可生物降解的活塑料内有细菌孢子可帮助其分解

一种新型生物塑料有助于减少塑料行业对环境的影响。加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发出了一种可生物降解的热塑性聚氨酯 (TPU)，这是一种柔软而耐用的商用塑料，可用于鞋类、地垫、坐垫和记忆泡沫。它充满了细菌孢子，当暴露于堆肥中的营养物质时，细菌孢子会在材料生命周期结束时发芽并分解。

该项研究的详细内容发表在 4 月 30 日的《自然通讯》杂志上。

可生物降解的 TPU 是由枯草芽孢杆菌菌株的细菌孢子制成的，该菌株具有分解塑料聚合物材料的能力。

“这是这些细菌的固有特性，”这项研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授兼该大学材料研究科学与工程中心 (MRSEC)联合负责人乔恩·波科尔斯基(Jon Pokorski) 说。“我们选取了几个菌株，评估了它们使用 TPU 作为唯一碳源的能力，然后挑选出生长最好的一个。”

研究人员使用了细菌孢子，这是一种休眠状态的细菌，因为它们对恶劣的环境条件具有抵抗力。与起繁殖作用的真菌孢子不同，细菌孢子具有保护性蛋白质屏障，使细菌在营养状态下也能存活。

为了制造这种可生物降解的塑料，研究人员将枯草芽孢杆菌孢子和 TPU 颗粒放入塑料挤出机。这些成分混合后在 135 摄氏度下熔化，然后挤出薄塑料条。

为了评估材料的生物降解性，将塑料条放在微生物活跃和无菌堆肥环境中。堆肥装置的温度保持在 37 摄氏度，相对湿度在 44% 至 55% 之间。堆肥中的水和其他营养物质引发塑料条内孢子的发芽，在五个月内降解率达到 90%。

“令人惊奇的是，我们的材料即使在没有额外微生物的情况下也会分解，”波科尔斯基说。“大多数塑料很可能不会被放入富含微生物的堆肥设施中。因此，这种在无微生物环境中自我降解的能力使我们的技术更加通用。”

虽然研究人员仍需研究材料降解后会留下什么，但他们指出，任何残留的细菌孢子可能都是无害的。枯草芽孢杆菌是一种用于益生菌的菌株，一般认为对人类和动物都是安全的——它甚至对植物健康也有好处。

在这项研究中，细菌孢子经过进化改造，能够在 TPU 生产所需的高温下生存。研究人员使用一种称为自适应实验室进化的技术来创建一种能够适应挤出温度的菌株。该过程包括培养孢子，让它们在极端温度下持续一段时间，并让它们自然变异。然后分离出在此过程中存活下来的菌株，并再次进行循环。

“我们不断地对细胞进行反复进化，直到我们找到一种能够耐受高温的菌株，”这项研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的生物工程研究科学家亚当·费斯特说。“令人惊讶的是，这种细菌进化和选择过程对于实现这一目的的效果非常好。”

孢子还可用作强化填料，类似于钢筋加固混凝土的作用。这样就产生了一种机械性能增强的 TPU 变体，需要更大的力才能断裂，并且具有更大的拉伸性。

“只要加入孢子，这两种性能就都得到了极大的改善，”波科尔斯基说。“这很棒，因为加入孢子使机械性能超越了已知的极限，而此前，机械性能需要在抗拉强度和拉伸性之间进行权衡。”

虽然当前的研究重点是生产较小的实验室规模以了解可行性，但研究人员正在努力优化该方法以用于工业规模。正在进行的努力包括将生产规模扩大到公斤级，进化细菌以更快地分解塑料材料，以及探索 TPU 以外的其他类型塑料。

“最终进入环境的商业塑料种类繁多，TPU 只是其中之一，”Feist 说道。“我们下一步的计划是扩大利用这项技术可以制造的可生物降解材料的范围。”