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靠細菌和蟲子能吃掉白色汙染嗎?

源 | 科學公園 文 | 魏昕宇

2015年11月,一向比較低調的高分子科學界突然整出了一個大新聞:來自中美兩國的研究人員發現,黃粉蟲這種昆蟲的幼蟲,即俗稱的麵包蟲,能夠吞食和降解塑料。

這則消息傳出後,真可謂一石激起千層浪。有不少讀者倍感欣慰,認為長期困擾人類社會的白色汙染問題終於有了解決之道。但也有一些讀者表示不解,認為黃粉蟲能以塑料為食早就不是什麽驚天的秘密。甚至有人在搜索之後發現,早在十餘年前就有國內的中學生發現黃粉蟲可以吃掉塑料,懷疑此次報導的研究不僅毫無新意,甚至有剽竊他人成果之嫌。

這一報導引發的爭議,實際上既體現了廣大民眾對近年來方興未艾的生物可降解塑料這一研究領域的關注和期待,也反映出人們對於這一新生事物的某些誤解。因此要想準確理解這項研究,我們不妨先梳理一下生物可降解塑料發展的脈絡。

當各種合成高分子材料剛剛進入我們的視野時,人們在欣喜於它們給生活帶來的極大便利的同時,並沒有過多地去考慮這些材料在壽終正寢之後該如何處理。廢棄的高分子製品往往只是簡單地被送到垃圾填埋場甚至隨手扔在街上。然而隨著時間的推移,人們逐漸意識到它們的化學性質通常非常穩定,在環境中可以長時間存在。因此廢棄的高分子材料,尤其是塑料,造成了嚴重的環境問題,也就是通常所說的“白色汙染”。這迫使人們不得不尋求解決問題之道。

然而在塑料誕生前,人類一直在利用天然的高分子化合物,為什麽在過去的幾千年間並沒有出現白色汙染的問題呢?一個重要的原因在於,在與這些天然高分子化合物共存的漫長歲月裡,各種微生物已經進化出一系列的酶,能夠將這些龐大的分子轉變成可以為生物再次利用的養料。事實上,如果沒有微生物扮演分解者角色,保證生態系統中的物質循環,恐怕早在人類誕生之前,地球上的資源就被生物消耗殆盡了。相反,合成高分子材料誕生至今不過100多年的歷史,微生物對它們並不熟悉,面對這些全新的化學結構時往往會感到無計可施。這樣一來,人工合成的高分子材料難免在環境中長久地累積下來。

既然如此,我們把天然高分子材料直接請回來,白色汙染問題不就迎刃而解了嗎?接下來我們就來分析一下這條路是否走得通。

一、心有余而力不足的天然高分子材料

在天然高分子化合物中,含量最為豐富的要數纖維素了。纖維素廣泛存在於植物特別是樹木中,是由數百至上千個葡萄糖分子相互連接而形成的線性高分子。要問纖維素的機械強度如何,那些參天大樹是再好不過的證明。按理說如此強勁的高分子化合物足以秒殺一切合成的塑料了,但偏偏正是這一點成了纖維素的軟肋。我們知道,塑料之所以應用廣泛,很重要的一點在於這個“塑”字,即可以通過熔融流動來被加工成任意形狀。即便是高溫下不能熔化的熱固性塑料,也可以通過溶液等其他液體形式來實現成型加工。然而纖維素由於分子間的相互作用極強,在高溫下寧可降解也不肯流動,同時它也很難溶於大部分溶劑,這就使得纖維素的應用受到很大的限制。

當然,長久以來,人們從未放棄過更好地利用纖維素的努力,其中造紙術的發明或許可以看作第一步。在造紙過程中,木材等富含纖維素的原料通過機械或者化學過程被分解成纖維素的短纖維,這些短纖維乾燥成型後就得到了紙。紙的出現無疑讓我們對纖維素的利用更加充分。時至今日,紙張仍然在我們的生活中扮演著不可或缺的角色,目前全球紙製品的產量一點也不比塑料少。這些紙製品除了用於書寫、印刷、個人衛生等,也經常替代塑料用於包裝、餐具等領域。但紙畢竟不是真正意義上的塑料,許多性能也無法媲美塑料,例如紙遇水後強度就下降許多,而且無法像塑料那樣做到完全透明。事實上,許多紙質的包裝材料往往還需要塑料的配合才能達到比較理想的效果,例如許多用來裝牛奶的紙盒就必須在內部塗上一層塑料才能保證良好的防水效果。另外,紙雖然以可再生的植物為原料,廢棄後也可以被微生物降解,但其生產過程中要產生大量的汙水,對環境的負面影響也不容忽視。因此,用紙製品來進一步代替塑料製品恐怕未必是很好的選擇。

到了近代,人們在不斷地摸索中發現了更好地改造纖維素的方法。纖維素之所以難以熔化或者溶於溶劑,是因為分子間存在著強烈的氫鍵,而氫鍵的存在又是源於纖維素分子中大量的羥基結構。如果我們通過化學反應讓羥基轉化為別的結構,就有可能破壞纖維素分子之間的氫鍵,讓纖維素變得能夠溶解,這也正是這些新方法的切入點。例如纖維素與濃硝酸發生硝化反應得到的硝化纖維,與醋酸酐反應得到的醋酸纖維素,都可以形成溶液,從而實現進一步的加工,讓我們更好地利用纖維素。如果在硝化纖維中加入樟腦作為增塑劑,可以得到性能進一步改善的賽璐珞,它被公認為是最早的塑料,誕生之後曾經很受歡迎。但賽璐珞有一個致命的缺陷,那就是太容易著火,要知道硝化程度高的纖維素可以被用作火藥。作為塑料的硝化纖維硝化程度沒那麽高,但仍然很危險。例如,早期的電影膠片都是用硝化纖維製作,因此膠片庫的火災屢見不鮮,許多珍貴的影片拷貝就這樣在火焰中灰飛煙滅。相比之下,醋酸纖維素沒有那麽易燃,因此逐漸取代了賽璐珞。但即便是這一類較為安全的材料,其生產加工仍然不如聚乙烯、聚丙烯等完全人工合成的塑料來得方便,因此在合成塑料興起後就逐漸退居次要的位置。而且經過化學修飾的纖維素雖然加工更加容易,卻也有可能因此失去了可被微生物降解的特性,這也是值得注意的一個問題。

另外一種改造纖維素的方法是用鹼溶液和二硫化碳處理纖維素,纖維素分子中的羥基會與二硫化碳反應,這同樣會讓纖維素變得可溶。隨後如果把酸加入溶液中,與二硫化碳反應結合的羥基又會被破壞。經過複雜的過程,纖維素的化學結構沒有改變,物理結構卻發生了變化,加工起來變得更加容易,這就是所謂的“再生纖維素”。我們在挑選服裝時可能會注意到有些衣服會注明材質是“人造絲”,這就是用再生纖維素加工的纖維。

與賽璐珞和醋酸纖維素相比,再生纖維素的一個優勢是纖維素的化學結構最終沒有改變,因此其生物降解的能力也不受影響。然而不幸的是,再生纖維素的生產過程中要用到二硫化碳這種毒性很高且易燃的物質,對工人的健康和安全是一個嚴重的威脅。不過近些年來,許多科學家們嘗試用更加安全環保的化學試劑來取代二硫化碳,並取得了一定的進展,這讓人們看到了一定的希望。

介紹了纖維素,就不能不提一下它的“小兄弟”—澱粉。與纖維素一樣,澱粉也是由葡萄糖連接而成的高分子化合物,但二者不僅葡萄糖分子之間的連接方式有所不同,而且纖維素分子完全是直鏈結構,而澱粉分子則有一部分是分支結構,這使得澱粉分子之間的相互作用更容易被破壞。如果把澱粉與少量的水混合並加熱,澱粉就可以像熱塑性塑料那樣熔化流動,從而被加工成不同的形狀,這樣得到的澱粉被稱為熱塑性澱粉。熱塑性澱粉同樣可以被微生物降解,而且加工又比纖維素容易得多,加之澱粉的來源也很廣泛,因此熱塑性澱粉近年來頗受重視。然而不幸的是,相對較弱的分子間作用力既使得澱粉比纖維素容易加工,也導致熱塑性澱粉的強度要比纖維素遜色許多,因此通常要和其他高分子材料混合才能達到令人滿意的效果,這就嚴重製約了熱塑性澱粉的推廣應用。

當然,除了纖維素和澱粉,還有許多其他的天然高分子化合物也有可能成為塑料的替代品。但這些天然高分子化合物大多也面臨著這樣那樣的問題,如果用一句話來概括,那就是好用的不夠用,夠用的不好用。例如有一種名為普魯蘭多糖的天然高分子化合物,結構與纖維素類似,機械性能也不差,但它可以直接溶於水,因此加工起來要方便得多,但這種材料目前只能通過微生物發酵來獲取,如果作為塑料的替代品,搞不好塑料要成為奢侈品的代名詞了。因此,天然高分子材料在未來也許會經歷一定程度的複興,但要想全面取代合成的塑料以消除白色汙染,恐怕是非常困難的。

天然的高分子材料不夠給力,科學家們只好求助於人工合成,而一大批新的生物可降解塑料也應運而生,其中最為人所熟知的大概要數近年來“出鏡”頻率頗高的聚乳酸了。

(未完待續)

(本文節選自作者所著《塑料的世界》一書,科學出版社2019年5月出版,文字略有調整)

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