为了对付白色污染,中国科学家想出了这样一招

subtitle 了不起的中国制造12-05 07:19 跟贴 1937 条
海洋环境具有富水、高盐、高压、低温、流动等特点,塑料流入海洋后比陆地上降解要难得多。中国科学家研发了一种可以在海水中降解的塑料,它的降解周期和降解方式可以直接按不同的应用需求进行调控,最终甚至实现降解模式的智能化,能有效解决海洋中的塑料污染问题。

出品 | 网易新闻

作者 | 鸿鹄,科技爱好者

塑料是人类最伟大的发明之一,但随着“白色污染”的愈演愈烈,它似乎也成为了“最糟糕”的发明。

塑料污染正在危害越来越多的生物,同时带来不可逆的自然环境破坏,特别是作为孕育生命的海洋,其中的塑料垃圾污染的严重性远超我们想象,必须寻求解决之法,否则后果不堪设想。

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(被海洋塑料垃圾缠身的海狮)

(一)每年至少有2000万吨塑料垃圾流入海洋

海洋对人类而言,有着非常重要的意义。它为人类提供了食物、油脂、化工材料、药物等大量资源。海洋更以其丰富的水资源,调节全球的气候变化,同时,海洋生态环境也是全球污染物的最终净化厂。不过这样的最终净化厂,面对工业文明的非自然之物,比如塑料垃圾污染,也有些无能为力。

目前全世界每年生产的塑料制品超过3亿吨,经使用后产生的塑料废弃物超过3000万吨,这其中的大部分都不能被合理地处理,其中更有超过2000万吨的塑料垃圾通过陆地河道、风力等最终流入海洋。

(大洋环流垃圾带与海洋塑料垃圾聚集而成的垃圾岛)

流入海洋的塑料在副热带环流的参与下,经由洋流系统,在每个大洋中特定位置聚集形成垃圾带,其中大太平洋垃圾带的面积据估计可能已经超过三个法国的大小。

除了以垃圾带形式聚集的海洋塑料垃圾外,流入海洋的塑料有一半会在漂流的过程中,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”。这些微塑料在以后的几十年甚至几百年的时间里,会在海洋中不断漂泊,直至遍布整个海洋。

不管是聚集的塑料,还是漂流中的塑料,抑或数量繁多的微塑料,都会对海洋的生态环境产生十分不利的影响。

对于体型较大的海洋生物而言,塑料垃圾可能会将其缠绕,影响其活动,甚至有可能被其误当作食物吞食,从而导致它们的消化系统被破坏,并最终导致死亡。

而那些微塑料则更容易被海洋生物当作食物摄入,这些微塑料既无法被消化,又很难排出体外,最终在生物消化道内残留。同时微塑料自身所含的毒性物质,也被摄食的生物吸收,最终在食物链中的各级生物体内富集。

(鱼体内发现的塑料颗粒)

目前以微塑料为首的塑料垃圾对海洋的污染正以令人难以想象的速度扩张,甚至于研究人员已经从深处四千五百米的生物体内检测出微塑料。

塑料垃圾污染对海洋生物的困扰,最终又反馈回人类本身。食用体内含有塑料的海洋生物对人类的影响在很大程度上仍然是未知的,但可知的是它们对人类健康和食品安全的威胁正在加剧。

(二)生物可降解塑料,是怎样的存在?

减少不必要的塑料制品使用,同时增加塑料的回收利用率,是解决塑料污染的两大有效措施,不过塑料制品想要回收十分的麻烦,涉及成本及回收后的实用安全性等问题。

所以,对于人类历史上产生的大多数塑料而言,它们大部分目前都以某种形式继续存在着,比如某处的垃圾填埋场。

采用垃圾焚烧发电,是目前塑料垃圾资源化处理的另一有效方式,但也需要考虑到集中处理、分类等问题,所以发展可降解的塑料就变得很有必要。

(填埋场中的塑料垃圾)

可降解塑料是指能够在物理和生物因素(光或热,或微生物作用)作用下降解的塑料,其中最为人所熟知的应属于生物可降解塑料,因其组成成分是较为“天然”(可以参与自然界循环)的高分子材料,所以能够利用自然界中的微生物作用来引起塑料的降解,最终将塑料无机化。

(生物可降解的塑料地膜)

这些生物可降解的高分子材料又能以改性或者填充的方式,将聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等变为破坏性生物降解塑料。不过,这种类型的塑料在降解过程中,微生物只是降解了其中添加成分,比如淀粉,使其分解成更小的传统塑料碎片,分解之后还是会存在难降解的成分,所以并非最好的降解手段。

除了生物降解塑料外还有水降解塑料、光降解塑料等,这些塑料在生产过程中会添加吸水性物质、光敏剂、预氧化剂等添加剂,使其在特定条件下能够加速分解。

不过它们的降解过程对环境有所要求,所以无法控制降解时间。而且降解后的单体单元还是不能被吸收参与物质循环,所以不如生物可降解塑料实用。

(三)海水中可降解塑料有啥特别之处?

随着人们环保意识的增强,以及“禁塑令”的推广,聚乳酸等在内的多种商品化降解材料在众多领域中替代不可降解的通用塑料,陆地上的塑料垃圾污染一定程度上得到缓解。

而海洋环境特殊,海洋中的塑料垃圾处理起来依然棘手。曾有国外专家想要利用大太平洋垃圾带建造漂浮岛,到现在都未见到实质性进展,而海水中漂浮的微塑料则更难处理,通过传统打捞方式进行广泛收集和处理可行性很低。所以如果找不到合适的解决方法,进入海洋的塑料可能需要数百年才能降解。

更为严重的是,目前海洋中能找到的塑料中,80%以上是尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等非常难降解的树脂材料。所以一方面人类要想办法处理海洋中已有的塑料,另一方面则需要开发和使用能在海洋环境中能自行降解的塑料制品,这是解决海洋中塑料垃圾继续增量化的最根本途径。

(海洋中的塑料难以降解)

但想要开发海水中可降解的塑料并不简单,以前面提到的可生物降解的聚酯材料为例,它可以通过堆肥生物降解的方式快速降解(符合一定时间等要求的生物降解塑料为可堆肥塑料),不过这一过程对环境中的微生物种类、数量、温度都有一定的要求,如此才能让聚合物在微生物分泌酶的作用下发生酶促水解反应,参与堆肥降解的微生物更是动辄每升土壤中数以亿计。

海洋环境不同于陆地,具有富水、高盐、高压、低温、流动和稀营养的特点,所以大洋海水中微生物密度相比于陆地堆肥降解几乎可以忽略不计。海水中要达到生物降解所需的条件很难,在陆地上几十天就降解一大半的聚酯材料在海洋中即使过了一年也不会有明显变化。因为两种环境中的聚酯材料的降解机理是完全不同的。

陆地上的堆肥过程,因为有微生物参与分泌酶,所以降解过程属于酶促水解反应;而海水环境则会使降解过程更倾向于高盐复杂水体环境中的非酶促水解反应。这种非酶促水解反应受水体中盐度、温度的影响巨大,同时还与聚酯材料链段结构、结晶性能有关,通常而言,大多数聚酯材料在海水中降解周期非常缓慢,甚至难以降解。

为了让生物可降解塑料在海水中也实现可降解,必须重新对塑料进行设计、合成、改性和加工,使其符合在海水条件下的降解需求。

(四)中国开发的海水中可降解塑料牛在哪?

目前,国际上海水降解材料的相关研究起步不久,中国的科学家也开展了海水降解材料相关研究。就在前段时间,中国科学院理化技术研究所研发出一款海水中生物可降解塑料,这种塑料在国内3家公司成功投产后总产能达到每年7.5万吨,占全球总量的一半。

他们从塑料的分子设计和两相合成角度出发,经过多次反复实验,发现可以向生物降解聚酯体系中引入非酶水解的基团,使得非酶水解过程和水溶过程与生物降解过程都结合起来。这种塑料在降解的过程中可以同时符合前面提到的陆地酶促水解反应与海洋非酶促水解反应机理,最终实现不同环境的塑料可降解。

(中科院理化所开发的全生物降解塑料制品)

经过非酶水解的基团改进的生物降解聚酯塑料能够在海水环境中以数分钟到几百天内不同周期实现降解,真正意义上达到了海水可降解的要求。而且,通过对材料的设计、合成、改性和加工,这种可降解塑料的降解周期和降解方式可以直接按不同的应用需求进行调控,最终甚至实现降解模式的智能化。

(如果不加控制,2050年海洋中的塑料垃圾可能会比鱼还多)

对中国这种塑料生产大国和消费大国而言,其意义非常重大,中国的海洋资源丰富,而近岸海域及潮滩却普遍存在微塑料等塑料垃圾污染问题。严峻的污染现状需要海水可降解塑料的加速商业化来改善。

结语

海水可降解材料研究在现有生物降解材料基础上构建,能同时解决陆地、海洋的塑料污染问题。新的材料体系的开发和使用才刚刚开始,利用海水可降解的塑料制品来防治海洋塑料污染,可以说仍然任重道远。

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编辑| 史文慧

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