如何减轻塑料对环境的负担

在巴西São保罗的一家美容产品商店里，有一种肥皂盘在出售。这是一个灰白色的圆盘，光滑的圆形形状就像一块河石，它只是世界各地商店出售的数百万塑料肥皂盘之一。但是，尽管大多数塑料是由石油制成的，但这个盘子里的一些塑料最初是加州一家水处理设施产生的甲烷。

在一个10米高的生物反应器内，被称为甲烷养菌的古老细菌将甲烷转化为一种叫做聚(3-羟基丁酸盐)的分子，简称P3HB。这种细菌利用P3HB作为一种内部电池来储存能量。但是位于加州红木城的一家名为芒果材料的生物技术公司使用P3HB作为原料，从细菌中获取颗粒，并将其制造成小扁豆大小的颗粒，称为颗粒。这些颗粒是塑料工业的通用货币，后来变成了肥皂盘。

自然展望的一部分:循环经济

科学家、非政府组织和大大小小的公司都在不断努力使塑料更具可持续性，芒果材料是其中的一部分。“我们还有很长很长的路要走，”芒果材料公司(Mango Materials)生物聚合物工程师兼首席执行官莫莉•莫尔斯(Molly Morse)表示。该公司每年生产不到45吨P3HB，与每年估计生产的4亿吨塑料相比，这只是一个颗粒大小的数量。塑料可以在食品包装、建筑材料、电子产品、服装和现代生活的许多其他方面找到。

塑料工业依赖于不可再生资源。全球90%以上的塑料生产由初级塑料组成，这些初级塑料是新制造的，而不是从石油产品中回收的。这种依赖需要大量的能源，并产生温室气体排放。到2050年，塑料生产产生的排放量可能达到将全球变暖控制在1.5°C以下所需的估计碳预算的15%¹．

塑料也造成了巨大的废物管理问题。位于澳大利亚墨尔本的联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的聚合物化学家凯瑟琳·洛科克(Katherine Locock)说:“这种产生的大量废物不同于任何其他供应链。”

大约70%曾经生产过的塑料已经被丢弃了²．一次性塑料，尤其是包装塑料，占欧洲塑料产量的40%左右^3.．然而，使用最广泛的塑料在被丢弃后仍会在垃圾填埋场或环境中存在数十年甚至数百年。

从理论上讲，许多常用塑料都可以回收。但只有大约十分之一的塑料被回收了一次，只有大约1%的塑料被回收了两次⁴．丹麦罗斯基勒大学(Roskilde University)研究塑料污染的克里斯蒂安·西伯格(Kristian Syberg)说:“制造一种新的塑料产品比收集、回收或重复使用更便宜。”“这是一个系统性问题。”

改变这一局面需要在多个方面采取行动:扩大现有的回收技术，在世界各地推广，开发处理难以回收塑料的技术，利用大自然的见解来帮助塑料的生产和处置，以及控制一次性塑料的生产。但结果可能会对更广泛的循环经济产生好处。澳大利亚墨尔本斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)的循环经济研究员莎拉·金(Sarah King)说:“我们可以从塑料领域发生的事情中学到很多东西，这个领域非常活跃，可以应用到其他领域。”

更好的一种

研究表明，为了使塑料更具可持续性，需要在全球范围内大规模推广回收。今天发生的大多数塑料回收都是一种被称为机械回收的类型。塑料垃圾被收集、清洗、分类、粉碎，然后熔化成颗粒，卖给回收塑料制品的生产商。

这个过程听起来很简单，但在实践中却远非简单。英国利兹大学(University of Leeds)将废塑料作为循环经济的一部分进行研究的埃德·库克(Ed Cook)说:“塑料的问题在于有太多不同的类型。”不同类型的塑料在熔化时不能很好地混合在一起，少量错误类型的塑料会降低整批塑料的质量，所以塑料必须先仔细分类。

在高收入国家，这种分类通常是在大型回收设施的高科技机器的帮助下进行的。这些设施通常针对最常用的塑料类型，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，用于制造碳酸饮料和水瓶)，高密度聚乙烯(HDPE，用于牛奶和洗发水瓶)，有时还有低密度聚乙烯(LDPE，用于塑料手提袋)和聚丙烯(瓶盖和薯片包装)。

即使认真分类，回收塑料的质量也几乎总是低于初级塑料。超过10,000种不同的添加剂可用于赋予塑料不同的颜色和技术性能。同一类型的塑料通常含有不同的添加剂组合，导致回收材料的添加剂组合不可预测，而且往往是次优的。此外，组成这些材料的长聚合物链在每次熔化时都变得略短。

所有这些因素都意味着塑料回收通常相当于降级回收——制造技术或美学质量不那么严格的产品。例如，一个食品级的塑料饮料瓶变成了一件羊毛服装，或者公园长椅的组件。

位于瑞士苏黎世的瑞士联邦理工学院(ETH)生态系统设计专业的研究生Magdalena Klotz说，因为制造商不能用回收塑料制造很多产品，所以它的市场是有限的。克鲁兹和她的合作者已经证明，即使瑞士80%的塑料被收集用于回收，最多也只有20%左右的塑料制品会被回收⁵．“如果我们只是收集更多，这是不够的，”她说。如果不对塑料系统进行其他改变，“我们就得到了无法利用的二次材料”。

为了简化机械回收和提高二次塑料的质量，一些研究人员正在努力开发一种叫做增容剂的化学物质，它可以帮助不同类型的塑料在熔化时均匀地混合在一起。德克萨斯州休斯顿大学的化学工程师梅根·罗伯逊说:“这是一个古老的领域，但最近将其应用于回收的想法获得了很大的吸引力。”现在市面上已经有几种增容剂可以帮助混合特定类型的塑料，罗伯逊正在努力开发一种更灵活的增容剂，可以应用于各种聚合物的混合。

其他努力旨在改善分类，以确保进入回收过程的塑料流更纯净、更均匀。HolyGrail 2.0项目正在欧洲试点数字水印的使用，该项目由160多家涉及塑料包装的公司和组织合作，由欧洲品牌协会推动，并在很大程度上由终止塑料废物联盟提供资金。这些是嵌入在塑料包装上的代码，回收设施中的专用摄像头可以读取这些代码，其中包含关于塑料垃圾属性的信息，比如它所含的添加剂。另一种方法被称为对齐设计，它要求塑料制造商协调生产塑料种类更少的产品，并使用同一组添加剂。然后回收设施将收到更多类似的塑料，反过来产生更高质量的再生塑料。库克说:“简单一点就能让事情变得简单一点。

一些公司开始接受这些想法。今年8月，总部位于佐治亚州亚特兰大的可口可乐公司开始在北美用透明塑料瓶包装其柠檬酸橙碳酸饮料雪碧，而不是60年来一直使用的标志性绿色瓶子。该公司表示，其目标是帮助回收瓶子，而不是其他难以回收的产品。反过来，这将有助于可口可乐实现其增加包装中可回收成分数量的承诺。这一举措凸显了研究人员所说的提高回收率的关键:刺激对二手塑料的市场需求。苏黎世联邦理工学院的化学工程师André Bardow说:“如果制造塑料的人需要这种废料作为原料，我们真的可以解决塑料的浪费问题。”“这让我充满希望。”

全球即兴创作

塑料生产成本低廉，对于生活在非正式和偏远地区的人们来说，塑料是一种容易获得的实用材料，这些地区几乎没有冷藏设施和卫生设施。此外，与其他食品和饮料包装材料相比，它的重量轻，运输能源消耗更少。利兹大学(University of Leeds)可持续发展科学家科斯塔斯·韦利斯(Costas Velis)说，因此，这些产品在世界各地都能找到，甚至在最偏远的地方。

这里有一个问题:因为废塑料的价值很小，从这些孤立的地方收集塑料没有经济动力。事实上，塑料垃圾在许多低收入和中等收入国家普遍存在，这些国家很少有正式的回收计划。事实上，全世界估计有20亿人无法获得定期的废物管理服务⁶．据估计，每年流入海洋的1300万吨塑料中，大部分来自废物管理不足的地区。

然而，在低收入和中等收入国家，塑料回收的数量惊人。在这些地方，回收往往是非正规经济的一部分。拾荒者在垃圾填埋场和垃圾箱中筛选，从环境中收集塑料。包括Velis和Cook在内的一个团队的研究表明，这些人的努力加起来是有意义的:“在全球范围内，拾拾者背后的塑料回收比正规行业更多，”Velis说。

这些非正规工人通常具有创业精神和适应能力。加纳海岸角大学的废物管理科学家Kwaku Oduro-Appiah说，在加纳，垃圾收集者已经开始挨家挨户地购买一些最理想的塑料，如HDPE，用于回收。反过来，Oduro-Appiah说，“一些家庭现在看到了一些价值，不希望直接在垃圾中添加(塑料)”。他说，还有一些垃圾收集者会去参加婚礼等活动，收集那里使用的一次性塑料，他们意识到，更清洁的塑料比从垃圾填埋场拣出来的塑料卖得更高。

然而，加纳和其他中低收入国家的拾荒者和收集者往往生活贫困，往往来自边缘社区，他们的垃圾收集活动有时被定为犯罪。他们的工作可能是危险的，特别是在垃圾填埋场，而且“他们没有讨价还价的能力，所以他们甚至没有得到物有所值”，奥德罗-阿皮亚说。但这种情况正在开始改变。对拾捡垃圾者贡献的认可和对其工作条件的关注，促使各国努力将其纳入废物管理规划，例如加纳于2021年启动的《塑料垃圾国家行动路线图》。

拾荒者收集的一些塑料最终会被送到巴西和印度尼西亚等较大国家的回收工厂，这些国家有当地的塑料工业。有些被运到国外回收。一些垃圾由当地的小型企业回收，工人们转向YouTube视频学习和分享技能。“这些都是非常小规模的作业，没有任何环境和公共卫生保护，”Velis说。不过，他补充称，“全球南方仍有很多即兴创作”。

先进的故障

尽管世界各地的努力仍在继续推进现有的回收方法，但在过去十年中，越来越多的研究注意力转向了先进的回收技术，有时也被称为化学回收。这些方法还没有在商业规模上广泛应用，但它们最终可以回收无法机械回收的塑料类型和产品。

其中一种方法是热解，在没有氧气的情况下将塑料加热到高温。这导致聚合物链分解成更小的成分。热解可以用于混合塑料垃圾，这可能会使由多层不同塑料组成的各种产品的回收成为可能。

到目前为止，大多数关于热解的研究都集中在将塑料转化为燃料上——这是一个能源密集型的过程，导致塑料中所含的碳被排放到大气中。但从理论上讲，热解产生的较小分子可以重新组装成塑料。

另一种先进的回收方法是将塑料分子分解成单独的亚基。然后，它们可以重新组装成聚合物，避免机械回收过程中发生的缩短链和质量退化。这可能有助于热固性塑料的回收利用——热固性塑料是一类不能熔化的聚合物，因此不能机械回收。这些聚合物被用于生产酚醛、三聚氰胺和用于风力涡轮机叶片的环氧树脂等材料。

化学品回收也为升级循环提供了可能:用比塑料更有价值的单体制造化学产品，而这些单体很难用其他方法生产。“通常这些都不是大规模的化学物质，”巴多说，但其中一些在某些行业仍然发挥着关键作用，比如3-羟基-γ-丁内酯，它被用于生产降低胆固醇的他汀类药物。巴多说，这些化合物的高价值可以为开发化学回收技术提供资金支持。

化学回收的一个巨大障碍是塑料聚合物非常稳定——这就是塑料在如此广泛的应用中如此有用的原因——所以将它们分开需要大量的能量。研究人员正在寻找可以减少所需能量的酶和催化剂。罗伯逊说:“这就是现在化学回收的真正游戏。”

自然的灵感

加州斯坦福大学专门研究微生物生物技术的克雷格·克里德尔说，为了寻找有助于化学物质回收的酶和催化剂，“我们可以去自然界中已经存在的地方”。(克里德尔是莫尔斯的博士导师;芒果材料公司使用的一些方法来自他的实验室工作。)他说，各种各样的聚合物在生物世界中很常见，有时生物体分解天然聚合物的解决方案可以被用来分解人类创造的聚合物。Criddle的研究重点是粉虫(Tenebrio莫利托)，他称之为“微型生物反应器”。这些无脊椎动物可以在肠道微生物群落的帮助下消化多种塑料。其他研究人员已经发现了可以将多种塑料分解成相同最终产品的细菌，更多的证据表明，特定的微生物或从中提取的分子可以帮助回收混合的塑料废物流。

研究人员正着眼于自然界，使塑料工业的其他方面也更加可持续和循环。人们对糖和玉米等可再生原料(而不是化石燃料)生产的塑料的兴趣激增。然而，这些生物塑料仍然只占当今塑料生产的一小部分，如果大幅扩大规模，可能会对农业土地和水供应造成压力。这些担忧促使芒果材料公司从甲烷中生产P3HB，甲烷是一种强有力的温室气体，是废水处理厂、垃圾填埋场和农业设施的产物。莫尔斯解释说，甲烷比其他可再生原料更便宜，而塑料比其他由甲烷制成的产品更有价值。

但生物塑料也有缺点。西伯格说，“它们是典型的不同聚合物”，而不是由化石燃料制成的聚合物。“所以它们不太适合我们目前的回收系统。”以P3HB为例:有回收技术，但没有设施，因为目前生产的P3HB太少了。(P3HB在家庭堆肥堆中也是可生物降解的，提供了另一种处理方案。)

除了回收

到2050年，全球塑料需求预计将增加近两倍，达到每年11亿吨¹．在今年早些时候发布的一项分析中⁷巴多和他的团队发现，扩大回收，更多地依赖可再生原料，并实施其他策略，使塑料行业更加循环，可以将目前的塑料生产水平保持在“地球范围内”。但是，如果塑料生产继续以预测的速度增长，那么选择就会大大减少——到2050年，巴多说，“即使化学家和化学工程师能使出所有的花招”，也不会有可持续的解决方案。

更多信息来自《自然展望》

研究结果强调，有必要减少塑料的整体使用，尤其是一次性物品。“如果我们只是从生产基于石油的一次性塑料产品转向生产基于可再生的一次性塑料产品，那么我们还没有走得很远。”说Syberg．

到目前为止，支持这种转变的研究还很少。西伯格和他的团队分析了与欧洲相关的塑料研究，发现大多数研究都集中在塑料的回收和废弃阶段，很少关注产品生命周期的其他部分⁸．同样，King和Locock对全球循环塑料经济研究进行了全面回顾，发现超过四分之一的研究集中在回收上，但只有不到10%的研究集中在修复和再利用等主题上⁹．

改善塑料圆度的努力仍在继续。Mango Materials正在为年产2300吨P3HB的工厂选址，这是一个数量级的飞跃，尽管在全球塑料总产量中仍然只占很小的一部分。莫尔斯说:“尝试成为解决方案的一部分是很有趣的。“但这也非常令人生畏。”