三种方法解决塑料污染危机

二十年前,德国建立了一个简单的计划,以减少塑料垃圾。当人们买酒在一次性塑料瓶,他们额外支付一小笔费用,得到了沉淀瓶用于恢复中心。许多其他国家也有类似的奖励。

但实际上干预减少德国使用的一次性塑料?几乎是没有证据的,说Antaya 3月,全球塑料政策中心,研究员,朴茨茅斯大学成立于2022年,英国,全世界塑料垃圾管理进行独立评估。该计划并吸引人们返回他们的塑料瓶,从而减少乱扔垃圾。但是也紧随其后的是一个意想不到的增加一次性瓶,3月说,也许是因为人们感到放心,很好购买饮料塑料瓶回收。

这些政策是否有助于减少塑料使用是一个重要的问题,因为世界面临日益增长的担忧塑料的命运。

生产的87亿吨塑料垃圾从1950年到2021年,只有11%的人曾经历了回收利用,根据罗兰·盖尔未发表的估计,一个工业生态学家加州大学圣芭芭拉分校(见“塑料垃圾的潮流”)。

2019年,最近崩溃是可用的,超过三分之二的3.53亿吨(Mt)产生的塑料垃圾被送到垃圾填埋或焚烧,和22%(79吨)是管理不善,这意味着它是狼狈的垃圾,丢弃在不受监管的网站在陆地或在水中,或在开放中烧毁,根据经济合作与发展组织(OECD)在巴黎¹。It项目,到2060年,塑料生产上升将导致每年浪费十亿多吨的三倍,这一年一度的塑料污染(管理不善部分)可以翻倍,如果没有新政策实施遏制(见“塑料垃圾去向”)。

但未来可能会有变化。去年三月,联合国环境大会批准一个历史性的协议,建立一个全球塑料条约在2024年底。这一过程将包括敲定执行这些政策和方法。看到国家同意寻求条约覆盖整个生命周期的塑料是一个非常积极的信号,说卡拉薰衣草法律,法尔茅斯海洋教育协会的海洋学家,马萨诸塞州。“我不得不说,我最乐观的我一直以来可能在这个领域工作了15年,”她说。

世界各地的研究人员正在帮助减少塑料污染。朴茨茅斯队、法律和其他代表一种方法:调查最好的政策来减少生产、使用和处理的塑料。其他研究人员专注于使用技术来提高回收,或者创建新的类型的塑料。

所有三个大类的解决方案将需要,朴茨茅斯政策中心主任史蒂夫·弗莱彻说。“这是有一个塑料在整个生命周期的系统,”他说。

评估最好的政策

这个世界不缺乏善意的努力减少塑料垃圾。禁令或某些类型的税有塑料,如一次性塑料袋和外卖食品容器。有规定塑料垃圾如何跨越国际边界和扩大生产者责任计划,在这些市场,制造商们正要求收集和回收(或负责任地处理)plastics-containing产品使用后,或者为这些努力。

到目前为止,朴茨茅斯团队回顾了全球130多个不同类型的政策,在证据的基础上科学论文等行业报道,新闻文章和专家的意见。

他们的主要发现是:在大多数情况下,“几乎为零监测政策”,弗莱彻说。“这是非常令人担忧,因为我们将建立一个全球条约打击塑料污染周围如果没有太多证据什么可行,什么不呢?”他说。

德国编译一些数字,显示20年使用塑料瓶。存款系统2003年推出后,返回的一次性瓶分享下计划也有所上升,而水瓶的份额下降。(注意塑料垃圾的上升,这一趋势可能已开始扭转,根据一份2022年的报告在德国(见go.nature.com/3macuj5))。德国外交部发言人对环境、自然保护、核安全、消费者保护自然96.3%的返回瓶子回收,存款计划可能稳定将是一个更清晰的使用可重复使用的瓶子。

卓有成效的政策的一个例子,是2016年3月说,禁止销售或使用塑料购物袋在安提瓜和巴布达(一些豁免)。完整的数据在这一政策的效果并不可用,但有证据表明它减少了15%的塑料丢弃在垃圾填埋场在第一年。3月说,有几个因素导致了这种成功,包括一个明确的实施计划,公众的支持,早期的利益相关方参与和执行:在这种情况下,罚款1100美元,6个月的监禁。

3月,弗莱彻和他们的同事们分享他们的工作与一些国家在联合国环境规划署通知plastics-treaty谈判。“很难看到什么形状条约可能没有任何形式的监控,”弗莱彻说。

实现干预措施可能产生实质性的影响,根据2020年的一项分析,温妮Lau,防止海洋塑料项目主管在华盛顿的皮尤慈善信托基金,和她的同事们²。通过咨询专家和可用的数据,他们试图评估潜在的八个干预措施,利用现有的知识和技术,包括生产更少的塑料,打击国际出口塑料垃圾,用替代材料,如纸代替塑料,和扩大各种回收方法的能力。

他们发现,如果没有采取行动,到2040年约240吨塑料垃圾管理不善将每年生产(从2016年的91吨上升;刘的团队提供数据高于经合组织)。但如果所有八个干预实现他们的最大潜能,团队评估,管理不善塑料垃圾将下降到2040 - 44吨/年降低80%左右的“无为而场景。

所需的关键信息是知识和技术来解决相当一大部分的塑料污染问题已经存在。“这是一个相当大的惊喜,”刘说。“我们不确定如果我们能有如此巨大的影响,没有考虑开发新的材料或全新的系统。“但是物流和成本等挑战,站在引进这些措施的最大容量,她补充道。

最大的困难在实施政策来减少塑料进入环境中缺乏数据在塑料生产、使用和最终(见也自然611年,650 - 653;2022年)。去年9月,刘和她的同事在皮尤,连同其他几个组织,努力建立一个全球塑料信息披露系统,他们将鼓励公司希望减少塑料消费和废物采用;系统有点类似于碳信息披露系统,使公司报告他们的碳足迹。

关闭循环

法国克莱蒙费朗设施,一家名为Carbios测试技术,将成为世界上第一个酶的基础回收工厂,它的目标是今年开始建造,在2025年开放。工厂将使用转基因的酶来分解常见塑料称为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

Carbios团队希望酶可以克服的一些缺点机械回收,最受欢迎的方法今天再利用塑料使用。这涉及到第一排序和塑料分离,不同种类的聚合物的混合物(分子长链);然后洗,最后磨或产生新的塑料融化下来。除了宠物,用于面料和包装,其他的一些常用塑料可回收以这种方式包括聚丙烯(PP),用于包装和建筑,以及聚乙烯(PE)——一种聚合物,可以发现在不同密度和制造范围广泛的产品,购物袋和折叠椅外科植入物(见“塑料类型”)。

机械回收污染物如食品和添加剂、敏感和过程可以降低聚合物的长度,影响塑料的属性(如韧性和硬度)和其被加工成新材料的能力。这种退化,也称为时间,可以最终呈现不可回收的塑料。

分解塑料的酶是一个选择。这可以将聚合物分为构建块,或单体,然后可以用来构建塑料为原料相同的属性。这可以无限期地回收塑料,这一过程通常被称为闭环回收。(一些研究人员“闭环”定义为只是能够再加工塑料到其他类似的塑料制品——即使这个周期不能持续下去。)

第一个报道的酶降解塑料至少可以追溯到三十年。但是这个概念受到很大提振,在2016年,当研究人员在日本报道的发现一种天然的细菌,使用塑料作为其唯一的食物来源。这种微生物,Ideonella sakaiensis包含两个酶,分解的宠物一起工作³。

塑料海啸:一项里程碑式的条约以来能阻止浪费窒息海洋?

这项研究促使其他研究人员探索plastic-guzzling酶。敏江、生化工程师南京理工大学在中国,说他的团队专注于发现酶可以降解农药,然后添加plastics-eaters曲目。江和他的团队已经在垃圾填埋场,森林和海洋微生物可以分解塑料。

江的一个重点的研究小组一直在发展中保持酶的回收聚氨酯的方法,塑料用于绝缘、家具、鞋鞋底和其他日常用品。到目前为止,这个团队已经确定了20多个微生物能降解polyurethanes-and正在研究这些生物的酶在实验室里,他说。

江的团队也是一个混乱,14个机构组成的财团在欧洲和中国旨在利用微生物来分解塑料成其组成单体(或寡聚物链一些积木),建立新的塑料。我们的目标是利用蛋白质工程自然塑料更快和更健壮的酒鬼,乌维Bornscheuer混乱成员说,在德国格赖夫斯瓦尔德大学的生物化学家,也是Carbios的顾问委员会。天然细菌酶通常是缓慢的,但是科学家们可以修改他们行动更快。根据阿兰•马蒂,Carbios首席科学官20-cubic-metre生物反应器,可以使用该公司的酶,降解塑料瓶100000 20小时;2025年设施旨在打破每年50000吨的宠物。

尽管感兴趣的爆炸,enzyme-based回收有一定的局限性。这项技术仍然是昂贵的。格雷格贝克汉姆在2023年做的一项估计,一个化学工程师在金色的美国国家可再生能源实验室,科罗拉多州,和他的同事建议,保持酶的回收目前宠物可能会花费大约两倍的原始产品,和周围四倍机械回收;它还使用更多的能源和排放更多的温室气体比机械回收⁴。

到目前为止,这种酶的方法似乎仅限于宠物和聚氨酯:两种聚合物可能更容易分解,因为他们不是单纯的碳碳键。其他塑料,如聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯)和聚苯乙烯,碳碳键结合在一起的,更难以解决,何塞·希门尼斯说,伦敦帝国学院的分子生物学家。

塑料污染:三个全球条约可能解决的问题

酶有一个优势机械回收,然而,因为他们高度选择性消化。当他们在PET瓶,包括添加剂,如其他塑料类型,或化学着色-酶消化宠物和离开休息,马蒂说。这意味着酶回收可以处理一些塑料机械回收不能,并要求不那么严格的排序过程。Carbios认为,这将有助于酶处理竞争成本。(例如,欧盟规定须PET瓶含有至少25%的再生塑料,到2025年,Carbios说这将导致宠物浪费日益稀少,从而提高机械回收材料采购成本)。

Enzyme-based回收只是化学回收的一种形式,这个词对于更广泛的一类技术,塑料分解成分子构建模块。也可能使用化学催化剂,贝克汉姆说,许多科学家正试图超越只是打破宠物。

在2022年的一项研究中,贝克汉姆和他的同事证明了结合生物和化学混合塑料的催化剂可能是一个强大的技术⁵。研究人员使用一个两步的过程,包括一个金属催化剂和工程土壤细菌降解塑料的混合——宠物,高密度聚乙烯(HDPE)塑料常用的洗发水瓶子和牛奶盒,聚苯乙烯,用于制造塑料,化学物质可以用来制造新的聚合物。更多的工作需要在使用这项技术之前,贝克汉姆说,如计算出成本和新的塑料用于生产。

另一种方法有时被称为化学回收热解,混合塑料的加热到极高的温度在缺乏氧气,直到他们分解成组件,可以用作燃料或用于构建新的聚合物。但这标签是有争议的。批评者质疑它真的可以考虑回收——因为它常被用来生成燃料,并认为这是一个能源密集型的过程比焚烧。尽管有这些批评,许多大型化工企业建立热解过程中世界各地的植物。

等高分子科学家迈克尔·剃须刀在曼彻斯特大学,英国认为,尽管新的回收方法很重要,“机械回收和重用永远是更好的环境足迹”。所以增加塑料的机械回收是至关重要的,剃须刀说,通过改善塑料的系统收集和回收工厂处理。“我们不能化学循环来解决这个问题。”

构建更好的塑料

对杰里米•Luterbacher生化工程师瑞士联邦理工学院洛桑(EPFL),瑞士,一个解决方案是回到绘图板,设计一种新型的塑料。Luterbacher认为理想的塑料替代是有生命周期类似于纸:最小修改从源材料,简单的回收,以最小的潜在伤害,如果泄漏到环境中。

Luterbacher组织报道,在2022年使用的化学物质称为醛一种方法把不能吃的生物材料,如木屑和穗轴的玉米(玉米),可降解聚酯,称为dimethylglyoxylate木糖,他认为可能是这种替代材料⁶。虽然目前生产过程的概念,它应该可以使这种聚酯仅仅在大量,Luterbacher说。

Luterbacher希望保持尽可能接近原始木材的化学结构,玉米穗轴或其他材料的使用将有助于降低成本和复杂性这个过程需要通过减少步骤聚合物。创业,他共同绽放Biorenewables在土地肥沃的,瑞士,正在开发,但是有许多步骤之间的想法和商业产品,Luterbacher说。例如,如果dimethylglyoxylate木糖是用于食品包装,研究人员需要确定,任何分子降解,不会产生有害健康或有其他意想不到的效果,如留下一个不好的味道。

“当你竞争的产品被开发出来,在某些情况下,在100年,它需要大量的资源来迎头赶上,”他说。

像Luterbacher,许多研究人员正致力于开发新一代的塑料,通常统称为生物塑料。这把伞词可以指任何生物塑料,这是来源于植物性材料;生物可降解塑料,可以降低在几个月内的环境;可降解塑料,生物降解塑料的一个子集,除此之外,分解时不产生有毒残留物。(这个词可降解本身是有争议的。研究人员质疑这样的塑料是否分解的时间跨度制造商声称,并担心他们可能会导致塑料微粒在海洋生态系统的问题。)因为生物塑料不依靠化石燃料作为原料,其生产也可以有一个更小的碳足迹比原始塑料同行。

化学可以使塑料可持续,但并不能完全的解决方案

目前,生物塑料的两大类别,polyhydroxyalkanoates (pha)和聚乳酸(塑料),都是生物和生物降解;它们用于应用程序包括食品包装、餐具和纺织品。公司正投资数十亿美元投入生产生物塑料。但他们目前只占约1%的每年生产超过4亿吨的塑料。当谈到与处女塑料、生物塑料面临限制。

理发师说,解放军通常是脆弱的,一些pha很难的过程。他补充说,这些塑料通常是调优的物理性质在其他材料混合或使用高水平的添加剂——这是很重要的是透明的,以确保产品安全,特别是如果这些塑料被释放在环境中降解。

它也是昂贵的大规模生产生物塑料,即使他们可能会导致较低的碳排放比处女塑料。现有的生物塑料,吉梅内斯说,“是昂贵得多比简单地把塑料从石油”。

举例来说,一个常见的方法pha涉及提取分子积聚在细菌生长在特殊条件下——这一过程可以是昂贵和难以规模。一些研究人员正在努力促进PHA生产使用转基因细菌甚至化学物质,而不是微生物,生物塑料。

改善塑料的设计并不仅仅意味着回到绘图板,梅勒妮伯格曼说,海洋生态学家阿尔弗雷德韦格纳研究所在不来梅港,德国。它也可以包括改进我们已拥有的东西——例如,通过确保产品只包含一种类型的塑料,使它们更容易回收再利用。

一个容易处理的问题?

人类能找到一种方法通过塑料危机?一些研究人员自然采访是乐观。Bornscheuer,例如,放心,很多世界各地的研究小组正在研究这一问题,因为他看到更多的媒体关注和公众利益。

伯格曼没有那么乐观的前景。应对气候变化的许多障碍给她的小塑料将充分解决问题的信心。不过,她认为联合国决议来创建一个全球塑料条约是一个正确方向的一步。“我非常希望——塑料污染是一个跨界的问题,所以我们需要全球行动有效地解决它,”她说。

“塑料污染危机实际上是可见的,很难不去伤心,当你看到它在自然环境中,特别是,”贝克汉姆说。“我认为人类已经认识到这个问题,我希望我们可以解决这个问题。但需要的大量的工作和时间。”