让塑料变得“高大上”

2018 年 5 月 27 日 中科院之声

塑料随处可见，认真观察一下你就会发现，我们喝水用的杯子、购物用的袋子、盛水果的盘子、手机上的保护套……都是由塑料制造而来的，塑料制品已经成为日常生活中不可或缺的一部分。

但是，塑料在给人类生活带来方便的同时，也带来了大麻烦，由废弃塑料引起的“白色污染”正变得越来越严重。大部分的塑料产品在一次性消费后就会被丢弃，全世界每年有4000万吨的废弃塑料丢在环境中，仅中国每年就会产生200万吨的废弃塑料，大量的废弃塑料在环境中不断积累，已经严重威胁到我们的生态环境。在纪录片《塑料王国》中，我们可以直观地看到塑料给当地居民带来的深刻伤害。

一般来说，处理废弃塑料的方法主要有两种。一是填埋处理，这种方法不仅浪费大量土地资源，塑料在缓慢的降解过程中还会产生各种有毒物质，造成土壤污染；而且，传统塑料在土壤中完全降解，往往需要几十年甚至几百年的时间。二是直接焚烧，这种方法会导致大量温室气体排入大气中，还会产生二噁英等有毒物质造成二次污染。

那么，解决“白色污染”有没有更好的方法呢？答案是肯定的。

用生物可降解塑料替代传统塑料就是一个很好的选择。生物可降解塑料在土壤中最多需要180天就能完全降解，不会产生任何有毒物质。同时，生物可降解塑料的主要原料来源是可再生的生物质资源，生产过程也是绿色环保的。

目前市场上的生物可降解塑料主要是聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA），相关产品的市场也在快速增长。但是，现有的生物塑料产品主要是包装袋、一次性餐具等低端产品，附加值较小。

是什么因素限制了生物塑料的应用呢？主要原因是现有生物塑料的材料性能存在不足。不论是传统的 PLA 还是 PHA，主要由单一物质聚合而来，热力学性能、机械性能等方面都不能满足高端产品的加工和应用。

研究发现，在生物可降解塑料中以一定比例加入其他物质后，可以明显改善原有生物塑料的材料性能。比如对于 PLA 而言，以一定比例加入 D-乳酸的聚合物后，PLA 的拉伸强度、杨氏模量等参数都会得到显著提升，更能满足高端产品的应用。

但是，D-乳酸和 L-乳酸是关系非常好的俩兄弟，经常同时出现在一个地方，想要赶走 L-乳酸，得到聚合级纯度的 D-乳酸可不是一件容易的事情，这可让科研人员伤透了脑筋。

日前，中科院青岛生物能源与过程研究所赵广研究组发现，克雷伯氏菌可以大量合成 D-乳酸。经过重重探索和测试，科研人员首次实现了100%光学纯 D-乳酸的生物合成，生产效率超过了3g/L/h，极大的促进了聚乳酸的改性研究。

不仅如此，研究人员在前期研究中还合成了一种新型 PHA——聚3-羟基丙酸（P3HP），与常见的 PHA 相比，P3HP 的机械性能、生物降解性、生物相容性等更加优异。为了进一步改善 P3HP 的材料性能，科研人员开发了一种细胞内自动调控系统，可以将3-羟基丁酸等其他单体以任意比例和不同方式插入到 P3HP 中，获得不同材料性能的 PHA 产品，极大地拓宽了潜在应用范围。