新型生物塑料可以帮助减少塑料行业的环境足迹。由加州大学圣地亚哥分校领导的研究人员开发了一种可生物降解的热塑性聚氨酯(TPU)，这是一种柔软而耐用的商业塑料，用于鞋类、地垫、坐垫和记忆泡沫。它充满了细菌孢子，当接触到堆肥中的营养物质时，它们会发芽并在生命周期结束时分解材料。

4月30日发表在NatureCommunications上的一篇论文详细介绍了这项工作。

这种可生物降解的TPU由枯草芽孢杆菌菌株的细菌孢子制成，能够分解塑料聚合物材料。

“这是这些细菌的固有特性，”该研究的共同资深作者乔恩·波科尔斯基(JonPokorski)说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授，也是该大学材料研究科学与工程中心(MRSEC)的联合负责人。“我们选取了一些菌株，评估了它们使用TPU作为唯一碳源的能力，然后挑选了生长最好的菌株。”

研究人员使用了细菌孢子，这是一种休眠形式的细菌，因为它们能够抵抗恶劣的环境条件。与发挥繁殖作用的真菌孢子不同，细菌孢子具有保护性蛋白质屏障，使细菌能够在营养状态下生存。

为了制造可生物降解的塑料，研究人员将枯草芽孢杆菌孢子和TPU颗粒放入塑料挤出机中。这些成分在135摄氏度下混合并熔化，然后挤压成塑料细条。

为了评估材料的生物降解性，将条带放置在微生物活性和无菌堆肥环境中。堆肥装置保持在37摄氏度，相对湿度为44%至55%。堆肥中的水和其他营养物质引发了塑料条内孢子的萌发，五个月内降解率达到90%。

“值得注意的是，即使没有额外的微生物，我们的材料也会分解，”波科尔斯基说。“很可能，大多数这些塑料最终可能不会进入富含微生物的堆肥设施。因此，这种在无微生物环境中自我降解的能力使我们的技术更加通用。”

尽管研究人员仍需要研究材料降解后留下的物质，但他们指出，任何残留的细菌孢子可能都是无害的。枯草芽孢杆菌是一种用于益生菌的菌株，通常被认为对人类和动物是安全的，甚至对植物健康有益。

在这项研究中，细菌孢子经过进化改造，能够在TPU生产所需的高温下生存。研究人员使用一种称为适应性实验室进化的技术来创造一种对挤压温度具有弹性的菌株。这个过程包括培养孢子，将它们置于极端温度下一段时间，并让它们自然突变。然后分离出在此过程中幸存下来的菌株并再次进行循环。

该研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的生物工程研究科学家AdamFeist表示：“我们不断地一遍又一遍地进化细胞，直到找到一种能够耐受高温的优化菌株。”“令人惊讶的是，细菌进化和选择的过程为此目的发挥了如此出色的作用。”

孢子还可以用作增强填料，类似于钢筋增强混凝土的方式。其结果是TPU变体具有增强的机械性能，需要更大的力才能断裂并表现出更大的拉伸性。

“仅仅通过添加孢子，这两种特性就得到了极大的改善，”波科尔斯基说。“这很棒，因为孢子的添加使机械性能超出了已知的限制，而以前需要在拉伸强度和拉伸性之间进行权衡。”

虽然目前的研究重点是生产较小的实验室规模数量以了解可行性，但研究人员正在努力优化该方法以用于工业规模。正在进行的努力包括将生产规模扩大到公斤级、进化细菌以更快地分解塑料材料，以及探索TPU之外的其他类型的塑料。

“最终进入环境的商用塑料有很多种，TPU只是其中之一，”Feist说。“我们下一步的步骤之一是扩大我们用这项技术制造的可生物降解材料的范围。”

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