几乎所有塑料都源自化石燃料，大量使用塑料会造成严重的空气污染、土地污染、海洋污染以及气候变化等。据统计，石油塑料材料每年排放 8.5 亿吨温室气体，每年约有 5320 亿磅塑料被填埋或焚烧，每年约有 180 亿磅塑料流入海洋。
塑料污染已成为一个重大的全球性问题，人类普遍使用塑料的一个主要后果是微塑料（微塑料颗粒）的产生。这是直径小于 5 毫米的塑料颗粒，会持续存在于环境中。
2022 年世界卫生组织发布的一份微塑料报告指出，微塑料无处不在，在海洋、空气、土壤以及食品和饮料中都能发现微塑料。研究表明，微塑料可能对生态系统、动物和人类造成重大危害。
针对这一情况，一种可行的方法是开发自然环境中可完全生物降解的新型塑料。近日，一家位于加利福尼亚州的生物基塑料研发公司 Algenesis 联合加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员共同验证了其生物基微塑料产生的微塑料可 7 个月内生物降解。
在研究中，科研团队利用生物基、可生物降解的热塑性聚氨酯 (TPU-FC1) 生成了微塑料颗粒，并通过直接可视化和呼吸测量法等手段证明了这种材料具有快速生物降解的能力。
（来源：Scientific Reports）
这项研究已发表在 Scientific Reports 上。论文的通讯作者是 Algenesis 的科学事务副总裁 Ryan Simkovsky，他在 MIT 获得生物学博士学位，此前曾在 UCSD 担任项目科学家，并在许多由美国能源部资助的项目中担任联合 PI；主要作者还包括 Stephen Mayfield，他是 Algenesis 的联合创始人兼首席执行官，也是 UCSD 的生物学教授、加州藻类生物技术中心主任，也是一名生物技术领域成功的企业家。
“我们才刚刚开始了解微塑料对环境和健康的影响，对其认识还比较浅。我们需要寻找现有材料的替代品，并确保这些替代品可以在用完后快速降解掉，而不是聚集在环境中。”
▲图 | 左为 Ryan Simkovsky，右为 Stephen Mayfield（来源：公司官网）
7 个月内可几乎完全生物降解
聚氨酯是一类嵌段聚合物，已广泛用于各种产品，包括泡沫垫、粘合剂、涂料和合成纤维。聚氨酯聚合物由多元醇和异氰酸酯组成，这两种化学物质反应会产生氨基甲酸酯键（carbamate bond）。
氨基甲酸酯可在自然界中快速代谢，包括在血红蛋白和 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCo）中，因此其适合制造可生物降解的聚合物。在水解酶活性条件下，含有酯键和聚氨酯键的聚氨酯聚合物具有快速和完全生物降解的潜力，而当前应用于塑料中的聚醚多元醇由于醚键不易生物降解。
基于此，研究人员推断聚酯聚氨酯产生的微塑料可能会在环境中迅速降解，从而不会在自然环境中持续存在。为了验证这一假设，该团队通过研磨将生物基热塑性聚氨酯（TPU-FC1）生成微塑料，并使用多种方法确认这些微塑料是否在家庭堆肥条件下快速生物降解。
▲图 | 生成微塑料颗粒并跟踪其在堆肥中的生物降解（来源：上述论文）
首先，研究团队使用了水浮法（water flotation）。在 90 天和 200 天的间隔中，几乎 100% 的石油基微塑料被回收，这意味着它们都没有被生物降解；另一方面，90 天后，只有 32% 的藻类微塑料被回收，这表明超过 2/3 的藻类微塑料已经被生物降解。200天后，只回收了 3% 的藻类微塑料，97% 的藻类微塑料被降解。这表明这种植物基聚合物在 200天内（7个月）几乎被完全降解。
然后，采用了呼吸测量法。当微生物分解堆肥材料时，它们会释放二氧化碳，而呼吸计会测量二氧化碳。将这些结果与纤维素的分解进行了比较，研究团队发现植物基聚合物与纤维素的降解几乎一致，纤维素的分解被认为是 100% 生物可降解性的行业标准，在 200 天时达到 76% 的 CO₂ 释放量。
“呼吸测定法证实了生物基 TPU-FC1 材料的生物降解性，并证明生物降解的方法之一是将微塑料中的碳转化为 CO₂。”
接下来，为了确定生物降解的微生物，该团队使用 TPU-FC1 作为唯一的碳和能源进行微生物富集。通过富集，分离出属于红球菌属的细菌菌株，该菌株仅在 TPU-FC1 上快速生长。使用该红球菌菌株的饲喂研究表明，这种微生物可以将 TPU-FC1 材料解聚成起始单体，而这些单体材料则会快速被红球菌和其他微生物降解。
最后，得出生物基 TPU-FC1 完全可生物降解结论之后，研究团队探索了这种材料的潜在应用方向。该团队指出，TPU-FC1 可应用于 防水和/或密封的织物涂层、手机壳塑料制品。还表明，由这些材料制成的原型产品在家庭堆肥条件下可生物降解。
“微塑料的产生是使用塑料不可避免的结果，我们相信，通过采用可生物降解的材料替代品减轻这些颗粒在环境中持久存在，会是未来绿色循环经济的一种很可行的选择。”
UCSD 教授创办，专注多种微藻生物基材料
“创造一种以石油基塑料的环保替代品只是实现可行性漫长道路的一部分。目前面临的挑战是，如何将这种新材料应用到现有传统塑料制造的设备中，这正是 Algenesis 的目标，我们正在取得进展。”
Algenesis 是一家成立于 2016 年的生物基材料研发公司，由 Stephen Mayfield 等来自 UCSD 的科学家共同创办。这是 Stephen Mayfield 成立的第四家生物技术公司，此前他还创办了 Rincon Pharmaceutical、Sapphire Energy 以及 Triton Health and Nutrition。
他的研究重点是绿藻的分子遗传学，以及利用藻类作为生产平台生产高价值重组蛋白和生物制品。他在生物燃料方面的开创性工作帮助创建了藻类多元醇的供应链，藻类多元醇是生物聚合物的关键原材料之一。2014 年，当生物燃料市场因油价低廉而受到打击时，Stephen Mayfield 将目光转向了约 300 亿美元的聚合物市场。
“传统的石油塑料造成了空气、土地和海洋污染，破坏了生态系统并伤害了野生动物，我们希望缓解这些问题。”
根据 Algenesis 的描述，公司专有的 Soleic™ 技术就是为了解决全球塑料污染危机而开发的。Soleic™ 专利技术是全球首个由植物制成的高性能、可再生且完全可生物降解的塑料材料技术，建立在 Stephen Mayfield、Michael Burkart、Skip Pomeroy 带队 5 年的研究基础上，基于 Soleic™ 可开发由植物制成的完全可生物降解的聚氨酯塑料。
▲图 | SOLEIC™ 生物降解过程（来源：公司官网）
具体生产流程大体分为四个部分，从藻类和其他生物来源中获取藻油和其他原材料，在加州大学圣地亚哥分校的实验室将这些原材料在分子水平上设计成定制生物塑料，设计分子的化学键可以被自然界中的微生物降解，一旦在实验室中获得稳定的生物塑料，就会使用这些材料设计相关产品。
该公司正在与多家公司合作开发植物基聚合物的产品，最初的产品是用于冲浪板的硬泡沫和鞋类的软泡沫，还包括用于涂层织物的 Trelleborg 和用于生产手机壳的 RhinoShield。这家公司表示，还在开发新技术，以在多个行业中提供产品。
“目前我们的泡沫中生物含量为 52%，但我们的目标是生产生物含量为 98% 的泡沫，且这些泡沫都是完全可生物降解的。”
素材来源官方媒体/网络新闻
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