隨著全球塑料需求的持續(xù)激增，人類越來越急切地呼吁更可持續(xù)的塑料解決方案。生物基塑料是普通塑料的潛在替代品之一，但目前的技術(shù)是否已經(jīng)能支撐生物基塑料來滿足可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求呢？

撰文?|?祝葉華

生物基塑料的“入場”

如果文明因其遺留下來的“作品”而被銘記，我們現(xiàn)在所處的時(shí)代可能會(huì)被貼上“塑料時(shí)代”的標(biāo)簽。1971年，第一篇記錄自然界塑料污染的論文經(jīng)由同行評審后被發(fā)表出來[1]。從那時(shí)起，大量關(guān)于塑料污染的工作被逐漸積累起來。我們現(xiàn)在知道，塑料在環(huán)境中的無所不在是毋庸置疑的。20世紀(jì)50年代初以來，人類已經(jīng)生產(chǎn)了83億噸塑料制品，其中約63億噸已成為塑料垃圾。在這63億噸塑料垃圾中，9%被回收利用，12%被焚燒，79%進(jìn)入垃圾填埋場或被棄置到自然環(huán)境中。如果按照目前的產(chǎn)量和廢物管理模式發(fā)展下去，預(yù)計(jì)到2050年會(huì)產(chǎn)生120億噸塑料垃圾[2]?！皾L滾而來”的塑料垃圾迫使人們發(fā)展出了無數(shù)潛在的解決方案，生物基塑料就是其中之一。
首先要澄清兩個(gè)概念，生物基塑料和生物塑料并不是一回事，事實(shí)上，生物塑料是生物基塑料和生物降解塑料的統(tǒng)稱。本文聚焦的話題是“生物基塑料”，這類塑料使用從玉米或甘蔗等作物中提取的碳與傳統(tǒng)塑料中使用的增塑劑等其他化學(xué)物質(zhì)共同制作而成，這與傳統(tǒng)塑料的骨架主要是來自化石燃料的碳鏈不同。

目前最常用的兩種生物基塑料分別是PHA?(聚羥基烷酸酯)?和PLA?(聚乳酸)，前者通常由藻類制成，后者則由玉米和甘蔗等作物作為原材料制備。PLA的成本是PHA的十分之一，因此更廣泛地用于一次性餐具和各種包裝。PHA則被用作紙杯和醫(yī)療應(yīng)用的內(nèi)部涂層。
但這兩種生物基塑料都沒有被廣泛使用，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度和其他性能根本無法與傳統(tǒng)塑料相比，而且成本要高得多。另一方面，雖然現(xiàn)在使用的這兩種生物塑料都可以被微生物分解，但需要集中收集起來，并在高溫工業(yè)堆肥設(shè)施中進(jìn)行堆肥，而這樣的設(shè)施在市政廢棄物處理車間并不多，尤其是在塑料污染問題最嚴(yán)重的發(fā)展中國家，此類設(shè)備少之又少。除此之外，與傳統(tǒng)塑料相比，生產(chǎn)生物基塑料還需要與糧食作物競爭土地，而生物基塑料的原料作物對環(huán)境是否友好，也存在不小的爭議。

土地競爭和依舊存在的污染

種植PLA類生物基塑料原料作物需要大量的土地空間。2020年的一項(xiàng)研究估算了到底需要多少土地才能實(shí)現(xiàn)生物基塑料完全替代傳統(tǒng)塑料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的土地面積竟然比法國的國土面積還要大，需要的水量比歐盟每年的淡水取水量還多60%[3]。
所以文章給出的結(jié)論是：目前用生物基塑料代替所有的石化塑料包裝似乎是不可行的，因?yàn)檫@將不可避免地導(dǎo)致土地和水的使用大幅增加。除非找到減少塑料需求的方法，否則大多數(shù)阻止塑料污染的努力可能都是暫時(shí)的，而且是不夠的。除此之外，土地競爭還會(huì)影響到自然界的生物多樣性，因?yàn)橥恋乩米兓恢笔巧锒鄻有詥适У闹饕?qū)動(dòng)因素之一。
另一方面，生物基塑料的環(huán)境污染問題依舊存在。匹茲堡大學(xué)的一項(xiàng)研究比較了7種傳統(tǒng)塑料、4種生物基塑料和1種由化石燃料和可再生能源制成的塑料的污染性。對比分析后發(fā)現(xiàn)，種植作物時(shí)使用的化肥和農(nóng)藥，以及將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為塑料所需的化學(xué)加工等工藝，反而導(dǎo)致生物基塑料的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的污染物。
與傳統(tǒng)塑料相比，生物基塑料對臭氧的消耗更大，而且需要使用大量的土地。在結(jié)合了農(nóng)業(yè)和化學(xué)加工的負(fù)面影響分析后發(fā)現(xiàn)，混合塑料對生態(tài)系統(tǒng)的潛在毒性影響最大，致癌物最多，在生命周期分析中得分最低[4]。
但如果從碳排放角度看，生物基塑料在使用壽命內(nèi)產(chǎn)生的溫室氣體排放量比傳統(tǒng)塑料要少得多。當(dāng)它們分解時(shí)，二氧化碳不會(huì)凈增加，因?yàn)橹圃焐锘芰系闹参镌谏L過程中吸收了等量的二氧化碳。

技術(shù)的進(jìn)步讓曙光乍現(xiàn)？

雖然生物基塑料是否能完全替代傳統(tǒng)塑料還存有爭議，但是部分研究人員仍在努力改善生物基塑料的特性，使它更適宜于做成消費(fèi)品，并對環(huán)境更友好。

圖源：Unsplash
首先，與糧食生產(chǎn)競爭土地的問題似乎在逐漸解決。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今用于生產(chǎn)生物基塑料的土地僅占農(nóng)業(yè)用地總面積的0.3%。此外，通過開發(fā)第二代和第三代生物基塑料，可以進(jìn)一步降低土地使用比例，這些生物基塑料的原材料不是食品，而是農(nóng)業(yè)殘留物、細(xì)菌、真菌或微藻類等。這一發(fā)展有助于最大限度地減少對農(nóng)業(yè)用地的壓力，并減少與糧食生產(chǎn)的潛在沖突。
新的制造手段也讓科研人員對生物基塑料逐漸更有“信心”。2021年，耶魯大學(xué)環(huán)境學(xué)院領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種木質(zhì)纖維素生物塑料，他們稱這種塑料不僅能替代石油塑料，而且是能替代現(xiàn)有生物基塑料材料。研究人員利用了一種廉價(jià)的木材加工殘?jiān)痉邸鳛樯锘芰系脑牧?。他們用可生物降解、可回收的深度共晶溶?/span>?(Deep eutectic solvent，DES)?來分解由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的松散結(jié)構(gòu)的木粉。論文解釋說，DES有兩個(gè)功能：溶解木質(zhì)素，并將木材細(xì)胞壁中的纖維素分解成微/納米纖維。然后通過加水再生或“沉積”木質(zhì)素，并結(jié)合微/納米纖維網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生木質(zhì)素-纖維素“漿液”，最后通過簡單的鑄造工藝從漿液中形成生物基塑料。在這些過程中，木質(zhì)素的改性是關(guān)鍵。以往，分離木質(zhì)素和纖維素是十分昂貴的，但原位木質(zhì)素的再生不需要二者分離，因此大大降低了生物基塑料的生產(chǎn)成本。此外，原位木質(zhì)素再生過程也可以用于各種類型的材料，除了木材之外，草、麥秸或甘蔗渣都能用來制作原位木質(zhì)素[5]。
除PHA和PLA外，主要來源于木漿的二醋酸纖維素?(CDA)?也是另一種常見的生物基塑料，廣泛應(yīng)用于香煙過濾嘴、紡織品、涂料、薄膜、食品包裝以及眼鏡框架和工具把手等其他物品中。根據(jù)發(fā)表在Environmental Science & Technology Letters（《環(huán)境科技快報(bào)》）上的一項(xiàng)研究，它在海洋中的分解和降解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于之前的假設(shè)。研究人員在定制的海水中培養(yǎng)了近350個(gè)CDA樣本和對照樣本，并為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備了連續(xù)的海水流。當(dāng)海水流過樣品時(shí)，研究人員使用各種技術(shù)檢測這些樣本的降解情況。時(shí)間推移照片和質(zhì)量損失測量記錄表明，CDA材料在海水中以數(shù)月的時(shí)間尺度解體，這比之前假設(shè)的降解時(shí)間大大縮減了[6]。
值得一提的是，生物基塑料是一種旨在通過利用其環(huán)境效益來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用目標(biāo)的舉措，雖然部分研究團(tuán)隊(duì)在新材料研發(fā)上取得了一定成效，但大多數(shù)改進(jìn)的和有前途的生物基塑料仍處于研究階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)該還有很長一段時(shí)間。
根據(jù)德國漢諾威大學(xué)生物塑料和生物復(fù)合材料研究所?(Institute for Bioplastics and Biocomposites，IfBB)?的數(shù)據(jù)，2018年全球生產(chǎn)了261萬噸生物基塑料，但這其實(shí)還不到全球塑料產(chǎn)量的1%。隨著人類對塑料的需求持續(xù)增長，對更可持續(xù)的塑料解決方案的需求也在不斷增長。到2021年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示生物基塑料的占比已上升到世界塑料產(chǎn)量的1.5%，占?xì)W洲塑料產(chǎn)量的2.3%[7]。因此，在短時(shí)間內(nèi)，生物基塑料還不能成為終結(jié)全球塑料污染的有效有段。

參考文獻(xiàn)

[1]?Buchanan JB. Pollution by synthetic fibres. Marine Pollution Bulletin. 1971; 23.

[2]?https://www.mdpi.com/2071-1050/14/8/4855.

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332220303055.

[4]?Sustainability Metrics: Life Cycle Assessment and Green Design in Polymers (pitt.edu).

[5]?Yale study introduces breakthrough bio-based plastic - Yale Daily News.

[6] Michael G. Mazzotta et al, Rapid Degradation of Cellulose Diacetate by Marine Microbes, Environmental Science & Technology Letters (2021). DOI: 10.1021/acs.estlett.1c00843.

[7]?https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/f+s/Biopolymers-Facts-Statistics-2019.pdf.

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