傳説中的塑料污染終結者，可能會造成更嚴重的污染_風聞

隨着全球塑料需求的持續激增，人類越來越急切地呼籲更可持續的塑料解決方案。生物基塑料是普通塑料的潛在替代品之一，但目前的技術是否已經能支撐生物基塑料來滿足可持續循環經濟建設的需求呢？

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，我們現在所處的時代可能會被貼上“塑料時代”的標籤。1971年，第一篇記錄自然界塑料污染的論文經由同行評審後被發表出來[1]。從那時起，大量關於塑料污染的工作被逐漸積累起來。我們現在知道，塑料在環境中的無所不在是毋庸置疑的。20世紀50年代初以來，人類已經生產了83億噸塑料製品，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%進入垃圾填埋場或被棄置到自然環境中。如果按照目前的產量和廢物管理模式發展下去，預計到2050年會產生120億噸塑料垃圾[2]。“滾滾而來”的塑料垃圾迫使人們發展出了無數潛在的解決方案，生物基塑料就是其中之一。

首先要澄清兩個概念，生物基塑料和生物塑料並不是一回事，事實上，生物塑料是生物基塑料和生物降解塑料的統稱。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塑料中使用的增塑劑等其他化學物質共同製作而成，這與傳統塑料的骨架主要是來自化石燃料的碳鏈不同。

PLA餐具丨來源：網絡

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)，前者通常由藻類製成，後者則由玉米和甘蔗等作物作為原材料製備。PLA的成本是PHA的十分之一，因此更廣泛地用於一次性餐具和各種包裝。PHA則被用作紙杯和醫療應用的內部塗層。

但這兩種生物基塑料都沒有被廣泛使用，因為它們的強度和其他性能根本無法與傳統塑料相比，而且成本要高得多。另一方面，雖然現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，並在高温工業堆肥設施中進行堆肥，而這樣的設施在市政廢棄物處理車間並不多，尤其是在塑料污染問題最嚴重的發展中國家，此類設備少之又少。除此之外，與傳統塑料相比，生產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年的一項研究估算了到底需要多少土地才能實現生物基塑料完全替代傳統塑料。結果發現，要實現這一目標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，因為這將不可避免地導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，否則大多數阻止塑料污染的努力可能都是暫時的，而且是不夠的。除此之外，土地競爭還會影響到自然界的生物多樣性，因為土地利用變化一直是生物多樣性喪失的主要驅動因素之一。

另一方面，生物基塑料的環境污染問題依舊存在。匹茲堡大學的一項研究比較了7種傳統塑料、4種生物基塑料和1種由化石燃料和可再生能源製成的塑料的污染性。對比分析後發現，種植作物時使用的化肥和農藥，以及將有機材料轉化為塑料所需的化學加工等工藝，反而導致生物基塑料的生產過程中產生了大量的污染物。

與傳統塑料相比，生物基塑料對臭氧的消耗更大，而且需要使用大量的土地。在結合了農業和化學加工的負面影響分析後發現，混合塑料對生態系統的潛在毒性影響最大，致癌物最多，在生命週期分析中得分最低[4]。

但如果從碳排放角度看，生物基塑料在使用壽命內產生的温室氣體排放量比傳統塑料要少得多。當它們分解時，二氧化碳不會淨增加，因為製造生物基塑料的植物在生長過程中吸收了等量的二氧化碳。

技術的進步讓曙光乍現？

雖然生物基塑料是否能完全替代傳統塑料還存有爭議，但是部分研究人員仍在努力改善生物基塑料的特性，使它更適宜於做成消費品，並對環境更友好。

圖源：Unsplash

首先，與糧食生產競爭土地的問題似乎在逐漸解決。隨着技術的不斷進步，如今用於生產生物基塑料的土地僅佔農業用地總面積的0.3%。此外，通過開發第二代和第三代生物基塑料，可以進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，而是農業殘留物、細菌、真菌或微藻類等。這一發展有助於最大限度地減少對農業用地的壓力，並減少與糧食生產的潛在衝突。

新的製造手段也讓科研人員對生物基塑料逐漸更有“信心”。2021年，耶魯大學環境學院領銜的研究團隊創造了一種木質纖維素生物塑料，他們稱這種塑料不僅能替代石油塑料，而且是能替代現有生物基塑料材料。研究人員利用了一種廉價的木材加工殘渣——木粉——作為生物基塑料的原材料。他們用可生物降解、可回收的深度共晶溶劑 (Deep eutectic solvent，DES) 來分解由纖維素、半纖維素和木質素組成的鬆散結構的木粉。論文解釋説，DES有兩個功能：溶解木質素，並將木材細胞壁中的纖維素分解成微/納米纖維。然後通過加水再生或“沉積”木質素，並結合微/納米纖維網絡，產生木質素-纖維素“漿液”，最後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，木質素的改性是關鍵。以往，分離木質素和纖維素是十分昂貴的，但原位木質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成本。此外，原位木質素再生過程也可以用於各種類型的材料，除了木材之外，草、麥秸或甘蔗渣都能用來製作原位木質素[5]。

除PHA和PLA外，主要來源於木漿的二醋酸纖維素 (CDA) 也是另一種常見的生物基塑料，廣泛應用於香煙過濾嘴、紡織品、塗料、薄膜、食品包裝以及眼鏡框架和工具把手等其他物品中。根據發表在Environmental Science & Technology Letters（《環境科技快報》）上的一項研究，它在海洋中的分解和降解速度遠遠快於之前的假設。研究人員在定製的海水中培養了近350個CDA樣本和對照樣本，併為實驗系統配備了連續的海水流。當海水流過樣品時，研究人員使用各種技術檢測這些樣本的降解情況。時間推移照片和質量損失測量記錄表明，CDA材料在海水中以數月的時間尺度解體，這比之前假設的降解時間大大縮減了[6]。

值得一提的是，生物基塑料是一種旨在通過利用其環境效益來實現可持續利用目標的舉措，雖然部分研究團隊在新材料研發上取得了一定成效，但大多數改進的和有前途的生物基塑料仍處於研究階段，距離大規模推廣應該還有很長一段時間。

根據德國漢諾威大學生物塑料和生物複合材料研究所 (Institute for Bioplastics and Biocomposites，IfBB) 的數據，2018年全球生產了261萬噸生物基塑料，但這其實還不到全球塑料產量的1%。隨着人類對塑料的需求持續增長，對更可持續的塑料解決方案的需求也在不斷增長。到2021年，統計數據顯示生物基塑料的佔比已上升到世界塑料產量的1.5%，佔歐洲塑料產量的2.3%[7]。因此，在短時間內，生物基塑料還不能成為終結全球塑料污染的有效有段。

參考文獻

[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.

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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