海水降解塑料研发,任重道远

光明日报

2021-12-23 04:40《光明日报》官方帐号
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【科普小博士】

当前,塑料污染已经成为地球上直逼气候变化的另一重大威胁,因为它正在急剧而不可逆地污染每一种自然系统,并危及越来越多的生物。海洋也是如此。

海洋塑料垃圾污染有多严重?据统计,全球每年塑料废弃物超过3000万吨,其中有超过800万吨的塑料垃圾被直接丢弃或从陆地通过河道、风力最终进入海洋。目前,几乎所有类型的塑料都已经在海洋中找到,其中80%以上是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚氯乙烯(PVC)等非降解树脂材料,它们在海水中受光、风化、涡流机械和生物群的不断作用,最终形成直径小于5毫米的“微塑料”。由于难以降解,这些微塑料会不断积累,不仅会影响海鸟、鱼和其他海洋生物,也将逐渐通过食物链影响人类。

与陆地上的白色污染治理不同,受海洋特殊水域环境限制,人们几乎无法通过传统打捞方式对这些细小的塑料微粒进行广泛收集和处理。因此海洋塑料污染的治理日益紧迫但困难重重。

那么,如何才能遏制这种趋势?开发和使用能在海洋环境中自行降解的塑料制品,替代PE、PP、PA等难降解塑料制品,是公认的解决这一问题的最根本途径。

近年来,我们为了解决“白色污染”开发了很多种可生物降解的新材料,如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及其共聚酯(PBAT)等。这些新材料已在众多领域中替代了不可降解的通用塑料,成为“禁塑令”实施的重要支撑,在一定程度上缓解了陆地上的“白色污染”。

但这些材料在海洋中却难以降解——聚酯材料堆肥降解的本质是聚合物在微生物酶作用下发生的酶促水解反应,这需要环境中特异微生物、数量、温度等满足一定的要求。

然而海洋却没有这种条件。

研究表明,海洋环境以高盐、高压、低温和稀营养为特征。海面及近海处平均温度17℃、海面以下大部分水温为0-4℃。海洋微生物数量除了近海区密度略大外,大洋中微生物密度平均每毫升只有几个至几十个,与堆肥降解过程中每升土壤中的微生物数量相比,几乎可以忽略。海洋环境的这种特点极大抑制了聚酯材料在海水中的降解性能。以陆地上常用的生物降解塑料PLA为例,堆肥条件下,PLA标准样条50天左右失重达到70%;但是在自然海水中放置1年也没有观察到明显失重。

不过令人欣喜的是,通过对不同材料在海水中降解过程和降解机制的深入研究,科研人员将非酶促水解与生物降解过程相结合,已经设计研制出了一类海水中可快速降解的聚合物,这类高分子材料在功能主链中嵌入了易水解的位点或片段,不仅具有通用塑料相媲美的使用性能,同时可以在海水、土壤、淡水等自然环境中快速降解,是一种全自然域可降解的高分子材料。

这只是迈出第一步。作为新的可降解材料,还需要经受相关材料标准和检测标准的进一步验证。而作为新的海水降解的塑料制品,还需要结合市场需求进行材料筛选,并将复杂的合成工艺进行生产放大,仍然任重道远。

(作者:王格侠,系中国科学院理化技术研究所高级工程师)

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