃圾填埋场、河流或堆肥箱中降解。激活需要人为干预。这一限制虽然制约了其近期应用，但也减少了一个担忧：使用或储存过程中过早降解。

研究团队还利用这种“生物塑料”制造了一种可穿戴电极。该电极能够检测人体手臂的肌肉信号。触发后，电极会在大约两周内降解，而铜制电路则保持完好。这种将可降解聚合物与可回收金属分离的方法，为处理一次性电子产品提供了一种潜在途径，因为目前电子产品中混合材料的回收利用难度较大。

这项研究在更广泛的研究领域中处于什么位置

深圳的这项研究借鉴了日益丰富的合成生物学研究成果。2019年发表在《自然·化学生物学》上的一项研究表明，枯草芽孢杆菌孢子可以在3D打印材料内部存活，并对裂纹等表面变化做出反应。近期发表在《自然·化学工程》上的一项研究发现，基于孢子的活性塑料可以耐受高温和有机溶剂。这一发现对于工业加工环境具有重要意义，因为在这些环境中，标准的生物降解材料往往失效。

深圳的原型机是一个概念验证装置，但目前尚无法解决占全球废弃物最大比例的塑料问题。要将该方法推广到通用聚合物，并在实验室外开发出实用的活化系统，还需要大量的后续工作。

对于关注塑料污染的投资者和政策制定者而言，关键问题在于按需降解技术最终能否大规模地融入产品设计。短寿命产品是环境污染的主要来源之一，例如医疗器械、可穿戴传感器、农用薄膜和一次性包装。如果有一种材料在使用过程中保持稳定，并在指令下完全降解，则可以降低报废处置成本和监管责任。

这项研究尚未解答这个问题。但它确实提供了证据，表明生物材料可以完全降解，在使用过程中保持功能特性，并可应用于电子产品中。这些结果此前都存在不确定性。

气候和生物多样性专家长期以来一直将微塑料污染视为一种日益严重的环境风险。聚合物碎片会在海洋生态系统、农田土壤和人体组织中积聚。监管机构和研究人员越来越要求的是微塑料的完全降解，而非碎片化。深圳的这项研究展示了一条实现这一目标的可靠途径，尽管距离商业应用仍有相当大的差距。