微塑料是由普通塑料物品掉落的小而幾乎堅不可摧的碎片。隨著有關(guān)微塑料的信息越來越多，情況變得更糟。眾所周知，微塑料存在于土壤、海洋，甚至是最不可能存在的地方——動脈、肺和胎盤。

微塑料可能需要長達 1000年的時間才能分解，在此期間，它們在人體和地球上的日常存在量會增加。

現(xiàn)在比以往任何時候都更重要的是找到微塑料和石油衍生的傳統(tǒng)塑料的可持續(xù)替代品。

3月35日，Algenesis和加州大學圣地亞哥分校的專家 接受AZO Materials專訪，他們公開表示，由他們 生產(chǎn)的植物基聚合物，即使在微塑料水平上，也能在不到七個月的時間內(nèi)生物降解。報告發(fā)表在《自然科學報告》上，由加州大學圣地亞哥分校的教授、校友或前研究科學家撰寫。

01

由環(huán)境可生物降解的聚酯聚氨酯產(chǎn)生的微塑料不會在自然環(huán)境中持續(xù)存在

人類大面積使用塑料的主要后果之一是產(chǎn)生微塑料：微小的塑料顆粒存在于地球上的任何地方。

微塑料通常由各種物理和化學過程形成，如物理或化學誘導的碎片、磨損、制造過程和紫外線降解。微塑料現(xiàn)在已被證明會在物理環(huán)境中沉積，如水體、土壤、雨水，甚至分散在空氣中。由于其普遍性，其現(xiàn)在是食物鏈的一部分。早期證據(jù)表明，微塑料或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)、動物和人類造成重大危害。

團隊認為，減輕微塑料對環(huán)境影響的一個有效解決方案是開發(fā)在其正常生命周期中不會產(chǎn)生持久性微塑料的塑料，而能夠滿足該方案的高分子材料為聚氨酯。

聚氨酯是一類廣泛用于各種產(chǎn)品的聚合物，包括泡沫墊、粘合劑、涂料和合成纖維。該材料具有許多理想的性能，如重量輕、耐用和柔性。

聚氨酯聚合物由多元醇和異氰酸酯的重復單元組成。當多元醇上的醇與異氰酸酯基反應時，會產(chǎn)生氨基甲酸酯鍵，也稱為氨基甲酸酯。氨基甲酸酯 在自然界中被發(fā)現(xiàn)并代謝，包括在血紅蛋白和RuBisCo中，因此適合制造可生物降解的聚合物。多元醇可 以通過多種方式配制，影響其生物降解能力。例如，聚酯多元醇是通過二酸和二醇的反應縮合生成酯鍵而形成的。由于酯鍵對水解的敏感性，含有酯鍵的聚合物具有生物降解的潛力，水解可以通過非生物機制或酶促方式發(fā)生，這是由于自然界中普遍存在的酯鍵導致不同酯酶進化的結(jié)果。

相反，聚醚多元醇，最典型地來源于石油，在當前的塑料工業(yè)中被廣泛使用，因為聚合物中的醚鍵不易被生物降解。因此，衍生自聚醚多元醇 的聚醚聚氨酯在通過破碎過程分解成小顆粒時也可能是微塑料污染的來源。然而，當水解酶活性在聚合物上進行時，含有酯和氨基甲酸酯鍵的聚酯-聚氨酯聚合物具有快速和完全生物降解的潛力。生物降解的過程和速率取決于聚合物的化學和物理性質(zhì)，以及聚合物所處的環(huán)境條件，因此生物降解或非生物水解只能在特定條件下發(fā)生。例如，聚乳酸（PLA）是一種聚酯聚合物，其酯鍵在高溫下易于水解，存在于工業(yè)合成設施中，但不存在于海洋環(huán)境中。

團隊推斷， 由環(huán)境可生物降解的聚酯聚氨酯產(chǎn)生的微塑料可能會在環(huán)境中迅速降解，因此不會在自然環(huán)境中持續(xù)存在。

為了驗證這一假設，研究團隊對生物基熱塑性聚氨酯（TPU-FC1）進行物理研磨以產(chǎn)生微塑料，并使用多種方法來確認這些微塑料在家庭堆肥條件下的快速生物降解和消失（圖1）。

微塑料顆粒的提取和定量表明，TPU-FC1顆?？稍?00天內(nèi)完全降解，而衍生自不可生物降解聚合物乙酸乙酯（EVA）的類似顆粒在相同時間內(nèi)沒有顯示出顆粒數(shù)量的減少。

在相同的堆肥條件下，通過呼吸測定法跟蹤CO ₂ 的產(chǎn)生，進一步證實了TPU-FC1顆粒的生物降解和礦化。為了確定負責這種生物降解的生物體，使用了TPU-FC1作為唯一的碳和能源進行微生物富集。從這些富集物中，分離出一種屬于紅球菌屬的菌株，該菌株僅在TPU-FC1上快速生長。使用這種紅球菌菌株的飼養(yǎng)研究表明，它可以將TPU-FC1材料解聚成起始單體，這些單體可以被紅球菌和其他微生物快速消耗。

圖1 微塑料在家庭堆肥條件下的快速生物降解和消失多種確認方法

02

生物基熱塑性聚氨酯 材料 未來可應用于棉布和注塑手機殼

經(jīng)團隊研究， 柔軟的 TPU-FC1在織物涂層中具有防水和/或密封的良好性能。 TPU材料也可以注射成型以形成塑料產(chǎn)品，例如手機殼。

為了在合理的實際應用中測試這些 TPU的生物降解性，團隊 使用類似的 TPU配方生產(chǎn)了TPU-FC涂層的 棉布和注塑手機殼 。配方使用相同定量的多元醇，以 芳香族異氰酸酯代替 TPU-FC1的脂族異氰酸酯，并在相同測定條件下將這些材料在堆肥中孵育。

與未堆肥相比 （圖2） ，這些不同材料的降解程度是完全不同的： 涂層織物（圖 2A，B）迅速生物降解，留下的織物經(jīng)堆肥僅兩周后， 從堆肥中取出時很容易破碎（圖 2B）。相比之下，未堆肥的對照組TPU涂層織物則保持了完整性和耐撕裂性 。與堆肥培育前的手機殼相比（圖 2D）， 經(jīng)過一年的堆肥培育，注塑手機殼變得易碎，并顯示出變色、生物膜形成、開裂和結(jié)構(gòu)退化的跡象（圖 2C）。

圖2 注塑手機殼生物降解性對比

掃描電子顯微鏡進一步證實了這些產(chǎn)物的生物降解和整體結(jié)構(gòu)變化。雖然未堆肥的對照 TPU涂覆的織物顯示出TPU涂層的存在掩蓋了下面的纖維棉材料（圖3c），但堆肥兩周的TPU涂覆織物是從與圖3b和圖2b 中的對照樣品相同的較大的 TPU涂層織物上切下的，其顯示出了TPU涂層的明顯損失，揭開了下面的織物（圖3a）。殘留的涂層也有顯著的開裂和降解，以及微生物生物膜的積累（圖3b）。

注塑手機殼也得到了類似的結(jié)果： 在堆肥中放置 12個月后，材料表面出現(xiàn)了類似的開裂和裂縫形成跡象（圖3d），而堆肥培養(yǎng)前材料表面不存在這些跡象（圖3f）。與涂層織物一樣，在TPU材料的表面上很容易觀察到微生物生物膜（圖3e）。

圖3 注塑手機殼生物降解和整體結(jié)構(gòu)變化：（a，b）在堆肥中培養(yǎng)2周后的TPU涂層織物。（c） 未放置在堆肥中的TPU涂層織物的對照圖像。（d，e）在堆肥中培養(yǎng)12個月后的注塑TPU手機殼。（f） 放置在堆肥中之前，注塑TPU手機殼的控制圖像。

編譯整理：《生物基生態(tài)》，轉(zhuǎn)載請標明出處

參考鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-56492-6#MOESM1、https://www.azom.com/news.aspx?newsID=62752