現(xiàn)代意義上的合成材料指的是人工合成的有機高分子材料，它們起源于19世紀化學家們的一次次嘗試，比如于1835年（法國Henri Victor Regnault）和1872年（德國Eugen Baumann）先后兩次被無意發(fā)現(xiàn)的聚氯乙烯（PVC），還有1839年德國化學家Eduard Simon在蒸餾安息香酯時意外發(fā)現(xiàn)的聚苯乙烯（PS）。

　　不過絕大多數(shù)合成材料的專利申請與大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化都是20世紀初才完成的。尤其是兩次世界大戰(zhàn)期間，人們對各類新材料的需求爆炸式增長，使得石油化工業(yè)逐步崛起，合成材料迎來了一輪又一輪的繁盛，也促使巴斯夫、杜邦、拜耳、陶氏化學等一系列國際化工龍頭企業(yè)確立了他們的業(yè)界霸主地位。

　　每年沉積物中塑料的顆粒數(shù)變化趨勢與世界塑料產(chǎn)量的發(fā)展趨勢完美吻合。

　　圖片來源：參考文獻[4]

　　這么算起來，諸如塑料、人造橡膠、人造纖維這些合成材料走進人們的生活其實也才剛剛百年。然而，我們的衣食住行卻早已不能離開它們了。放眼四周，無論是衣物、餐具，還是桌椅或者涂料，合成材料無處不在，幾乎無法想象一個完全不使用合成材料的生產(chǎn)或者生活場景。塑料，似乎已經(jīng)成為見證我們這個時代的標記物。

　　我們對合成材料的依賴也被記錄在了地層中，2019年的《科學進展》發(fā)表了一項研究，來自美國斯克里普斯海洋研究所的研究人員對圣巴巴拉沿岸大概580米深的海底沉積物巖心進行了分析。結果發(fā)現(xiàn)，塑料竟然已經(jīng)沉積其中，合成材料作為一種典型的地層標志物成為“人類世”開始的標志。人類世這一概念是由諾貝爾化學獎得主，荷蘭大氣化學家保羅？克魯岑于2000年提出，目的是強調人類在地質學與生態(tài)學中的決定性地位。當前，塑料在地層中的真實存在，將塑料污染問題突出地展現(xiàn)在我們面前。

　　塑料巖球樣品，采自夏威夷Kamilo海灘。圖片來源：Naturaleza

　　魔高一尺，道高一丈

　　那么，既然我們離不開塑料之類的合成材料，而它們又會造成如此之多的危害，難道我們就只能坐以待斃嗎？

　　當然不！

　　近年來，隨著白色污染問題引發(fā)的持續(xù)關注，世界各國除了出臺諸如“限塑令”或提高塑料制品的廢品回收率之類的政策之外，還在大力研發(fā)可以自然降解的新型合成材料，比如近些年合成出的聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、己二酸-對苯二甲酸丁二酯共聚物（PBAT）等等。

　　除此之外，尋找能夠以塑料為生的細菌、真菌，乃至蟲子，也成為了科學研究的熱點。事實上，這才應該是塑料最終的歸宿，只有塑料有了“天敵”，才能與地球長期和諧共存。

　　飲料瓶的原料——聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是這類研究中的一個常客。一個比較重要的原因是這類材料本身就可以在強酸、強堿或高溫水蒸氣的作用下發(fā)生水解反應，同時酯基也是一類在自然界中很常見的官能團（比如油脂），因而很多微生物便都有可能可以消化這類塑料。日本的一個科研團隊通過人工篩選的方式，發(fā)現(xiàn)了一種名叫Ideonella sakaiensis的細菌中存在多種特殊的水解酶，可以在常溫下進食PET，將其消化為聚合物的單體——對苯二甲酸和乙二醇，并且可以在PET薄膜上繁衍生息[5]。

　　左上：PET薄膜上的Ideonella sakaiensis細菌（標尺：1微米）。左下：被細菌“吃” 了70天的PET薄膜（標尺：0.5毫米）。右：該細菌對PET的代謝過程。圖片來源：參考文獻[5]

　　而中科院昆明植物研究所的一個團隊在伊斯蘭堡的一處垃圾處理廠的土壤中分離出了一種名叫塔賓曲霉菌（Aspergillus tubingensis）的真菌，發(fā)現(xiàn)它們可以在聚氨酯（PU）塑料上穩(wěn)定生長，并且能在幾個月之內(nèi)將一張聚氨酯薄膜完全降解[6]。PU具有隔熱、隔音、抗震等等一大堆優(yōu)點，因此也是我們生活中常用的材料之一，無論是客廳的仿木家具，還是衛(wèi)生間防水涂料，無論是你新買的包包或者皮鞋，還是學校操場的塑膠跑道，都可能用到了PU。

　　左上：PU薄膜。右上：塔賓曲霉菌的菌落和微觀形貌（標尺分別為70毫米培養(yǎng)基和2微米）。下：在沙氏瓊脂培養(yǎng)基中由霉菌降解兩周后的PU薄膜宏觀微觀形貌。圖片來源：參考文獻[6]

　　塑料袋常用聚乙烯（PE）制作而成，而北京航空航天大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)蠟蟲（印度谷螟幼蟲）能夠咀嚼和進食聚乙烯PE薄膜，進一步研究發(fā)現(xiàn)是它們肚子里的兩種細菌——腸桿菌YT1和芽孢桿菌YP1幫助它們將塑料薄膜消化掉了[7]。后來，進一步的研究還發(fā)現(xiàn)面包蟲（黃粉蟲）吃起塑料來更有一套，不僅能吃相對難消化的聚苯乙烯（PS），甚至可以只進食PS塑料泡沫就生存下去[8-9]。

　　上：蠟蟲吞食PE薄膜。下：面包蟲吞食聚苯乙烯泡沫板。圖片來源：參考文獻[7][9]

　　雖然，無論是可降解塑料，還是尋找特殊生物進行降解，在技術層面都還不夠成熟，仍有各種各樣的問題，尤其是高昂的成本讓市場和大多數(shù)人望而卻步。不過，這些新方法、新發(fā)現(xiàn)還是給人們解決白色污染這一史詩級難題帶來了一縷縷曙光，或許，在不久的將來，白色污染就可以得到明顯的緩解。當然了，至少在現(xiàn)在，大家首先要做的還是不要亂扔垃圾，畢竟，開源節(jié)流才是解決問題的根本方法！

　　參考文獻：

　　[1]?國務院辦公廳.?國務院辦公廳關于限制生產(chǎn)銷售使用塑料購物袋的通知?[EB/OL]. http://www.gov.cn/zwgk/2008-01/08/content_852879.htm, 2008-01-08.

　　[2]?熊麗.?多地出臺塑料污染治理政策措施——新“限塑令”新在哪[EB/OL]. http://www.xinhuanet.com/politics/2020-07/07/c_1126203898.htm, 2020-07-07.

　　[3] Thompson R C, Olsen Y, Mitchell R P, et al. Lost at sea: where is all the plastic?[J]. Science, 2004, 304(5672): 838.

　　[4] Brandon J A, Jones W, Ohman M D. Multidecadal increase in plastic particles in coastal ocean sediments[J]. Science Advances, 2019, 5(9): eaax0587.

　　[5] Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)[J]. Science, 2016, 351(6278): 1196-1199.

　　[6] Khan S, Nadir S, Shah Z U, et al. Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis[J]. Environ Pollut, 2017, 225: 469-480.

　　[7] Yang J, Yang Y, Wu W M, et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms[J]. Environ Sci Technol, 2014, 48(23): 13776-13784.

　　[8] Yang Y, Yang J, Wu W M, et al. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests[J]. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12080-12086.

　　[9] Yang Y, Yang J, Wu W M, et al. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms[J]. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12087-12093.

關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情