gumdrop（化学回收、细菌分解）

前言

有害塑料污染的急剧增加促使世界各地的科学家和创新者开发出各种原始方法来重复使用、回收和再利用塑料。然而，正如安娜·德明所揭示的，主要的挑战仍然存在

作者|安娜·德明

翻译|朱业华

校对|夏志坚

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“我在实验室里呆了这么多天，发现了许多有趣的东西。”1907年6月，比利时裔美国化学家利昂·贝克兰（Leon Baekeland）在日记中写道，四天来，他一直在测试浸泡在木材中的苯酚和甲醛之间的缩合反应。“我申请了一种物质的专利，称之为胶木。”胶木是第一种由合成材料制成的塑料。这将是一场材料革命的开始

不可否认，塑料是一种神奇的材料。它是由许多部分组成的长分子链聚合物。主碳链是主要的组成单元，它包含大量的原子和具有不同功能的分支基团，从简单的卤素原子到芳香环和含氧酯链。

塑料坚硬易弯曲，易于熔化和重塑，是地球上最便宜、最耐用的材料之一。但这就是问题所在。塑料彻底改变了一次性用品的消费，这种消费可能会持续几十年甚至几个世纪。尽管公众现在越来越担心塑料污染，但要将这种情绪转化为积极行动可能并不容易。

来自创新英国的化学家萨利·贝肯（Sally beken）就是那些寻找塑料污染解决方案的人之一。她是英国循环塑料网络（UK circular plastics network）的负责人，该网络旨在通过聚集塑料用户来减少塑料垃圾。对她和许多从事塑料垃圾问题的人来说，问题不在于塑料本身，而在于我们对塑料垃圾管理不善。令人欣慰的是，随着物理技术的发展，塑料的回收、再利用和再利用变得越来越容易。然而，尽管已经取得了一些进展，最大的挑战可能还没有到来。

塑料问题分类第一

为了最大限度地减少塑料产品的碳足迹，理想情况下，你最好多次重复使用。问题是，有些物品足够坚固，可以重复使用，但它们可能不会重复使用那么多。例如，特百惠外卖盒需要使用200次，才能比不可回收的发泡聚苯乙烯容器留下更低的环境足迹。有时，一些塑料制品甚至不能重复使用——例如，破损的塑料罐无法使用。这就是为什么许多人在寻找更可持续的方法来处理塑料。他们正在努力为这些材料开发更有效的循环经济，而不是简单地延长每种产品的使用寿命。

回收塑料比回收纸板更复杂的原因是塑料种类的激增，而且每种塑料的处理方法都不同。“对于食品包装，你不需要使用所有类型的塑料。有三种可以满足需求，”贝肯说，此外，如果我们只使用较少类型的塑料，这些类型的塑料的数量将增加，回收将更加经济

但是如果你不能限制塑料类型的数量，为什么不寻找更智能的分类方法呢？2017年，仅在英国就有超过200万吨塑料被用作包装材料，许多回收箱仍然要求人们用肉眼和手分离塑料。显然，在这方面走在前列的是法国回收公司paprec，该公司目前有210个回收站，每年处理约1200万吨垃圾。该公司仍雇佣运营商按颜色对一些塑料进行分类，并手动移除它们铆钉、螺丝和其他东西都是从塑料垃圾中移除的，但大部分分类工作已经自动化。然而，分类方法也取决于塑料的类型。以聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为例，根据这两种塑料的光学特性，对它们进行了完全自动的分类。在喷嘴将不同类型的垃圾吹起来之前，摄像头将分析它们的光谱信息，并对它们进行分类，以便进行不同的处理或最终填埋。在许多回收设备中，这种光学分类是主要的自动分类方法，但这种技术在处理深色塑料时经常遇到困难。这是因为传统的自动分类技术使用近红外辐射，较暗材料反射的光不足以区分不同类型

尽管商用设备具有更宽的光谱，可以对黑色塑料进行分类，但也可以使用塑料的其他特性对其进行分类。例如，paprec还使用“浮选分类”，区分漂浮和下沉材料。该技术巧妙地将分类与回收过程中的清洗阶段结合起来，但问题是材料的密度差至少需要为0.2g·cm-3。不幸的是，这种方法不适用于聚乙烯（PE，通常用于包装和塑料袋）和聚丙烯（PP，用于包装和标签）。另一种密度分类方法是从振动的斜板上吸出较轻的塑料，太重而无法吸出的塑料将转移到其他地方。这要求密度差至少为0.2g·cm-3，因此PE和PP无法分离。事实上，这两种聚合物特别有问题，因为它们经常混合在材料中，这使得分离它们更加困难。

另一种选择是“摩擦电分类”。塑料表面因摩擦而带电。根据电荷的性质（正极或负极），带电电极用于吸引和排斥不同类型的塑料。摩擦电分类对相当多的塑料有效，包括PET饮料瓶、工程热塑性塑料、电子和电缆废料中的塑料、PVC窗型材，甚至塑料生产废料。不幸的是，干燥的塑料垃圾只能通过摩擦电分类，塑料回收的多个阶段是湿的或涉及清洁的

第2号

“一个垃圾箱处理一切”

，尽管这些分类方法可能很有独创性，混合塑料垃圾仍然需要大量的分类过程来将其全部分离。此外，由于并非所有回收站都有这些技术，现实是许多可回收塑料最终被填埋。作为替代方案，伦敦布鲁内尔大学沃尔夫森材料加工中心的研究人员设计了一种荧光标记系统，该系统不仅可以对所有塑料进行光学分类，还可以根据其用途进行区分，例如将食品容器与杀虫剂容器分开，被称为prism（使用智能材料分离技术的塑料包装回收）的技术涉及用含有荧光粉的染料对塑料进行编码，类似于用于条形照明的发光分子。磷光发射紫外光（UV），因此只有在该频率下工作的探测器才能看到编码。你所需要做的就是在光学分级机上安装一个紫外线检测器，说服塑料制造商标记他们的产品。Prism的第一次全面测试由挪威致力于回收创新的tomra公司完成。2017年，该公司宣布，该技术可以收集98%的标记塑料，准确率为95%

荧光标记方法有很多支持者，但标记系统的基础是什么？传统上，分类主要基于聚合物的碳主链或重复形成聚合物链的单体单元。然而，这种方法有许多缺点。例如，牛奶瓶和洗衣粉瓶通常由高密度聚乙烯（HDPE）制成，但前者在装满热水时容易软化，而后者则更坚固。塑料的性能还受添加剂的类型和数量、分子量（每个塑料分子重复单位基团的平均数量）的影响再生成分的百分比以及再生成分来源的影响。因此，由奶瓶塑料制成的洗涤液瓶将不会具有预期的弯曲强度。曼彻斯特大学（Michael Shaver）的聚合物科学家迈克尔·谢夫（Michael Schaef）说：“单靠一种方法无法解决塑料问题。”谢弗是英国研究与创新（ukri）项目“RE3——重新思考资源和回收”的负责人。RE3与来自整个供应链的25个利益相关者一起，投资了一个由谢弗运营的项目，名为“一个垃圾箱来管理所有人”，该项目正在寻找更好的回收基础设施，以便所有塑料垃圾即使放在一个垃圾箱中也能被分类、回收和估价。对于谢弗来说，我们需要的是基于塑料的实际价值——回收塑料的性能和潜在用途——的分类系统或标记方法，而不是骨架的化学性质

第3号

重塑

回收塑料的最简单方法是在不显著影响环境的情况下对产品进行物理压制和重塑所涉及聚合物的化学性质。塑料被磨成小块，形成颗粒，然后倒入旋转的“螺旋”状颗粒中。螺杆输送、熔化和压制塑料，使其以液体形式在模具周围浇铸，并再次在模具中固化成所需产品的形状。在欧洲，99%的回收塑料都是以这种方式处理的。饮料瓶是物理回收的成功案例。现在大多数制造商使用相同的pet材料，这使得它们更容易分类和回收。事实上，包装制造商的自愿承诺和欧盟一次性塑料指令的规定增加了对回收PET的需求。“你不能得到足够的宠物，”贝肯说。他指出，英国一直从比利时进口回收的宠物，因为英国的宠物数量无法满足需求，但即使是宠物回收，也存在差异。塑料瓶很容易回收。它们可以被压制成高质量的回收产品，但鲜有用于肉类或即食食品的塑料托盘的分类和再加工线，每吨加工成本更高。此外，塑料托盘通常内衬不同的材料。当它们被压制时，同一类型的材料开始聚集——相分离于其他类型的材料——因此塑料不再均匀，从而导致低质量的回收产品。这意味着潜在的可回收材料最终可能会被扔进垃圾填埋场。“一致性是物理回收的关键。”谢弗说，他认为目前回收塑料经济的努力受到完全缺乏回收质量标准的阻碍。“立法是件大事。”

第4号

招募化学家

重复物理恢复对塑料性能的影响是一个热门研究领域。当塑料被压制和重塑时，不可避免地会出现一些磨损——例如聚合物长度的减少或杂质的引入——这将限制相同聚合物的回收次数。例如，Schaeffer的团队试图通过压制塑料来了解物理回收过程中发生的化学过程，以便利用化学知识来抑制塑料的降解。化学也为回收提供了一种替代方法，尽管它会在废物和其再生之间产生更多的回收过程。该方法包括将聚合物分解成单体单元，然后单体单元可以进行一些原始聚合反应，再次生产出高质量的产品。或者，聚合物可以分解成低聚物——含有多个单体单元的短链——从而保留一些最初生产塑料的工作。这种化学方法在纺织工业中起着至关重要的作用，在纺织工业中，纤维将塑料与其他不易通过物理加工分离的材料结合起来。

化学处理也有助于回收“微塑料”——从较大的塑料物体上切下的小块——但主要是挑战在于首先捕获它们。大多数捕获微塑料的努力都集中在防止这些物质进入环境，因为它们会污染水道，最终污染食物链。虽然大塑料不会被人体吸收，只有通过消化系统后才会排泄，但我们并不完全了解摄入微塑料对人体的影响。谢弗指出，一些常见的塑料，如pet，在聚合物链中含有氧酯基。“这些官能团在生物系统中很常见，因此有可能产生更大的生态毒理学影响，”他说。

问题是，我们所有人都在制造微型塑料，即使我们不是有意的。例如，当我们洗衣服时，微塑料纤维会被释放出来，流入生活污水处理厂，并留在污泥中，而污泥通常分散在农田中。“目前，无论是家庭还是公用设施基础设施都无法处理这种微小颗粒。”亚当·罗特说，他是一家名为matter的英国初创公司的创始人，该公司正在开发商业和家用微型塑料收集系统。市场上已经有用于捕获微塑料的产品（例如洗涤过程中的衣物袋），但很少有人知道或使用它们。为了从另一个角度解决这个问题，卢特开发了一种适用于现有洗衣机的外部再生过滤器和一种适用于新洗衣机的内部装置，这两种装置都将于今年晚些时候推出，但传统的光学分离技术很难分离沉积物中的微塑料，因为由于背景信号和表面衰减，收集的光谱将变得模糊。2017年，英国诺维奇东安格利亚大学的研究人员报告了一种微塑料荧光标记技术。他们使用一种名为“尼罗河红”的化合物对塑料进行染色，以帮助识别沉积物中的微塑料。由于塑料周围环境极性的影响，“尼罗红”荧光光谱将发生变化，这种变化也有助于识别材料的疏水性，从而区分某些类型的塑料。谢弗指出，这种染色也可能适用于纳米塑料（较小的塑料）的新污染问题。然而，要使这些塑料的价值达到回收利用的规模，还有很长的路要走。2016年，一组科学家报告说，他们在大阪一家Pet回收厂从250个碎片的沉积物样本中发现了一组以Pet为食的微生物，日本

日本庆应大学的宫本健二（Kenji Miya moto）和日本京都理工大学（Kyoto University of technology fiber）的小田惠惠（Kohei ODA）及其合作者在进一步分析后发现了对该过程至关重要的特定菌株。研究人员将这种细菌命名为ideonella sakaiensis，它将释放两种酶，即水解pet的pet酶和水解单（2-羟乙基）对苯二甲酸反应中间产物的mhet酶。结果表明，塑料将被降解成两种环境友好的产品，对苯二甲酸和乙二醇。这一发现引起了科学界的兴趣。几个国际研究小组正在竞争了解并可能提高酶的活性。在那些热衷于进一步发展宫本和ODA研究工作的人中，有一个由南佛罗里达大学的H·李·伍德科克、朴茨茅斯大学的约翰·麦基恩和科罗拉多州国家可再生能源实验室的格雷格·贝克汉姆领导的国际研究团队，目的是建立pet酶的结构，贝克汉姆和他的团队在英国的“钻石光源”进行了X射线结晶学研究。“钻石光源”可以产生足够强度和亮度的X射线，以弥补pet酶晶体的困难形成事实。该团队已经能够识别pet酶的三维结构，甚至设计它来提高其活性。正如贝克汉姆解释的那样，分子结构揭示了pet酶的潜在机制，从最有可能在天然基质（如植物细胞壁聚合物角蛋白或软木）上发挥作用的酶，到可以降解人造pet的酶，令人印象深刻的是，自pet废物开始在世界各地积累以来的50年里，细菌已经进化出利用pet作为碳营养来源的能力。然而，贝克汉姆认为，对大阪细菌和pet酶的发现和分析确实显示了这种酶在优化pet降解方面有多大潜力。“科学界对这一发现感到鼓舞，因为这意味着我们可以使用定向进化等工具来创造更好的pet酶变体，并将类似的酶用于工业目的。”

然而，一些人仍然怀疑像pet酶这样的东西是否能起到积极的作用。撇开酶的破坏性催化能力和一夜之间将所有塑料变成堆肥的恐怖故事不谈，谢弗质疑了人们对已经很容易回收的pet聚合物的担忧。他认为，物理回收法回收pet，甚至化学回收法回收pet低聚物是一个非常封闭的循环系统，比将塑料分解回单体更有效。谢弗强调需要找到一种酶，这种酶可以作用于主链中不含氧的聚合物。这种酶可能能够处理一些最耐用的塑料

与此同时，贝克汉姆指出，塑料瓶（PET回收的主要成功案例）仅占PET使用量的30%。事实上，pet主要用于地毯和衣服，但它们不容易回收。此外，物理回收本身会产生一小部分“细粉”颗粒，这超出了该工艺的回收能力

“从经济和可持续发展的角度来看，了解生物学在PET回收中的作用在何时何地非常重要，”贝克汉姆说，他的团队正在比较PET和许多其他塑料（包括混合塑料）的化学回收技术与生物处理技术，而且治疗对象已经超出了pet的范围。2023年3月，德国研究人员报告称，一种细菌可以分解聚氨酯。聚氨酯是一种广泛用于冰箱、建筑、鞋和家具的塑料。目前，回收利用的成本非常高。

英国研究人员开发了一种在沉积物中发现微塑料的方法。他们首先用荧光染料染色，然后使用光学分选（CC by 4.0/t MAEs et al.2017 SCI.Rep.7 44501）

No.6

人类行为对未来的影响

企业不仅应该转向生产更符合可持续循环塑料经济的产品，但消费者也应该发挥他们的作用

beckon特别提到了英国的Gumdrop公司，该公司收集咀嚼过的口香糖，并将其变成垃圾桶，可以收集更多口香糖。大多数商用口香糖是一种叫做聚异丁烯的合成橡胶和食品级增塑剂的混合物。每片口香糖都需要数百年才能完全降解。Gumpdrop现在面临的问题是，人们会把香烟扔进垃圾桶，这会污染口香糖，使其无法回收，正如谢弗所说，“重要的不是任何类型的塑料是否可回收、可生物降解或可堆肥，而是它是否可回收、可生物降解或堆肥。”这也许是塑料回收面临的最大问题——如何应对人类多变的行为

关于作者

安娜·德明是英国布里斯托尔的一名独立科学记者

原始链接：

https://physicsworld.com/a/plastic-that-doesnt-cost-the-earth/

▲ 本文是PHYsics世界专栏第34章第一部分：中国的挑战与变化第二部分：中美合作大学第一物理研究所的故事第三部分：张富春专访：让外国学者长期留在中国是一个巨大的挑战第29部分：中国科学的下一个重大事件：高能同步辐射光源，你对视觉效果和巫术有何看法第33部分：从海洋中获取能量：人类雄心勃勃的蓝色梦想版权声明最初的标题是《不消耗地球的塑料》，于2023年5月首次在《物理世界》上发表，知识的翻译由英国物理学会出版社授权。中文内容仅供参考，所有内容以英文原文为准。未经授权的翻译是一种侵权行为，版权所有人保留追究法律责任的权利

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