饮食酶使“可生物降解”塑料真正堆肥

堆肥中的聚合物降解

在标准堆肥(右侧)只有三天后,修改过的塑料(左)在两周后完全崩溃。信誉:克里斯托弗德尔·伯克利

塑料中嵌入的聚合物降解酶允许程序降解。

可生物降解塑料一直被宣传为解决困扰世界的塑料污染问题的一种方法,但今天的“可堆肥”塑料袋、器皿和杯盖在典型的堆肥过程中并没有分解,从而污染其他可回收塑料,这让回收者感到头疼。大多数可降解塑料,主要由聚乳酸聚酯制成或PLA,最终在垃圾填埋场中,最后一直塑料。

加州大学伯克利分校现在,科学家们已经发明了一种方法,可以让这些可堆肥塑料更容易分解,只需加热和水,在几周内就能分解,解决了一个令塑料行业和环保人士困惑的问题。

“People are now prepared to move into biodegradable polymers for single-use plastics, but if it turns out that it creates more problems than it’s worth, then the policy might revert back,” said Ting Xu, UC Berkeley professor of materials science and engineering and of chemistry. “We are basically saying that we are on the right track. We can solve this continuing problem of single-use plastics not being biodegradable.”

徐是一篇描述这一过程的论文的资深作者,这篇论文将发表在本周的期刊上自然

理论上,这项新技术应该适用于其他类型的聚酯塑料,或许可以创造出可降解塑料容器,目前这种容器由聚乙烯制成,聚乙烯是一种不会降解的聚烯烃。徐认为,聚烯烃塑料最好转化为更高价值的产品,而不是堆肥,并且正在研究将回收聚烯烃塑料转化为再利用的方法。

改性PCL塑料完全在温水中降解

熔融挤出的PCL(聚己内酯)塑料长丝(左),嵌入纳米能器的酶脂肪酶的嵌入式纳米蛋白含有rhP在温热(104f)水中的36小时内几乎完全在小分子中降解。信誉:克里斯托弗德尔·伯克利

新过程涉及将塑料中的聚酯酶嵌入塑料中。这些酶受到简单的聚合物包装来保护,可防止酶解开并变得无用。当暴露于热量和水中时,酶从其聚合物护罩上耸了耸肩,并开始将塑料聚合物撞入其建筑物块 - 在PLA的情况下,将其降低到乳酸中,这可以将土壤微生物饲料堆肥。聚合物包裹物也会降解。

该过程消除了微塑料,其副产品在许多化学降解过程和污染物中的右侧。高达98%的使用徐技术制造的塑料中脱落成小分子。

这项研究的共同作者之一,前UC伯克利博士生Aaron Hall,已经摆脱了一家公司进一步发展这些可生物降解的塑料。

制作塑料自毁

塑料设计不在正常使用期间分解,但这也意味着在被丢弃后它们不会分解。最耐用的塑料具有几乎是晶体状的分子结构,聚合物纤维如此紧密地对齐,水无法穿透它们,更不用说可以咀嚼聚合物的微生物,这是有机分子的聚合物。

包埋聚合物食用酶

诸如脂肪酶(绿色球)的酶可以从表面(左上角)降解塑料聚合物,但它们随机切割聚合物链,将微型塑料留在后面(右上角)。通过植物(左下角)的UC Berkeley Group嵌入酶,受纳米单元的保护(彩色链条)。将嵌入的酶固定在聚合物链的末端附近,并且在热量和水分的正确条件下,从末端降解聚合物分子。该技术在使用期间保持塑料的完整性,但是,当使用者触发解聚时,塑料一直到可回收的小分子副产物。信用:Christopher Delre的图形

徐的想法是将纳米级聚合物消化酶直接嵌入塑料或其他材料中,隔离并保护它们,直到合适的条件释放它们。2018年,她展示了这在实践中是如何工作的。她和她在加州大学伯克利分校的团队在纤维垫子中植入了一种酶,这种酶可以降解有毒的有机磷化学物质,比如那些杀虫剂和化学战剂中的化学物质。当垫子浸入化学物质时,内嵌的酶分解了有机磷。

她的关键创新是一种保护酶不分解的方法,蛋白质通常在正常环境之外(如活细胞)分解。她设计了一种被她称为“随机杂多聚体”(RHPs)的分子,这种分子包裹在酶周围,轻轻地将其固定在一起,而不会限制酶的天然灵活性。rhp由四种类型的单体亚基组成,每一种都具有与特定酶表面的化学基团相互作用的化学性质。它们在紫外线下可以降解,而且它们的浓度不到塑料重量的1%——低到足以不成问题。

对于研究报告的研究自然纸张,徐和她的团队使用了类似的技术,在rhPS中施用酶,并在整个塑料树脂珠粒中嵌入数十亿这些纳米颗粒,这是所有塑料制造的起点。她将此过程与塑料中的颜料嵌入塑料中的颜色。研究人员表明,RHP笼罩的酶没有改变塑料的特征,这可以在约170度的温度下熔化和挤出成常规聚酯塑料等纤维摄氏或338度华氏温度

PLA塑料堆肥

一层聚乳酸(PLA)塑料薄膜,在放入堆肥后(左)和放入堆肥一周后(右)。PLA塑料内嵌一种酶,可以生物降解成简单的分子,使其成为不可降解塑料的未来替代品。图片来源:加州大学伯克利分校,亚当·刘/伯克利工程

为了引发劣化,只需添加水和一点热量即可。在室温下,80%的改性PLA纤维完全在约一周内完全降低。在较高温度下降解更快。在产业堆肥条件下,修饰的PLA在50摄氏度(122°F)的六天内降解。另一种聚酯塑料,PCL(聚己内酯),在工业堆肥条件下在40摄氏度(104f)下的工业堆肥条件下降解。对于PLA,她嵌入了一种叫做蛋白酶K的酶,该酶将PLA咀嚼成乳酸分子;对于pcl,她使用脂肪酶。两者都是廉价且易于使用的酶。

徐说:“如果这种酶只存在于塑料的表面,它就会慢慢地腐蚀下去。”“你想让它分布在纳米级的各处,这样,本质上,每一个只需要吃掉它们的聚合物邻居,然后整个材料就会分解。”

堆肥

快速退化适用于市政堆肥,通常需要60〜90天,将食物和植物垃圾变成可用堆肥。高温工业堆肥需要更少的时间,但改性的聚酯在这些温度下也会更快地分解。

伊万·贾普布纳

研究生Ivan Jayapurna与PCL(聚己内酯)的样品膜,一种新的可生物降解的聚酯塑料。具有嵌入酶的PCL具有与低密度聚乙烯非常相似的机械性能,使其成为非可生物降解塑料的未来替代方案。图片来源:加州大学伯克利分校,亚当·刘/伯克利工程

徐怀疑较高的温度使浓郁的酶移动更多,使其更快地找到聚合物链的末端并咀嚼它然后继续前进到下一个链条上。RHP包裹的酶也倾向于在聚合物链的末端附近结合,将酶保持在其靶附近。

她说,改性的聚酯在较低温度下或在短暂的潮湿时期不会降低。例如,采用此过程制造的涤纶衬衫在中等温度下承受汗水和洗涤。在室温下在水中浸泡三个月并没有导致塑料降解。

正如她和她的团队所证明的那样,在温水中浸泡确实会导致退化。

她说:“事实证明,堆肥是不够的——人们想在家里堆肥而不弄脏他们的手,他们想在水中堆肥。”“所以,这就是我们想要看到的。我们用的是温水。只要把它加热到合适的温度,然后放进去,几天后我们就能看到它消失了。”

Xu正在开发可以降解其他类型的聚酯塑料的rhp包裹酶,但她也在修改rhp,使降解可以在特定的点停止,而不是完全破坏材料。如果塑料被重新熔化,变成新的塑料,这可能会有用。

该项目部分由国防部陆军研究办公室,美国军队战斗能力发展指挥的军队研究实验室的陆军研究办公室支持。

“这些结果为聚合物材料的合理设计提供了可能降低相对较短的时间尺度的合理设计,这可以为陆军研究有关的陆军物流提供显着优势,”军队研究的计划经理斯蒂芬妮米克尼尼说办公室。“更广泛地,这些结果提供了洞察力,以掺入固态材料的策略中,这可能对各种未来的军队能力产生影响,包括传感,净化和自我修复材料。”

PLA塑料包埋酶

聚乳酸塑料膜聚乳酸(聚乳酸)塑料的一层膜,内含一种酶,使其在普通堆肥中快速生物降解图片来源:加州大学伯克利分校,亚当·刘/伯克利工程

徐说,程序降解可能是回收许多物品的关键。她说,想象一下,用可生物降解的胶水来组装电脑电路,甚至整个手机或电子产品,然后,当你用完它们时,溶解胶水,这样设备就会分解,所有的部件都可以重复使用。

“千禧一代是思考这个并开始谈话,这将改变我们与地球接口的方式,”徐说。“看看我们扔掉的所有浪费的东西:服装,鞋子,电子产品如手机和电脑。我们以比我们返回的速度更快地从地球上取出。不要回到地球到我的这些材料,但是我的无论你有什么,然后把它转换为别的东西。“

参考文献:“近乎完全用纳米分散酶的聚酯解聚”由克里斯托弗·德雷,玉峰江,菲尔贡康,Junpyo kwon,伊朗·哈尔纳,夏源阮,勒马,凯尔·泽金,蒂米,科伦德·斯·斯·······斯皮尔,科琳德,Robert O. Ritchie,Thomas P. Russell和Ting Xu,4月21日,4月21日,自然
DOI:10.1038 / S41586-021-03408-3

本文的共同作者包括克里斯托弗德,玉峰江,菲尔贡康,朱鑫湖,亚伦大厅,伊万杰纳尔纳,志远阮,乐马,凯尔·泽金,蒂姆·伯克利罗伯特里奇·罗伯特里奇;Corinne Scenke of Berkeley Lab;和阿默斯特大学马萨诸塞州大学的托马斯罗素。该工作主要由美国能源部(DE-AC02-05-CH11231)提供资金,以及陆军研究办公室和UC BERKELEY的BAKAR奖学金计划的协助。

是第一个评论“聚合物酶使”可生物降解的“塑料真正堆肥”

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