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中国科学家创造“万能解法”，将塑料垃圾转化为高价值化学品

返李存璞约 7 分钟

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。
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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”。
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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。
Image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”。
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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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