化學回收、細菌分解，十八般武藝齊上陣，能解決塑料難題嗎？

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前 言

有害塑料汙染的急劇增加，促使世界各地的科學家和創新者們開發出多種獨創性的方法來重複利用、回收和循環使用塑料。但是，正如安娜·德明（Anna Demming）所揭示的那樣，重大挑戰依然存在。

撰文 | 安娜·德明

翻譯 | 祝葉華

校譯 | 夏志堅

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「我在實驗室呆了這麼多天，發現了許多有趣的東西。」 1907年6月，比利時裔美國化學家萊昂·貝克蘭（Leon Baekeland）在日記中如此寫道。

四天來，他一直在試驗苯酚和浸潤在木板中的甲醛之間的縮合反應。「我申請了一種物質的專利，並將之稱為膠木。」 膠木是第一種由合成材料製成的塑料，它將成為一場材料革命的開端。

不可否認，塑料是一種神奇的材料，它是由許多部分組成的長分子鏈聚合物。碳主鏈是主要組成單元，鏈上含有大量功能不同的原子和分支基團，從簡單的滷素原子到芳香環和含氧酯鏈。

塑料可硬可彎，易於熔化和重塑，而且是地球上最便宜、最耐用的材料之一。但這也是問題的所在。塑料引發了一次性商品消費的革命，而這些一次性商品可能會持續存在幾十年甚至幾個世紀。儘管公眾現在對塑料汙染的擔憂越來越強烈，但要將這種情緒轉化為積極的行動可能並不容易。

來自 「創新英國」（Innovate UK）的化學家莎莉·貝肯（Sally Beken）是尋求解決塑料汙染方案的人士之一。她是英國循環塑料網絡（UK Circular Plastics Network）的負責人，該網絡旨在通過將塑料使用者聚集在一起來減少塑料垃圾。對她和許多從事塑料垃圾問題的人來說，問題不在於塑料本身，而在於我們對塑料垃圾的不良管理。令人欣慰的是，隨著物理技術的發展，塑料的回收、再利用和循環利用正變得越來越容易。但是，儘管目前已經取得了一定的進展，最大的挑戰可能還沒有到來。

NO.1

分類塑料問題

為了最大限度地減少塑料產品的碳足跡，理想狀態下你最好多次重複使用它。問題是，為了某些物品足夠堅固，以達到重複使用的目的，會用到一些額外的塑料，但這些物品再利用的次數可能並沒有那麼多。例如，一個特百惠外賣盒需要使用200次，才能比無法回收的發泡聚苯乙烯容器留下更低的環境足跡。有時某些塑料產品甚至不可重複使用——例如，破裂的塑料盆會變得無法再重複使用。這也是為什麼許多人正在尋找更可持續地處理塑料的方法的原因，他們努力為這些材料開發出更有效的循環經濟，而不是簡單地延長每種產品的使用壽命。

回收塑料之所以比回收紙板更複雜，原因在於塑料種類的激增，而每種塑料處理的方法都不相同。貝肯說：「對於食品包裝，不需要使用所有類型的塑料，有三種就可滿足需求。」而且，如果我們只使用較少類型的塑料，這些類型的塑料的數量就會增加，循環利用會更加經濟。

但是，如果不能限制塑料種類的數量，為什麼不去尋找更聰明的分類方法？2017年，僅在英國就有超過200萬噸的塑料被用作包裝材料，許多回收站仍然要求人們用肉眼和手工來分離塑料。顯然還有更好的方法。

在這方面走在前列的是法國回收公司Paprec，該公司目前有210個回收站，每年處理約1200萬噸垃圾。該公司仍舊僱傭操作員按顏色對一些塑料進行分類，並手動從工業塑料廢料中去除鉚釘、螺絲等東西，但大部分分類工作已經實現自動化。然而，分類的方法也取決於塑料的類型。以聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為例，基於這兩種塑料的光學特性，對它們已經完全實現自動化分類。在噴氣嘴把不同類型的垃圾吹起來對其進行分選，以進行不同的處理或最終填埋之前，攝像機會分析這些垃圾的光譜信息。在許多回收裝置中，這種光學分選是最主要的自動化分類方法，但當處理深色塑料時，這種技術常常會遇到困難。這是因為傳統的自動化分類技術使用的是近紅外輻射，而較深色的材料反射出來的光線不足以實現不同類型的區分。

雖然目前市售的設備有更寬的頻譜，可以進行黑色塑料分類，但也可以利用塑料的其他性質進行分類。例如，Paprec 還使用 「浮選分類」，即根據物料是漂浮還是下沉進行區分。該技術巧妙地將分類與回收過程的漂洗階段結合起來，但問題是材料需要具有至少0.2g·cm-3的密度差。不幸的是，該方法對於聚乙烯（PE，通常用於包裝和塑膠袋）和聚丙烯（PP，用於包裝和標籤）並不適用。另一種密度分選方法是從一個振動的傾斜板上吸掉較輕的塑料，太重無法吸住的塑料則會被轉移到其他地方。這需要至少0.2g·cm-3的密度差，因此也不能分離PE和PP。實際上，這兩種聚合物特別成問題，因為它們經常混合在材料中，這使得分離它們變得更加困難。

另一種選擇是 「摩擦電分類」。通過摩擦使塑料表面帶上電荷，根據電荷性質（正電或負電），使用帶電電極來吸引和排斥不同類型的塑料。摩擦電分類對相當多的塑料有效，包括PET飲料瓶、工程熱塑性塑料、電子和電纜廢料中的塑料、PVC窗戶型材甚至塑料生產廢料。不幸的是，幹塑料垃圾才能進行摩擦電分類，而塑料回收的多個階段是潮溼的或涉及清洗。

NO.2

「一個垃圾箱搞定所有」

儘管這些分類方法可能很巧妙且具有獨創性，混合的塑料廢料仍然需要大量分類處理工序才能將其全部分離。而且，由於並非所有的回收站都有這些技術，因此現實是有很多可回收的塑料最終被填埋了。英國布魯內爾大學（Brunel University London）沃爾夫森材料加工中心（Wolfson Centre for Materials Processing）的研究人員設計了一種螢光標記系統作為替代方案，這種方法不僅可以對所有塑料進行光學分類，還可以根據用途進行區分，例如分離食品容器與殺蟲劑容器。

這項技術被稱為 PRISM （使用智能材料分離技術進行塑料包裝回收），它涉及到使用一種含有磷光體—— 類似於用於條形照明的發光分子—— 的染料在塑料上編碼。磷光體會發射紫外線（UV），因此編碼僅對在該頻率下運行的檢測器可見。你所需要做的就是在光學分類器上安裝一個紫外線檢測器，並說服塑料製造商標記它們的產品。PRISM的第一次全面試驗是由致力於回收創新的挪威公司TOMRA完成的。2017年，該公司宣稱，這一技術可以收集98%的標記塑料，準確率為95%。

螢光標記方法有很多擁護者，但是標記系統的基礎是什麼呢? 傳統上，分類主要是根據聚合物的碳主鏈或重複組成聚合物鏈的單體單元來區分塑料。不過，由於許多塑料的功能性在不斷變化，這種方法也就存在不足之處。例如，牛奶瓶和洗衣液瓶通常都是由高密度聚乙烯（HDPE）製成的，但是前者在裝滿熱水時容易軟化，而後者則更堅固。塑料的性質還受到添加劑的類型和數量、分子量（平均每個塑料分子由多少個重複單元組成）、再生成分的百分比以及再生成分來源的影響。因此，用奶瓶塑料製成的洗衣液瓶將不會有預期的彎曲強度。

曼徹斯特大學的聚合物科學家麥可·謝弗（Michael Shaver）說：「僅通過單一的方法是不能解決塑料問題的。」謝弗是英國研究與創新（UKRI）項目 「RE3——重新思考資源和回收利用」 的負責人。RE3與來自整個供應鏈的25個利益相關者聯合起來，投資了一項謝弗運行的名為 「一個垃圾箱搞定所有」（One bin to rule them all）的項目，該項目正在尋求更好的回收基礎設施，以便即使將所有塑料垃圾放在一個垃圾箱裡，也能夠做到分類、回收和估價。對謝弗來說，我們需要的是一個基於塑料的實際價值——回收塑料的性質和潛在用途——來分類的系統或標記方式，而不是基於骨架的化學性質。

NO.3

重 塑

回收塑料最簡單的方法是物理性地壓制和重塑產品，而不顯著影響所涉及的聚合物的化學性質。塑料被研磨成小塊，形成顆粒，像穀物一樣被倒入旋轉的 「螺杆」 中，該螺杆輸送、熔化並壓制塑料，從而使其以液態形式澆鑄在模具周圍，在模具中再次固化成所需產品的形狀。在歐洲，99%的回收塑料都是以這種方式處理的。

飲料瓶是物理回收的一個成功案例，現在大多數製造商使用相同的PET材料，這使得它們更容易分類和回收。實際上，包裝生產商的自願承諾以及《歐盟一次性塑料指令》（EU Single Use Plastics Directives）的規定增加了回收PET的需求。 「你都沒有辦法獲得足夠的PET」 ，貝肯說，他指出，英國一直在從比利時進口回收的PET，因為英國本國的PET量無法滿足需求。

塑料瓶幾乎都是由相同的PET材料製成，易於分類。(圖片來源：Paprec)

但是即使是PET回收，也存在差異。塑料瓶很容易回收，它們可以被壓製成高質量的回收產品，但用於肉類或即食食品的塑料託盤的分類再加工生產線卻很少，且每噸處理成本更高。此外，塑料託盤通常內襯不同的材料。當它們被壓制時，同類型的材料開始聚集—— 與其他類型的材料「相分離（phase separate）」 ——因此塑料不再是均質的，這會導致產生低質量的回收產品。這也就意味著，那些原本是潛在的可回收材料最終可能會被扔進垃圾填埋場。

「物理回收的關鍵在於一致性。」 謝弗說，他認為，目前循環塑料經濟的努力受到回收質量完全缺乏標準的阻礙。「立法是大事。」

NO.4

招募化學家

反覆物理回收對塑料性質的影響是熱點研究領域之一。當塑料被壓制並重塑時，不可避免地會出現一些磨損——例如聚合物長度的減少或雜質的引入——這將限制相同聚合物循環利用的次數。例如，謝弗的團隊正試圖通過壓制塑料來了解物理回收過程中發生的化學過程，以便利用化學知識來抑制塑料的退化。

化學也為回收利用提供了替代方法，儘管這會在廢物及其再生之間帶來更多的循環流程。辦法包括將聚合物分解成單體單元，然後單體單元可以進行一些原始的聚合反應，再次生產高質量的產品。或者，聚合物可以分解成低聚物——含有多個單體單元的短鏈——因此保留了生產塑料的一些原始工作。這樣的化學方法在紡織業發揮了至關重要的作用，因為在紡織業中，纖維會將塑料與物理加工不易分離的其他材料結合在一起。

粉碎機。大多塑料回收從粉碎或研磨成小塊開始。(圖片來源: iStock/Викентий Елизаров)

化學處理也可以幫助回收 「微塑料」 ——從較大的塑料物體上切下的微小碎片——但主要的挑戰是要第一時間捕獲它們。絕大部分捕獲微塑料的努力聚焦於防止這些物質進入環境，因為它們會汙染水道，並最終汙染食物鏈。儘管大塑料不會被人體吸收，只會通過消化系統後被排出體外，但我們並不完全了解微塑料攝入對人體的影響。謝弗指出，某些常見的塑料（例如PET）在聚合物鏈中具有含氧酯基。他表示：「這些官能團在生物系統中很常見，因此有可能產生更大的生態毒理學影響。」

問題是，即使我們不是故意的，我們所有人也在創造微塑料。例如，每當我們洗衣服的時候，微塑料纖維就會被釋放出來，流入生活汙水處理廠，並存留在汙泥中，而汙泥常常被散置於農田。

「目前家庭或公用事業基礎設施都不是為處理如此微小的顆粒而設計的。」 亞當·魯特（Adam Root）說，他是英國一家名為Matter的新創公司的創始人，該公司正在開發商用和家用微塑料收集系統。市場上已經有用於捕獲微塑料的產品（例如在洗滌過程中用來放衣服的袋子），但是很少有人知道或使用它們。為了從另一個角度解決這個問題，魯特開發了一種適用於現有洗衣機的外部再生過濾器，以及一種用於新型號洗衣機的內部裝置，兩者都將在今年晚些時候推出。

切碎的塑料會熔化成顆粒，然後製成新產品（圖片來源: Paprec)

最為理想的情況是，在微塑料擴散進環境之前將其從廢水中分離出來，但是傳統的光學分選技術很難用於分離沉積物中的微塑料，因為背景信號和表面衰減會使採集到的光譜變得模糊。

2017年，位於英國諾裡奇的東安格利亞大學的研究人員，報導了一種針對微塑料的螢光標記技術。他們用一種名為 「尼羅紅」 的化合物對塑料進行染色，以幫助識別沉積物中的微塑料。由於塑料周圍環境極性的影響，「尼羅紅」 螢光光譜會發生變化，而這一變化也可以幫助識別材料的疏水性，從而區分出某種類型的塑料。謝弗指出，這種染色可能也適用於新出現的納米塑料（尺寸更小的塑料）汙染問題。但是，在這些塑料的價值達到被回收的規模之前，還有很長的路要走。

NO.5

PET酶—— 一種生物解決方案

2016年，一組科學家報告稱，他們在日本大阪一家PET回收廠挑選的250塊碎片中，發現了一沉積物樣本裡似乎有一群正在以PET為食的微生物。

日本慶應大學的宮本賢司（Kenji Miya-moto）和日本京都工藝纖維大學的小田耕平（Kohei Oda）及其合作者，在進一步的分析後，發現了對該過程至關重要的特定細菌菌株。這種被研究者命名為大阪堺菌（Ideonella sakaiensis）的細菌會釋放出兩種酶，即可水解PET的PET酶和可水解反應中間產物單（2-羥乙基）對苯二甲酸的MHET酶。結果表明塑料會被降解成對環境友好的對苯二甲酸與乙二醇兩種產物 。

這一發現引發了科學界的興趣，國際上的幾個研究小組都在競相了解並潛在地提高酶的活性。在那些熱衷於進一步發展宮本和小田研究工作的人中，有一支由美國南佛羅裡達大學的H·李·伍德考克（H Lee Woodcock）、英國樸茨茅斯大學的約翰·麥基漢（John McGeehan）和美國科羅拉多州的國家可再生能源實驗室的格雷格·貝克漢姆（Gregg Beckham）領導的國際研究團隊。

為了建立PET酶的結構，貝克漢姆和他的團隊在英國的「鑽石光源」（Diamond Light Source）進行了X射線晶體學研究，「鑽石光源」能夠產生強度足夠大、亮度足夠高的X射線，從而彌補PET酶晶體難以形成的事實。該團隊已經能夠識別出PET酶的三維結構，甚至可以對其進行設計以提高活性。正如貝克漢姆所解釋的那樣，分子結構揭示了PET酶從一種最有可能在天然底物上起作用的酶（如植物細胞壁聚合物角質或木栓質）演變為一種能降解人造PET的酶的潛在機制。

令人印象深刻的是，就在PET垃圾開始在世界各地堆積的50年時間裡，細菌已經進化出了將PET作為碳營養來源的能力。不過，貝克漢姆認為，對大阪堺菌和PET酶的發現和分析真正說明了，在降解PET方面，這種酶優化的潛力還有多大。「這一發現讓科學界倍受鼓舞，因為這意味著我們可以利用像定向演化這樣的工具，創造出更好的PET酶變體，並將類似的酶用於工業用途。」

不過，仍有人懷疑像PET酶這樣的東西能否發揮出積極的作用。拋開酶破壞性的催化能力和一夜之間將所有塑料變成堆肥的恐怖故事不談，謝弗質疑人們對已經很容易回收的PET聚合物的關注。他認為，用物理回收方法回收PET，甚至採用化學回收法回收PET低聚物，已經是非常閉合的循環系統，這比將塑料分解回單體更為有效。謝弗強調應該尋找一種可以對在主鏈上沒有氧的聚合物起作用的酶。這種酶或許可以處理某些存在時間最為持久的塑料類型。

與此同時，貝克漢姆指出，塑料瓶（PET回收的主要成功案例）只佔PET使用量的30%。事實上，PET主要用於地毯和衣物，但它們不容易回收利用。此外，物理回收本身會產生一小部分「細粉」顆粒，這超出了該工藝回收的能力範圍。

貝克漢姆說：「從經濟和可持續發展的角度來看，了解生物學在什麼地方、什麼時候能在PET回收中發揮作用是很重要的。」他的團隊正在將PET和許多其他塑料（包括混合塑料）的化學回收技術與生物處理技術進行比較，處理對象已經超出了PET的範圍。2020年3月，德國研究人員報告稱，他們發現了一種可以分解聚氨酯的細菌。聚氨酯是一種廣泛應用於冰箱、建築物、鞋類和家具的塑料，目前回收利用的成本非常高。

五顏六色的汙染物。

英國研究人員已經開發出一種在沉積物中發現微塑料的方法，他們先用螢光染料對其進行染色，然後使用光學分選（CC BY 4.0/T Maes et al. 2017 Sci. Rep. 7 44501）

NO.6

人類行為對未來的影響

不僅企業要轉向生產更符合可持續循環塑料經濟的產品，消費者也要發揮自己的作用。

貝肯特別提到了總部位於英國的 Gumdrop 公司，該公司收集嚼過的口香糖並將其轉變成可收集更多口香糖的垃圾桶。大多數市售口香糖是由一種叫做聚異丁烯的合成橡膠和食品級塑化劑混合而成，每一片口香糖需要幾百年才能完全降解。現在Gumdrop面臨的問題是，人們會把香菸扔進垃圾桶，而這會汙染口香糖，使其無法被回收。

正如謝弗所說：「重要的不是任何類型的塑料是否可回收、可生物降解或可堆肥，而是它是否會被循環利用、生物降解或堆肥。」 而這或許是塑料回收面臨的最大問題——如何應對人類變化無常的行為。

作者簡介

安娜·德明（Anna Demming）是英國布里斯托的獨立撰稿科學記者。

原文連結：

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

▲本文為Physics World 專欄的第34篇。

第一篇：中國的挑戰和變化

第二篇：第一個中美合作大學的物理研究所的故事

第三篇：專訪張富春：讓外國學者長期留在國內是個巨大的挑戰

……

第二十九篇：中國科學的下一件大事：高能同步輻射光源

第三十篇：怎樣用冶金學手段研究歷史？

第三十一篇：人有壽命，設備亦將老去，粒子物理學的探究將如何繼續？

第三十二篇：哈利·波特，你怎麼看待視覺特效和巫術？

第三十三篇：向大海要能量：人類雄心勃勃的藍色夢想

版權聲明

原文標題「Plastic that doesn't cost the Earth」，首發於2020年5月出版的Physics World，英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。未經授權的翻譯是侵權行為，版權方將保留追究法律責任的權利。

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