随着全球塑料需求的持续激增，人类越来越急切地呼吁更可持续的塑料解决方案。生物基塑料是普通塑料的潜在替代品之一，但目前的技术是否已经能支撑生物基塑料来满足可持续循环经济建设的需求呢？


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：祝叶华，题图来源：视觉中国


生物基塑料的“入场”


如果文明因其遗留下来的“作品”而被铭记，我们现在所处的时代可能会被贴上“塑料时代”的标签。1971年，第一篇记录自然界塑料污染的论文经由同行评审后被发表出来[1]。从那时起，大量关于塑料污染的工作被逐渐积累起来。我们现在知道，塑料在环境中的无所不在是毋庸置疑的。20世纪50年代初以来，人类已经生产了83亿吨塑料制品，其中约63亿吨已成为塑料垃圾。在这63亿吨塑料垃圾中，9%被回收利用，12%被焚烧，79%进入垃圾填埋场或被弃置到自然环境中。如果按照目前的产量和废物管理模式发展下去，预计到2050年会产生120亿吨塑料垃圾[2]。“滚滚而来”的塑料垃圾迫使人们发展出了无数潜在的解决方案，生物基塑料就是其中之一。


首先要澄清两个概念，生物基塑料和生物塑料并不是一回事，事实上，生物塑料是生物基塑料和生物降解塑料的统称。本文聚焦的话题是“生物基塑料”，这类塑料使用从玉米或甘蔗等作物中提取的碳与传统塑料中使用的增塑剂等其他化学物质共同制作而成，这与传统塑料的骨架主要是来自化石燃料的碳链不同。


PLA餐具丨来源：网络


目前最常用的两种生物基塑料分别是PHA（聚羟基烷酸酯）和PLA（聚乳酸），前者通常由藻类制成，后者则由玉米和甘蔗等作物作为原材料制备。PLA的成本是PHA的十分之一，因此更广泛地用于一次性餐具和各种包装。PHA则被用作纸杯和医疗应用的内部涂层。


但这两种生物基塑料都没有被广泛使用，因为它们的强度和其他性能根本无法与传统塑料相比，而且成本要高得多。另一方面，虽然现在使用的这两种生物塑料都可以被微生物分解，但需要集中收集起来，并在高温工业堆肥设施中进行堆肥，而这样的设施在市政废弃物处理车间并不多，尤其是在塑料污染问题最严重的发展中国家，此类设备少之又少。除此之外，与传统塑料相比，生产生物基塑料还需要与粮食作物竞争土地，而生物基塑料的原料作物对环境是否友好，也存在不小的争议。


土地竞争和依旧存在的污染


种植PLA类生物基塑料原料作物需要大量的土地空间。2020年的一项研究估算了到底需要多少土地才能实现生物基塑料完全替代传统塑料。结果发现，要实现这一目标所需的土地面积竟然比法国的国土面积还要大，需要的水量比欧盟每年的淡水取水量还多60%[3]。


所以文章给出的结论是：目前用生物基塑料代替所有的石化塑料包装似乎是不可行的，因为这将不可避免地导致土地和水的使用大幅增加。除非找到减少塑料需求的方法，否则大多数阻止塑料污染的努力可能都是暂时的，而且是不够的。除此之外，土地竞争还会影响到自然界的生物多样性，因为土地利用变化一直是生物多样性丧失的主要驱动因素之一。


另一方面，生物基塑料的环境污染问题依旧存在。匹兹堡大学的一项研究比较了7种传统塑料、4种生物基塑料和1种由化石燃料和可再生能源制成的塑料的污染性。对比分析后发现，种植作物时使用的化肥和农药，以及将有机材料转化为塑料所需的化学加工等工艺，反而导致生物基塑料的生产过程中产生了大量的污染物。


与传统塑料相比，生物基塑料对臭氧的消耗更大，而且需要使用大量的土地。在结合了农业和化学加工的负面影响分析后发现，混合塑料对生态系统的潜在毒性影响最大，致癌物最多，在生命周期分析中得分最低[4]。


但如果从碳排放角度看，生物基塑料在使用寿命内产生的温室气体排放量比传统塑料要少得多。当它们分解时，二氧化碳不会净增加，因为制造生物基塑料的植物在生长过程中吸收了等量的二氧化碳。


技术的进步让曙光乍现？


虽然生物基塑料是否能完全替代传统塑料还存有争议，但是部分研究人员仍在努力改善生物基塑料的特性，使它更适宜于做成消费品，并对环境更友好。


首先，与粮食生产竞争土地的问题似乎在逐渐解决。随着技术的不断进步，如今用于生产生物基塑料的土地仅占农业用地总面积的0.3%。此外，通过开发第二代和第三代生物基塑料，可以进一步降低土地使用比例，这些生物基塑料的原材料不是食品，而是农业残留物、细菌、真菌或微藻类等。这一发展有助于最大限度地减少对农业用地的压力，并减少与粮食生产的潜在冲突。


新的制造手段也让科研人员对生物基塑料逐渐更有“信心”。2021年，耶鲁大学环境学院领衔的研究团队创造了一种木质纤维素生物塑料，他们称这种塑料不仅能替代石油塑料，而且是能替代现有生物基塑料材料。研究人员利用了一种廉价的木材加工残渣——木粉——作为生物基塑料的原材料。他们用可生物降解、可回收的深度共晶溶剂 (Deep eutectic solvent，DES) 来分解由纤维素、半纤维素和木质素组成的松散结构的木粉。论文解释说，DES有两个功能：溶解木质素，并将木材细胞壁中的纤维素分解成微/纳米纤维。然后通过加水再生或“沉积”木质素，并结合微/纳米纤维网络，产生木质素-纤维素“浆液”，最后通过简单的铸造工艺从浆液中形成生物基塑料。在这些过程中，木质素的改性是关键。以往，分离木质素和纤维素是十分昂贵的，但原位木质素的再生不需要二者分离，因此大大降低了生物基塑料的生产成本。此外，原位木质素再生过程也可以用于各种类型的材料，除了木材之外，草、麦秸或甘蔗渣都能用来制作原位木质素[5]。


除PHA和PLA外，主要来源于木浆的二醋酸纤维素 (CDA) 也是另一种常见的生物基塑料，广泛应用于香烟过滤嘴、纺织品、涂料、薄膜、食品包装以及眼镜框架和工具把手等其他物品中。根据发表在Environmental Science & Technology Letters（《环境科技快报》）上的一项研究，它在海洋中的分解和降解速度远远快于之前的假设。研究人员在定制的海水中培养了近350个CDA样本和对照样本，并为实验系统配备了连续的海水流。当海水流过样品时，研究人员使用各种技术检测这些样本的降解情况。时间推移照片和质量损失测量记录表明，CDA材料在海水中以数月的时间尺度解体，这比之前假设的降解时间大大缩减了[6]。


值得一提的是，生物基塑料是一种旨在通过利用其环境效益来实现可持续利用目标的举措，虽然部分研究团队在新材料研发上取得了一定成效，但大多数改进的和有前途的生物基塑料仍处于研究阶段，距离大规模推广应该还有很长一段时间。


根据德国汉诺威大学生物塑料和生物复合材料研究所 (Institute for Bioplastics and Biocomposites，IfBB) 的数据，2018年全球生产了261万吨生物基塑料，但这其实还不到全球塑料产量的1%。随着人类对塑料的需求持续增长，对更可持续的塑料解决方案的需求也在不断增长。到2021年，统计数据显示生物基塑料的占比已上升到世界塑料产量的1.5%，占欧洲塑料产量的2.3%[7]。因此，在短时间内，生物基塑料还不能成为终结全球塑料污染的有效手段。


参考文献

[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.


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：祝叶华