當前, 塑料汙染已經成為地球上直逼氣候變化的另一重大威脅, 因為它正在急劇而不可逆地汙染每一種自然系統, 並危及越來越多的生物.
長期以來, 人們一直聚焦於陸地上土壤環境中的塑料汙染, 而對地球的另一組成部分——海洋中的塑料汙染問題卻很少關注. 事實上, 海洋塑料垃圾汙染以及它們對于海洋生態環境造成的危害已經遠遠超出了我們的想象.
海洋塑料垃圾汙染有多嚴重?
全球每年塑料廢棄物超過3000萬噸, 其中有超過2000萬噸的塑料垃圾被直接丟棄或從陸地通過河道, 風力最終進入海洋.
圖1 海洋 '塑料垃圾島' (圖片來源於網路)
目前, 幾乎所有類型的塑料都已經在海洋中找到, 其中80%以上是尼龍(PA), 聚丙烯(PP), 聚乙烯(PE), 聚氯乙烯(pvc )等非降解樹脂材料, 它們在海水中受光, 風化, 渦流機械和生物群的不斷作用, 最終形成直徑小於5毫米的 '微塑料' (plastic debris). 在之後長達幾十年甚至幾百年的時間裡, 大量塑料微粒不斷積累, 從赤道至兩極, 從淺海到深海, 遍布整個海洋. 高密度且廣泛分布的塑料微粒已使無數海鳥, 魚和其他海洋生物受滅頂之災, 並正在逐漸通過食物鏈將毒素帶到人類的餐桌. 在歐洲, 一名海鮮食客一年中通過海產品攝入的塑料微粒可能高達1.1萬粒.
與陸地上的白色汙染治理不同, 受海洋特殊水域環境限制, 人們幾乎無法通過傳統打撈方式對這些細小的塑料微粒進行廣泛收集和處理. 因此, 海洋塑料汙染的治理日益緊迫但困難重重.
開發和使用能在海洋環境中能自行降解的塑料製品, 替代PP, PA, PS等難降解塑料製品, 是目前公認的解決這一問題最根本和唯一有效的途徑.
海水降解材料的研發難在哪兒?
目前, 國際上海水降解材料的相關研究才剛剛起步, 很多人盲目地寄希望於生物降解材料來解決海洋中塑料汙染問題.
中國科學院理化技術研究所工程塑料國家工程研究中心長期從事降解塑料的開發, 產業化和應用研究, 針對當前日益嚴峻的海洋塑料汙染問題, 在國內率先開展了海水降解材料研究.
該工程中心主任季君暉研究員介紹說, 當前國內外環保意識逐漸增強, 各地 '禁塑令' 逐步推廣. 聚乳酸(PLA), 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及其共聚酯(PBAT), 聚己內酯(PCL)和聚羥基烷酸酯(PHAs)等商品化生物降解材料, 在土壤和堆肥中有良好的生物降解性能, 已經在眾多領域中替代了不可降解的通用塑料, 一定程度上緩解了陸地上的白色汙染.
圖2 中科院理化所全生物降解塑料製品
然而, 聚酯材料堆肥降解的本質是聚合物在微生物分泌酶作用下發生的酶促水解反應. 環境中微生物種類, 數量, 溫度等需要滿足一定的要求才能得到快速降解.
與陸地環境相比, 海洋環境以富含水, 高鹽, 高壓, 低溫, 流動和稀營養為特徵. 海洋微生物數量除了近海區密度略大外, 大洋海水中微生物密度都較小, 平均一般為每毫升幾個至幾十個, 與堆肥降解過程中每升土壤中數數以億計的微生物數量相比, 幾乎可以忽略. 不同的降解環境和降解條件使得脂肪族聚酯材料在海水中的降解性能與堆肥過程有明顯差異.
顯然, 現有的生物降解材料及其研究成果並不能直接應用于海水降解材料的開發. 以PLA(聚乳酸)為例, 堆肥條件下, PLA樣條50天左右失重達到70%;但是在25℃海水中放置1年也沒有觀察到明顯失重, GPC測試表明分子量無明顯變化.
該工程中心負責海水降解材料開發的王格俠博士同時表示, 通過對典型生物降解材料在不同類比水體環境中的降解實驗, 我們已經對海水降解過程和堆肥降解過程兩種機理有了初步的認識;對於典型生物降解聚酯材料在海水和淡水中降解周期有了初步掌握.
研究結果表明, 目前的生物降解聚酯材料在海水中降解性能與堆肥中有較大差異, 海水中很難具備生物降解條件, 因而大多數聚酯材料在海水中降解周期非常緩慢, 甚至難以降解. 聚酯材料在堆肥過程微生物分泌酶作用下發生的酶促水解反應;而海水降解則更傾向於高鹽複雜水體環境中的非酶促水解反應. 海水降解過程受聚酯材料鏈段結構, 結晶性能, 以及水體中鹽度, 溫度的影響巨大.
總體來說, 人們已經清楚認識到了目前使用的難降解的塑料製品對于海洋生態環境帶來的巨大破壞, 並正在積極開展海水降解材料的研究來改善這一狀況.
但正如在陸地上實行 '禁塑令' 使用完全生物降解塑料製品代替通用塑料的進展緩慢一樣, 開發使用可海水降解的塑料製品來防治海洋塑料汙染才剛剛開始, 單一聚酯類生物降解材料並不能直接應用于海水中有效解決海洋塑料汙染問題.
海水降解材料研究需要在現有生物降解材料基礎上構建新的材料體系, 可以說是, 任重道遠.