一种新型的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、靠垫和记忆海绵。它充满了细菌孢子，当暴露于堆肥中存在的营养物质时，会在其生命周期结束时发芽并分解材料。
这项工作在4月30日发表在 《自然通讯》上的一篇论文中进行了详细介绍。
可生物降解的TPU是用来自 枯草芽孢杆菌 菌株的细菌孢子制成的，该菌株具有分解塑料聚合物材料的能力。
“这是这些细菌的固有特性，”该研究的共同资深作者Jon Pokorski说，他是加州大学圣地亚哥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，并评估了它们使用TPU作为唯一碳源的能力，然后选择了生长最好的菌株。
研究人员使用了细菌孢子，这是一种休眠形式的细菌，因为它们对恶劣的环境条件具有抵抗力。与具有生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存活。
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颗粒喂入塑料挤出机中。这些成分在135摄氏度下混合并熔化，然后挤出成薄薄的塑料条。
为了评估材料的生物降解性，将试纸条放置在微生物活性和无菌堆肥环境中。堆肥设置保持在37摄氏度，相对湿度在44至55%之间。堆肥中的水和其他营养物质触发了塑料条内孢子的萌发，在五个月内达到了90%的降解。
“值得注意的是，即使没有其他微生物的存在，我们的材料也会分解，”Pokorski说。“很有可能，这些塑料中的大多数可能不会最终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。
尽管研究人员仍然需要研究材料降解后留下的东西，但他们指出，任何挥之不去的细菌孢子都可能是无害的。 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——它甚至对植物健康有益。
在这项研究中，细菌孢子经过进化工程改造，可以在TPU生产所需的高温下存活。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出温度具有弹性的菌株。该过程包括培养孢子，将它们置于极端温度下持续一段时间，并允许它们自然变异。然后分离出在此过程中幸存下来的菌株并再次进行循环。
“我们一遍又一遍地不断进化细胞，直到我们得到一种经过优化以耐受热量的菌株，”该研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的生物工程研究科学家亚当·费斯特（Adam Feist）说。“令人惊讶的是，这种细菌进化和选择过程对这一目的的效果如何。
孢子还可以作为增强填料，类似于钢筋加固混凝土的方式。其结果是具有增强机械性能的 TPU 变体，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，这两种特性都会大大改善，”Pokorski说。“这很棒，因为孢子的添加使机械性能超出了已知的限制，以前在抗拉强度和拉伸性之间进行了权衡。
虽然目前的研究重点是生产较小的实验室规模的数量以了解可行性，但研究人员正在努力优化在工业规模上使用的方法。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以外的其他类型的塑料。
“有许多不同种类的商业塑料最终会进入环境——TPU只是其中之一，”Feist说。“我们的下一步之一是扩大我们可以使用这项技术制造的可生物降解材料的范围。
论文题目：“含有进化细菌孢子的生物复合热塑性聚氨酯作为促进聚合物分解的活填料。合著者包括加州大学圣地亚哥分校的 Han Sol Kim、Myung Hyun Noh、Debika Datta、Hyun Gyu Lim 和 Ehtan Smiggs;佐治亚大学的 Evan M. White、Michael V. Kandefer、Austin F. Wright 和 Jason J. Locklin;以及巴斯夫公司的 Md Arifur Rahman。
*这些作者对这项工作做出了同等贡献。
这项工作得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室以及先进制造办公室（DE-EE0009296），加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心（MRSEC）和美国国家科学基金会（DMR-2011924）的支持。
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新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://today.ucsd.edu/story/biodegradable-living-plastic-houses-bacterial-spores-that-help-it-break-down