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重生之塑料，中国科学家找到塑料降解新策略——让垃圾成为高价值化学品新生。

撰文  |   李存璞（特种化学电源全国重点实验室教授，中国化学会科普工作委员会委员）

当我们拎着一袋垃圾走进小区角落的分类桶前时，大多数人并不会多想：这一袋塑料垃圾的 " 后半生 " 会发生什么？是被回收？被焚烧？被填埋？还是，悄悄地进入了江河湖海，最终变成飘在太平洋上的塑料碎片，漂洋过海，随风万里？

据估算，在塑料制品尚未广泛应用的上世纪 50 年代，全球每年塑料产量约为 200 万吨，而如今，全球每年生产的塑料超过 4.5 亿吨 [ 1 ] ；其中约一半是一次性塑料制品，并且有将近 2 亿吨在使用极短时间后，便被扔进自然界——土地、江河、海洋。它们将以一种超乎寻常的坚韧存在下去：上百年，甚至上千年。

我们发明了塑料，也正在被塑料反噬。

既要永恒，又可挥之而去

人类对塑料制品始终有着一种不切实际的期待：在购买使用过程中，我们希望它足够耐用，耐用到可以作为传家宝从商周时代用到上周依然完美如新；而在丢弃之后，我们又希望塑料可以快速降解，不在环境中留下一丝痕迹。这像极了爱情，用爱情的标准来要求塑料制品：在一起时 " 海枯石烂 "，分手之后又希望对方 " 飘然而去 "。

塑料制品诞生之初，科学家把几乎所有精力用于提高塑料的耐用性，如今我们周围的聚乙烯（PE）的保鲜膜、聚丙烯（PP）的塑料杯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的有机玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）的不粘锅和聚氯乙烯（PVC）的灯牌，已经成为材料世界的中坚力量。这些材料性质各异，十分耐用——大多也很难被降解。

人们对塑料的消耗巨大，平均每人口每年消耗 28 公斤的塑料，而其中 1/3 会流落于环境当中，成为环境污染物。

用可降解高分子代替现有材料

为了解决塑料垃圾所带来的环境问题，科学家们开始研究可环境降解的高分子材料：在微生物、酶、阳光和水的作用下，自动分解为水和二氧化碳，最终悄然回归自然。这并不是科幻。

事实上，已经有不少材料做到了这一点：比如近年来已经广泛使用的聚乳酸（PLA）外卖盒、吸管、购物袋。用这种材质的吸管虽然口感欠佳，并且多吸几口就会裂开，但它切切实实地比原有聚丙烯（PP）吸管更加环保。

一些科学家正在改造木头，不是简单的 " 用木头替代塑料 "，而是通过分子工程把木材细胞壁、木质素等变成可模塑、可降解的功能材料——不依赖石油资源，也没有微塑料问题。这些成果在 Nature、Science 等顶级期刊频频出现 [ 2-4 ] ，一个由 " 自然重写高分子合成逻辑 " 的时代正在来临。

图 1 用天然木头经过细胞工程制备的可加工的高强度蜂窝材料 [ 3 ] 。

传统塑料怎么办？还能 " 抢救 " 吗？

再激进的材料革命，也无法一夜之间替代全球数十亿吨的塑料库存——更何况这些可降解塑料往往价格更高，强度却无法与传统塑料相媲美。如何处理这些已经存在、正在生产、每天都在丢弃的传统塑料，是另一个棘手而更现实的问题。

材料科学家也在试图从分子结构上解决问题。

比如，有团队在聚乙烯的主链中有选择地引入酮基结构，使它在保留机械强度的同时具备了光降解性。太阳光可以让它在使用后自动分解 [ 5 ] 。这意味着，我们未来用的包装袋、农膜，可能不需要回收，阳光就是最好的 " 处理厂 "。

还有更先进的思路：设计能循环的塑料。科学家通过构建特殊的五元环结构（比如戊内酯），让这些聚合物在一定条件下可以分解为原始单体，再重新聚合 [ 6 ] 。这样，一个矿泉水瓶可以变回 " 原材料 "，再变成新的瓶子，实现真正意义上的 " 循环永生 "。

图 2 把矿泉水瓶 PET 降解为单体分子，又重新聚合 [ 7 ] 。

而对于已经广泛使用的 PET 矿泉水瓶，在 2005 年，研究者发现一种叫 cutinase（角质酶）的蛋白，可以切断 PET 塑料（可乐瓶的主要成分）的分子链；进一步地，在 2022 年，有研究用人工智能预测突变位点，把这些酶进行生物工程改造，从而可以将 PET 降解为其原材料：对苯二甲酸和乙二醇 [ 7 ] 。这样矿泉水瓶就实现了分子级别的再生。打球的时候阿姨收走的瓶子，很快会再生成一个新的饮料瓶，重新回到我们手上。

化学与生物学，联手出击

现实世界的塑料往往不是单一材料，而是混合的、染色的、复合的，这也让回收变得更加困难。对此，有研究提出了一个聪明的策略：先用化学手段打碎聚合物骨架，再用生物手段 " 啃食 " 降解产物。这样的 " 化生协同 " 工艺可以处理原本难以回收的塑料混合物，转化为可再利用的小分子中间体 [ 8 ] 。这就像先把一团乱麻剪开，再一点点拆线、理顺。看似复杂，却可能是破解塑料问题的现实路径。

图 3. 化学生物共同实现对混合塑料的降解 [ 8 ] 。

复杂塑料，也能 " 各得其所 "

尽管关于塑料处理的进步不断发展，可是真实生活中的塑料往往更加复杂，面对混合、染色、多层复合、加了各种添加剂的塑料垃圾，有时真让人束手无策。但在 2025 年 6 月，中国科学家在 Nature 发表论文，给出了一个鼓舞人心的答案。他们提出了一种 " 面向产物 " 的策略，将真实生活中多种塑料混合物，逐一破解，最终成功转化为 8 种以上的高价值化学品。这项工作做了三件看似简单、实则极难的事：

1. 识别功能基团

他们利用二维固态核磁共振（2D FSLG-HETCOR NMR）技术，识别出塑料中各类官能团——酯基、芳香环、氯取代、碳骨架等，为下一步反应设计提供物质组成参考。

2. 按组 " 拆解 " 塑料

不同种类塑料的化学反应活性不同，团队利用这种 " 正交性 "，为每类组分设定独立的反应路径：

聚苯乙烯 → 光催化氧化 → 苯甲酸

聚乳酸 → 氨解 + 加氢胺化 → 丙氨酸

聚碳酸酯 → 解聚 + 醇解 → 双酚 A

PET → 皂化 + 催化偶联 → 对苯二甲酸 + 乳酸

聚烯烃（PE、PP） → 加氢裂解 →   C3 – C6   烷烃

3. 处理真实塑料垃圾

除了验证试剂级塑料样品的可行性，研究人员还对包含泡沫饭盒、PLA 吸管、PVC 塑料袋、PET 水瓶、PP 滴管等生活垃圾进行了整体处理。在 20 克混合样本中，共获得 1.3 克苯甲酸、2.0 克对苯二甲酸、2.1 克双酚 A 等 8 类化合物，实现了真正意义上的 " 垃圾资源化 "。

图 4 真实塑料垃圾被逐渐转化为有价值的小分子化合物。

这项研究不仅提供了一种理论方法，更是一个可操作的流程框架，这意味着——即使面对最复杂的塑料废物，我们依然可以科学、有序、分子层级地加以处理，而不是简单地焚烧、填埋或忽略。

塑料的命运不止于一次使用，它也可以拥有 " 第二次生命 " ——甚至拥有更有价值的一生。

参考文献

[ 1 ]   https://ourworldindata.org/plastic-pollution

[ 2 ]   Yang, C., Wu, Q., Xie, W. et al. Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries. Nature ( 2021 ) .

[ 3 ]   Xiao et al., Lightweight, strong, moldable wood via cell wallengineering as a sustainable structural material. Science 374, 465 – 471 ( 2021 ) .

[ 4 ]   Xia, Q., Chen, C., Yao, Y. et al. A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic. Nat Sustain ( 2021 ) .

[ 5 ]   Baur M, Lin F, Morgen T O, et al. Polyethylene materials with in-chain ketones from nonalternating catalytic copolymerization [ J ] . Science, 2021, 374 ( 6567 ) : 604-607.

[ 6 ]   Li X L, Clarke R W, Jiang J Y, et al. A circular polyester platform based on simple gem-disubstituted valerolactones [ J ] . Nature Chemistry, 2023, 15 ( 2 ) : 278-285.

[ 7 ]   Lu H, Diaz D J, Czarnecki N J, et al. Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization [ J ] . Nature, 2022, 604 ( 7907 ) : 662-667.

[ 8 ]   Sullivan K P, Werner A Z, Ramirez K J, et al. Mixed plastics waste valorization through tandem chemical oxidation and biological funneling [ J ] . Science, 2022, 378 ( 6616 ) : 207-211.

[ 9 ]   Zhang M Q, Zhou Y, Cao R, et al. In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics [ J ] . Nature, 2025: 1-9.

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