利用细菌制造可再生可无限回收的塑料

塑料垃圾是一个问题。大多数塑料无法回收，而且许多塑料使用有限的、污染性的石化产品作为基本成分。但这种情况正在改变。在今天发表在《自然可持续发展》杂志上的一项研究中，研究人员成功地改造了微生物，为一种名为聚(二酮烯胺)或 PDK 的无限可回收塑料的起始成分提供了生物替代品。

这一发现来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)三个设施的专家之间的合作：分子铸造厂、联合生物能源研究所(JBEI)和先进光源。

领导该项目的 Molecular Foundry 科学家 Brett Helms 表示：“这是第一次将生物产品集成到制造主要以生物为基础的 PDK 中。” “这是您第一次看到相对于使用石化产品的生物优势，无论是在材料特性还是大规模生产成本方面。”

与传统塑料不同，PDK可以反复解构为原始构件并形成新产品，且质量不会受到影响。PDK 最初使用源自石化产品的构建模块，但这些成分可以重新设计并用微生物生产。现在，经过四年的努力，合作者已经操纵大肠杆菌将植物中的糖转化为一些起始材料——一种被称为三乙酸内酯(bioTAL)的分子——并生产出生物含量约为 80% 的 PDK。

“我们已经证明，在可回收塑料中实现 100% 生物含量的途径是可行的，”致力于生物聚合物开发的团队项目科学家杰里米·德马托 (Jeremy Demarteau) 说道。“将来你会从我们身上看到这一点。”

PDK 可用于多种产品，包括粘合剂、计算机电缆或表带等柔性物品、建筑材料以及“坚韧热固性材料”(通过固化过程制成的硬质塑料)。研究人员惊讶地发现，与石化版本相比，将 bioTAL 纳入材料中后，其工作温度范围扩大了 60 摄氏度。这为在需要特定工作温度的物品中使用 PDK 开启了大门，包括运动装备和保险杠或仪表板等汽车零件。

联合国环境规划署估计，全球每年产生约 4 亿吨塑料垃圾，预计到 2050 年这一数字将攀升至 10 亿吨以上。在已产生的 70 亿吨塑料垃圾中，只有约10 %已被回收，而大部分则被丢弃到垃圾填埋场或焚烧。

加州大学伯克利分校教授、伯克利实验室生物科学领域高级科学家、JBEI 首席执行官杰伊·基斯林 (Jay Keasling) 表示：“我们不能继续利用日益减少的化石燃料供应来满足人们对塑料的贪得无厌的需求。” “我们希望通过创造生物可再生和循环材料来帮助解决塑料废物问题，并为公司使用它们提供激励。这样人们就可以在需要的时候获得所需的产品，然后再将这些产品转变成新的东西。”

今天发布的这项研究还建立在2021 年环境和技术分析的基础上，该分析表明，如果大规模生产，PDK 塑料可以与传统塑料相比具有商业竞争力。

“我们的新结果非常令人鼓舞，”伯克利实验室能源技术领域的科学家兼 JBEI 副总裁 Corinne Scown 说。“我们发现，即使对生产工艺进行适度的改进，我们很快就能生产出比用化石燃料生产的 塑料更便宜、排放的 CO 2更少的生物基 PDK 塑料。”

这些改进包括加快微生物将糖转化为bioTAL的速度，使用可以转化更广泛的植物源糖和其他化合物的细菌，以及使用可再生能源为该设施提供动力。

这项工作得到了能源部生物能源技术办公室的支持。分子铸造厂是美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室的用户设施，专门研究纳米科学。JBEI 是一个由美国能源部科学办公室资助的生物能源研究中心。先进光源是美国能源部科学办公室的用户设施。