一種新型生物塑料可能有助于減少塑料行業(yè)的環(huán)境足跡。加州大學(xué)圣迭戈分校領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種可生物降解的熱塑性聚氨酯（TPU）。這種TPU材料填充了細(xì)菌孢子，當(dāng)接觸到堆肥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，這些細(xì)菌孢子會(huì)發(fā)芽并在其生命周期結(jié)束時(shí)分解材料。
4月30日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的一篇論文詳細(xì)介紹了此項(xiàng)研究成果。
可生物降解的TPU添加的是枯草芽孢桿菌孢子，該細(xì)菌孢子具有分解塑料聚合物材料的能力。
“這是這些細(xì)菌的固有特性，”該研究的共同資深作者、加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布工程學(xué)院納米工程教授、該大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）的共同負(fù)責(zé)人Jon Pokorski說(shuō)：“我們挑選了一些菌株，評(píng)估了它們使用TPU作為唯一碳源的能力，然后選擇了生長(zhǎng)最好的菌株?！?/p>
研究人員使用了細(xì)菌孢子，這是一種休眠形式的細(xì)菌，能抵抗惡劣的環(huán)境條件。與具有生殖能力的真菌孢子不同，細(xì)菌孢子具有保護(hù)性蛋白質(zhì)屏障，使細(xì)菌能在缺乏營(yíng)養(yǎng)時(shí)存活下來(lái)。
為了制造可生物降解的塑料，研究人員將枯草芽孢桿菌孢子和TPU顆粒放入塑料擠出機(jī)中。將這些成分混合并在135℃下熔化，然后擠壓成薄塑料條。
為了評(píng)估材料的生物降解性，將塑料條放置在微生物活性和無(wú)菌堆肥環(huán)境中。堆肥裝置保持在37℃，相對(duì)濕度在44%至55%之間。堆肥中的水和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促使孢子在塑料條內(nèi)發(fā)芽，在五個(gè)月內(nèi)降解90%。
Jon Pokorski稱：“值得注意的是，即使沒(méi)有額外的微生物，我們的材料也會(huì)分解。很可能，這些塑料中的大多數(shù)最終不會(huì)進(jìn)入富含微生物的堆肥設(shè)施。因此，這種在無(wú)微生物環(huán)境中自我降解的能力使我們的技術(shù)更加通用?！?/p>
盡管研究人員仍需要研究材料降解后留下的物質(zhì)，但他們指出，任何殘留的細(xì)菌孢子可能都是無(wú)害的?？莶菅挎邨U菌是一種用于益生菌的菌株，通常被認(rèn)為對(duì)人類和動(dòng)物是安全的，甚至對(duì)植物健康有益。
在這項(xiàng)研究中，細(xì)菌孢子經(jīng)過(guò)進(jìn)化改造，能夠在TPU生產(chǎn)所需的高溫下生存。研究人員使用一種稱為適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的技術(shù)來(lái)創(chuàng)造一種對(duì)擠壓溫度具有彈性的菌株。這個(gè)過(guò)程包括培養(yǎng)孢子，將它們置于極端溫度下一段時(shí)間，并讓它們自然突變。然后分離出在此過(guò)程中幸存下來(lái)的菌株并再次進(jìn)行循環(huán)。
該研究的共同資深作者、加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院的生物工程研究科學(xué)家Adam Feist表示：“我們不斷地進(jìn)化細(xì)胞，直到找到一種能夠耐受高溫的優(yōu)化菌株。令人驚訝的是，細(xì)菌進(jìn)化和選擇的過(guò)程能很好地實(shí)現(xiàn)這一目的?！?/p>
細(xì)菌孢子還可以用作增強(qiáng)填料，類似于鋼筋加固混凝土的方式。其結(jié)果是改性TPU材料具有增強(qiáng)的機(jī)械性能，需要更大的力才能斷裂并表現(xiàn)出更大的拉伸性。
Jon Pokorski表示：“僅僅通過(guò)添加細(xì)菌孢子，這兩種特性就得到了極大的改善?！?/p>
雖然目前的研究重點(diǎn)是生產(chǎn)較小的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的產(chǎn)品以了解其可行性，但研究人員正在努力優(yōu)化該方法以用于工業(yè)規(guī)模。正在進(jìn)行的努力包括將產(chǎn)量擴(kuò)大到公斤級(jí)，進(jìn)化細(xì)菌以更快地分解塑料材料，以及探索TPU以外的其他類型的塑料。
Adam Feist說(shuō)道：“有許多不同種類的商業(yè)塑料最終會(huì)進(jìn)入環(huán)境，TPU只是其中之一。我們的下一步是擴(kuò)大可以用這項(xiàng)技術(shù)制造的可生物降解材料的范圍?！?/p>
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