正文

、‘、；；；；#00958C

认真阅读下面的文章，并思考文末互动提出的问题，严格按照 互动：你的答案 格式在评论区留言，就有机会获得由机械工业出版社提供的优质科普书籍《菌群大脑：肠道微生物影响大脑和身心健康的惊人真相》。

20世纪50年代石油繁荣时期，化学家开始将炼油废料转化为塑料制品——塑料包装、塑料家具、可织成合成布的塑料纤维。这些材料具有可塑性、柔韧性，同时又 坚固耐用，被誉为一项伟大发明。此后数十年间，全球塑料年产量激增：人类已累计生产80亿吨塑料制品。

委婉地说，这股塑料热潮也带来了诸多问题。全球超过半数塑料制品（约50亿吨）以碎片形式散布在地表。每天有超过1万吨塑料垃圾进入海洋。塑料神奇的耐久性成就了它，如今却也因此成为顽固的污染源。

不过，平心而论，塑料确实改变了世界。从汽车、手机到计算机，诸多重要技术都依赖塑料材料。泡沫塑料隔热材料使房屋能效提升200倍，塑料薄膜显著延长了易腐食品的保质期。

华盛顿大学物理学家Eleftheria Roumeli在《材料研究年度评论》2023年关于可持续聚合物的研究中指出："将塑料视为人类最恶劣的发明进行妖魔化有失公允，这其实是工程智慧的结晶。"

她认为，与其完全抛弃塑料，我们不如寻找一种更好、更友好的替代品 —— 既保持现代塑料的延展性和柔韧性，又采用可持续生物原料，并能实现环境友好型降解。这意味着我们需要彻底重新思考塑料的生产方式。

2019年，名为Korvaa的实验性科研合作项目成功研制出"全球首款微生物培育头戴式耳机"。该装置包含刚性结构、泡沫缓冲层和织物覆盖层等不同形态的组件，所有材料均采用生物基原料制备。图片来源：AIVAN

从单体到聚合物

当前塑料生产方法包含两大步骤：先分解（裂解），再重组（聚合）。

分解过程——即“裂解”，在高温高压下进行——将精炼石油原料转化为名为单体的简单分子。这些分子成为重组产物的骨架。生成的链状或网状结构被称为聚合物，构成所有塑料的基础结构组分。

但塑料生产尚未完成。接下来需加入添加剂——着色剂、阻燃剂和填料。材料科学家需考量多种变量，从“硬度”到“撕裂强度”再到“拉伸模量”，这些指标反映塑料在不同应力下的表现。最关键添加剂通过调整聚合物链间键合来调控这些特性。例如被称为增塑剂的化学物质嵌入链间以提升柔韧性，但代价是塑料更易撕裂。

通过调配聚合物与添加剂，化学家们最终制成复合材料，用于食品包装膜、饮料瓶、化妆品微珠，甚至作为柔性水凝胶——比如附着于角膜的隐形眼镜形式来矫正视力。通过化学手段，单一聚合物如聚氯乙烯（PVC）既可制成刚性雨水管，也可制成衣物。

研究者正在探索如何从生物质生产单体与聚合物，以及如何将完整生物体及组织用作原料。单体等小分子原料单元需更多加工，但更易用于现有生产设施。塑料生产占全球化石燃料消耗的8%——据估算，到2050年该比例可能升至20%。但在石油工业兴起前数十年，化学家已用燕麦壳废料、植物油等材料制造"合成"塑料。实现更可持续塑料的路径之一是回归此类生物源材料。

例如2006年，巴西石化企业Braskem启动试验，研究能否经济地将糖转化为乙烯——大宗塑料生产中最重要的单体。至2010年，Braskem开始销售"全生物基"聚乙烯塑料（下面简称生物基-PE）。

该材料的最大优势是甘蔗生长时会固定大气中的碳。由于生物基-PE在结构上与化工合成PE无异，故易应用于食品包装、化妆品和玩具等领域。但化学结构相同也带来问题。由于聚乙烯不存在于自然环境中，很少有微生物能进化出分解其分子键的能力。因此生物基-PE无法解决废弃物问题。换言之，此"生物塑料"，不意味着本质上的可持续性。

"这些术语缺乏充分监管与明确定义，导致了诸多混淆"，莱斯大学贝克研究所能源与可持续发展研究员Rachel Meidl表示。

Meidl将塑料及其替代品分为四个象限：一轴表示材料来源（生物基/石油基），另一轴表示下游归宿（可生物降解/不可降解）。但即使处于最佳象限的材料 —— 既是生物基的又是可生物降解的 —— 也不一定是万金油。"可生物降解"仅指材料能被微生物分解，即便结果是产生微塑料碎片。理想的材料不仅需要具有可生物降解的性质，还需要是可堆肥的——即能降解为对动植物无害的有机物组分的某种要求更高的材料。

不幸的是，可堆肥性难以实现。大家必然接触过聚乳酸（PLA）制成的可堆肥餐具与外卖饭盒。作为最常见的生物基塑料，PLA理论上可堆肥，但需要特定工业设施条件，而当前此类设施数量不足。由于当前PLA餐盒多与厨余垃圾混杂，堆肥者不得不耗费时间分拣二者。

改进塑料的途径之一是 寻找更优的生物基单体。2020年加州科学家团队宣布从藻类油脂中分离出多元醇单体，然后重组为可用于商业鞋类的泡沫塑料。该材料在土壤中能有效降解。不过，一些科学家认为应放弃高耗能的"分解-重组"两步法标准工艺。塔夫茨大学生物医学工程师David Kaplan指出，自然界本就提供了有潜力的可堆肥聚合物。由于它们降解时间尺度不同，选择合适的聚合物或进行调控，就能制造适应不同应用的材料。

以纤维素为例——这种植物细胞壁中最常见的生物聚合物。其本质是糖分子链，但这些链会形成纳米纤维，进而聚集成微纤维，最终形成肉眼可见的大纤维（如芹菜中的丝状结构）。材料科学家称此为层级结构。

相比之下，合成聚合物通常经漏斗压制挤出为均质团块。其结果是分子之间形成了“强而硬的键”，卡普兰说道。“生物学中很少有这种现象。” 相反，生物聚合物的键要弱得多——通常是将一个聚合物分子中的氢原子与另一个分子中的氢原子连接起来的静电相互作用，但这种相互作用的密度非常高

然而，深入理解这些结构后，工程师可改良生物材料。研究表明纤维素纤维越细，抗拉强度越高，即在张力下更抗断裂。表面积的增加使氢原子更易动态建立/断开相邻链间键合。

细胞级利用策略

既然放弃使用单体，即省去塑料生产中的一整个环节，何不再进一步？一些材料科学家正实践Kaplan提出的"自下而上设计"：直接利用整个细胞或其他生物材料制造生物塑料，无需分解提取。

例如，Roumeli开发藻类细胞潜力：其尺寸微小，易操控，且富含蛋白质（生物聚合物）及其他有用物质。她与团队将藻粉经热压机处理。经过多次试验，通过调整热压时间、温度与压力（均影响分子键合方式），最终制得强度优于大宗商品塑料的材料。

这种材料还可以回收利用：它可以被磨成粉末并再次压制成型。（测试显示每次回收后强度会下降一些，合成塑料亦如此。）若随意丢弃于土壤，其分解速度与香蕉皮相当。

华盛顿大学研究者将蓝藻（螺旋藻）细胞热压成生物塑料，其强度超越多数应用需求，且可家庭堆肥。

Kaplan在蚕丝领域开展类似研究——传统认为蚕丝脆弱不耐热加工，担心氢键受热断裂导致炭化甚至燃烧。然而，2020年Kaplan团队证明蚕丝粒可像塑料般注塑成型，从那以后，他发现整个茧也可以通过这种方式进行加工。

Roumeli称这类材料是双赢的：可再生、无化石燃料依赖、生长期固碳、完全生物降解。"唯一劣势是经济性与可扩展性"。她说。

或许，新方法最大痛点在于其创新性导致当前成本高昂。降低成本需利用现有生产设施，避免初创企业承担巨额设备投资。阿姆斯特丹大学化学家Gadi Rothenberg指出，现有工厂主可能会认为生物复合材料过于不纯，甚至是“垃圾”。

罗森伯格指出，用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，即用于制作汽水瓶的塑料）的原料中，每10万分子仅含1个非目标单体。生物材料鲜有此等纯度。

制造商倾向选择成熟方案而非创新材料。Rothenberg开发植物基聚合物，他认为可无缝替代家具材料。但当他首次将这种材料带给公司时，“最初企业根本不愿了解"，他坦言。数据显示，化学等同的甘蔗基PE生产成本高30%，注重利润的企业仍选择传统产品。

如今，欧洲塑料协会数据显示，生物基塑料当前市场份额不足1%。"生物基聚合物需实现经济性平价才有前景"，Rothenberg强调。他认为政府需核算传统塑料真实成本（碳足迹+污染治理）后，可持续材料才会被广泛采用。

但前沿科学家保持乐观，Roumeli指出“如今最便宜、生产最多、消费最多的塑料”——曾经也是一种新奇事物。Kaplan坚信“所有这些前体和聚合物都将通过生物方式制造，或者以真正的循环性为出发点。”

“但我们还没到那一步，”他补充道。问题在于，塑料污染与气候变暖留给人类的时间不多了。

作者：Boyce Upholt

翻译：Chocobo

审校：7号机

原文链接：Toward truly compostable plastic

福

利

shi

时

jian

间

今天我们将送出由机械工业出版社提供的《菌群大脑：肠道微生物影响大脑和身心健康的惊人真相》。

21世纪医学研究发现——肠道微生物是守护人类健康的超级英雄，它们维护着大脑及整体身心健康，重要程度等同于心、肺、大脑。研究表明，肠道菌群的平衡与多种疾病的发生密切相关，包括过敏、哮喘、慢性疲劳、疼痛综合征、情绪障碍、代谢性疾病（如肥胖和糖尿病）以及神经退行性疾病（如痴呆）。环境因素、饮食习惯和心理压力是导致肠道菌群失调的主要外部因素。通过实施科学的饮食调整、生活方式改变及特定的干预措施，可以在数周内显著改善肠道菌群结构，进而促进大脑功能及整体健康状态的提升。本书作者提供全面实用的指导方针，来改善你的肠道、大脑乃至整体健康。

【 互动问题：你知道生物基塑料有哪些优势吗？】

请大家严格按照 互动：问题答案 的格式在评论区留言参与互动，格式不符合要求者无效。

截止到本周四中午12：00，参与互动的留言中点赞数排名第二、三、五的朋友将获得我们送出的图书一套（点赞数相同的留言记为并列，下一名次序加一，如并列第二之后的读者记为第三名，以此类推）。

为了保证更多的朋友能够参与获奖，过往四期内获过奖的朋友不能再获得奖品，名次会依次顺延

*本活动仅限于微信平台

编辑：7号机

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

扫码进入“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。