2015年11月，一向比较低调的高分子科学界突然整出了一个大新闻：来自中美两国的研究人员发现，黄粉虫这种昆虫的幼虫，即俗称的面包虫，能够吞食和降解塑料。
这则消息传出后，真可谓一石激起千层浪。有不少读者倍感欣慰，认为长期困扰人类社会的白色污染问题终于有了解决之道。但也有一些读者表示不解，认为黄粉虫能以塑料为食早就不是什么惊天的秘密。甚至有人在搜索之后发现，早在十余年前就有国内的中学生发现黄粉虫可以吃掉塑料，怀疑此次报道的研究不仅毫无新意，甚至有剽窃他人成果之嫌。
这一报道引发的争议，实际上既体现了广大民众对近年来方兴未艾的生物可降解塑料这一研究领域的关注和期待，也反映出人们对于这一新生事物的某些误解。因此要想准确理解这项研究，我们不妨先梳理一下生物可降解塑料发展的脉络。
当各种合成高分子材料刚刚进入我们的视野时，人们在欣喜于它们给生活带来的极大便利的同时，并没有过多地去考虑这些材料在寿终正寝之后该如何处理。
废弃的高分子制品往往只是简单地被送到垃圾填埋场甚至随手扔在街上。然而随着时间的推移，人们逐渐意识到它们的化学性质通常非常稳定，在环境中可以长时间存在。因此废弃的高分子材料，尤其是塑料，造成了严重的环境问题，也就是通常所说的“白色污染”。这迫使人们不得不寻求解决问题之道。
然而在塑料诞生前，人类一直在利用天然的高分子化合物，为什么在过去的几千年间并没有出现白色污染的问题呢？一个重要的原因在于，在与这些天然高分子化合物共存的漫长岁月里，各种微生物已经进化出一系列的酶，能够将这些庞大的分子转变成可以为生物再次利用的养料。
事实上，如果没有微生物扮演分解者角色，保证生态系统中的物质循环，恐怕早在人类诞生之前，地球上的资源就被生物消耗殆尽了。相反，合成高分子材料诞生至今不过100多年的历史，微生物对它们并不熟悉，面对这些全新的化学结构时往往会感到无计可施。这样一来，人工合成的高分子材料难免在环境中长久地累积下来。
既然如此，我们把天然高分子材料直接请回来，白色污染问题不就迎刃而解了吗？接下来我们就来分析一下这条路是否走得通。
一、心有余而力不足的天然高分子材料
在天然高分子化合物中，含量最为丰富的要数纤维素了。纤维素广泛存在于植物特别是树木中，是由数百至上千个葡萄糖分子相互连接而形成的线性高分子。要问纤维素的机械强度如何，那些参天大树是再好不过的证明。按理说如此强劲的高分子化合物足以秒杀一切合成的塑料了，但偏偏正是这一点成了纤维素的软肋。我们知道，塑料之所以应用广泛，很重要的一点在于这个“塑”字，即可以通过熔融流动来被加工成任意形状。即便是高温下不能熔化的热固性塑料，也可以通过溶液等其他液体形式来实现成型加工。
然而纤维素由于分子间的相互作用极强，在高温下宁可降解也不肯流动，同时它也很难溶于大部分溶剂，这就使得纤维素的应用受到很大的限制。
当然，长久以来，人们从未放弃过更好地利用纤维素的努力，其中造纸术的发明或许可以看作第一步。在造纸过程中，木材等富含纤维素的原料通过机械或者化学过程被分解成纤维素的短纤维，这些短纤维干燥成型后就得到了纸。纸的出现无疑让我们对纤维素的利用更加充分。时至今日，纸张仍然在我们的生活中扮演着不可或缺的角色，目前全球纸制品的产量一点也不比塑料少。
这些纸制品除了用于书写、印刷、个人卫生等，也经常替代塑料用于包装、餐具等领域。但纸毕竟不是真正意义上的塑料，许多性能也无法媲美塑料，例如纸遇水后强度就下降许多，而且无法像塑料那样做到完全透明。事实上，许多纸质的包装材料往往还需要塑料的配合才能达到比较理想的效果，例如许多用来装牛奶的纸盒就必须在内部涂上一层塑料才能保证良好的防水效果。
另外，纸虽然以可再生的植物为原料，废弃后也可以被微生物降解，但其生产过程中要产生大量的污水，对环境的负面影响也不容忽视。因此，用纸制品来进一步代替塑料制品恐怕未必是很好的选择。
到了近代，人们在不断地摸索中发现了更好地改造纤维素的方法。纤维素之所以难以熔化或者溶于溶剂，是因为分子间存在着强烈的氢键，而氢键的存在又是源于纤维素分子中大量的羟基结构。
如果我们通过化学反应让羟基转化为别的结构，就有可能破坏纤维素分子之间的氢键，让纤维素变得能够溶解，这也正是这些新方法的切入点。例如纤维素与浓硝酸发生硝化反应得到的硝化纤维，与醋酸酐反应得到的醋酸纤维素，都可以形成溶液，从而实现进一步的加工，让我们更好地利用纤维素。
如果在硝化纤维中加入樟脑作为增塑剂，可以得到性能进一步改善的赛璐珞，它被公认为是最早的塑料，诞生之后曾经很受欢迎。
但赛璐珞有一个致命的缺陷，那就是太容易着火，要知道硝化程度高的纤维素可以被用作火药。作为塑料的硝化纤维硝化程度没那么高，但仍然很危险。例如，早期的电影胶片都是用硝化纤维制作，因此胶片库的火灾屡见不鲜，许多珍贵的影片拷贝就这样在火焰中灰飞烟灭。
相比之下，醋酸纤维素没有那么易燃，因此逐渐取代了赛璐珞。但即便是这一类较为安全的材料，其生产加工仍然不如聚乙烯、聚丙烯等完全人工合成的塑料来得方便，因此在合成塑料兴起后就逐渐退居次要的位置。而且经过化学修饰的纤维素虽然加工更加容易，却也有可能因此失去了可被微生物降解的特性，这也是值得注意的一个问题。
另外一种改造纤维素的方法是用碱溶液和二硫化碳处理纤维素，纤维素分子中的羟基会与二硫化碳反应，这同样会让纤维素变得可溶。随后如果把酸加入溶液中，与二硫化碳反应结合的羟基又会被破坏。经过复杂的过程，纤维素的化学结构没有改变，物理结构却发生了变化，加工起来变得更加容易，这就是所谓的“再生纤维素”。我们在挑选服装时可能会注意到有些衣服会注明材质是“人造丝”，这就是用再生纤维素加工的纤维。
与赛璐珞和醋酸纤维素相比，再生纤维素的一个优势是纤维素的化学结构最终没有改变，因此其生物降解的能力也不受影响。然而不幸的是，再生纤维素的生产过程中要用到二硫化碳这种毒性很高且易燃的物质，对工人的健康和安全是一个严重的威胁。不过近些年来，许多科学家们尝试用更加安全环保的化学试剂来取代二硫化碳，并取得了一定的进展，这让人们看到了一定的希望。
介绍了纤维素，就不能不提一下它的“小兄弟”—淀粉。与纤维素一样，淀粉也是由葡萄糖连接而成的高分子化合物，但二者不仅葡萄糖分子之间的连接方式有所不同，而且纤维素分子完全是直链结构，而淀粉分子则有一部分是分支结构，这使得淀粉分子之间的相互作用更容易被破坏。
如果把淀粉与少量的水混合并加热，淀粉就可以像热塑性塑料那样熔化流动，从而被加工成不同的形状，这样得到的淀粉被称为热塑性淀粉。热塑性淀粉同样可以被微生物降解，而且加工又比纤维素容易得多，加之淀粉的来源也很广泛，因此热塑性淀粉近年来颇受重视。然而不幸的是，相对较弱的分子间作用力既使得淀粉比纤维素容易加工，也导致热塑性淀粉的强度要比纤维素逊色许多，因此通常要和其他高分子材料混合才能达到令人满意的效果，这就严重制约了热塑性淀粉的推广应用。
当然，除了纤维素和淀粉，还有许多其他的天然高分子化合物也有可能成为塑料的替代品。但这些天然高分子化合物大多也面临着这样那样的问题，如果用一句话来概括，那就是好用的不够用，够用的不好用。例如有一种名为普鲁兰多糖的天然高分子化合物，结构与纤维素类似，机械性能也不差，但它可以直接溶于水，因此加工起来要方便得多，但这种材料目前只能通过微生物发酵来获取，如果作为塑料的替代品，搞不好塑料要成为奢侈品的代名词了。因此，天然高分子材料在未来也许会经历一定程度的复兴，但要想全面取代合成的塑料以消除白色污染，恐怕是非常困难的。
天然的高分子材料不够给力，科学家们只好求助于人工合成，而一大批新的生物可降解塑料也应运而生，其中最为人所熟知的大概要数近年来“出镜”频率颇高的聚乳酸了。
二、聚乳酸：时势造英雄
聚乳酸， 顾名思义， 是乳酸聚合得到的高分子化合物。乳酸是我们并不陌生的一种有机物。我们进行剧烈运动时，葡萄糖在体内会被代谢为丙酮酸，后者再进一步代谢为乳酸。牛奶在发酵成酸奶时，乳酸菌会将乳糖转化为乳酸，从而带来独特的酸味。事实上，乳酸这个名称的由来就是由于它最初是在发酵的牛奶中被发现，而做出这一发现的是以发现氧气闻名的瑞典化学家舍勒。而乳酸能够聚合成聚乳酸，最早则是被以合成尼龙闻名的美国化学家卡罗瑟斯发现的。因此，卡罗瑟斯不仅是公认的尼龙之父，也应该是当之无愧的聚乳酸之父。
聚乳酸由乳酸聚合而得到不过，在聚乳酸被发现后很长一段时间里，它却一直被束之高阁，这是为什么呢？由于技术所限，卡罗瑟斯最初得到的聚乳酸分子量不高，因此强度不高。后来研究人员通过改进方法，成功增加了聚乳酸的分子量。但即便如此，聚乳酸在性能上仍然没有太多的亮点，有些方面比其他塑料还要差，例如它比较脆，热稳定性也不太好。与此同时，聚乳酸的生产成本却高出别的塑料一大截。有谁会给这种“价高质次”的材料委以重任呢？
在沉寂了几十年之后，聚乳酸终于迎来了它的第一个“伯乐”—生物医学行业的从业者。与其他合成的塑料相比，聚乳酸有一个独特之处，那就是在合适的条件下可以降解成无毒无害的乳酸。因此，它可以实现其他材料无法做到的一些独特应用。
例如用聚乳酸制成的手术缝合线在伤口愈合过程中会逐渐被人体吸收，因此为患者免去了拆线的烦恼。又如聚乳酸虽然在体内能够被降解，但它本身并不能直接溶于水，因此如果把药物包裹在聚乳酸的微球内，微球进入体内后，药物并不会一下子跑出来，而是随着聚乳酸的降解而逐渐与组织接触，从而实现药物更加缓慢持久的释放。至于机械性能不够好、成本高等缺点，为了治病救人，都可以容忍。这样，聚乳酸终于结束“待业”状态，开始走入实际应用。
但聚乳酸真正迎来更大的发展机遇还是在白色污染问题得到重视以后。人们意识到，如果用聚乳酸来代替传统的塑料，不就可以通过降解来缓解废弃塑料制品在环境中的积累吗？虽然聚乳酸机械强度等方面的性能不够出色，但也不比常规塑料差得太多，并且通过一些技术手段可以适当提高。而且不像纤维素塑料的加工需要繁琐的化学反应，聚乳酸可以像其他塑料那样通过加热熔融来成型，在生产上要方便很多。
另外更重要的一点是，人们发现乳酸可以通过淀粉的发酵而得到，这使得聚乳酸的成本显著下降。因此，聚乳酸开始被大量用于生产食品包装、餐具等常规的塑料制品。可以预见，在不久的将来，聚乳酸还将迎来更加迅猛的发展。在聚乳酸的带动下，近些年来，可降解塑料的队伍愈发庞大。然而细心的人们很快就发现，这其中似乎混进了一些可疑的家伙。
三、环境公害变身环保明星？
虽然聚乳酸在过去的几十年间进步飞速，许多传统的塑料在性能上仍然具有聚乳酸难以企及的优势，那么有没有可能在继续使用这些材料的同时，又设法让它们变得能够被生物所降解呢？一个可能的办法是对自然界进行“拉网式排查”，看看有没有可能在某个此前不为人所知的角落找到能够有效吃掉白色污染的神奇生物。通过这一途径，科学家们还真的收获了不少令人振奋的结果。
除了本文开头提到黄粉虫，一个典型的例子是2016 年的关于聚对苯二甲酸乙二醇酯的一项发现。聚对苯二甲酸乙二醇酯通常被认为无法被微生物降解，但就在这一年，日本科学家在一处聚对苯二甲酸乙二醇酯制品的回收工厂中发现了一种此前从未被报道过的细菌，它能够利用体内两种特殊的酶将这种塑料分解为对应的单体对苯二甲酸和乙二醇。
这项研究启发科学家们，遍地的塑料垃圾或许已经成了一种新的环境因素，可以帮助我们筛选出那些能够让微生物以塑料为食的基因突变。一年之后，来自英国和西班牙的研究人员还发现大蜡蛾这种昆虫的幼虫可以将聚乙烯降解为乙二醇。研究人员推测，由于大蜡蛾的幼虫以蜂蜡为食，而蜂蜡的化学结构与聚乙烯具有一定的相似性，因此这些毛虫能够以聚乙烯为食也就不奇怪了。
除了寄希望于新的微生物，一些生产厂商还将特殊的添加剂添加到聚乙烯、聚丙烯等难以降解的塑料中，声称这些添加剂能够借助光照、微生物等外界因素，加快塑料的降解。
还有的厂家将聚乳酸、淀粉等可降解的塑料与不可降解的塑料混合。这样的塑料在进入市场时，往往也带上了“可降解”的标签。许多曾经的白色污染的罪魁祸首，摇身一变，成了对环境友好的明星材料。然而这种转变太过突然，让不少人心生疑窦：这些所谓的可降解塑料真的能降解吗？要回答这一问题，我们必须明确，究竟什么样的塑料可以被称为生物可降解塑料？
一般来说，有这样两条标准必须符合：首先，这种材料必须能够在合理的时间内被环境中的微生物降解。因为即便是传统意义上化学性质稳定、难以被微生物分解的塑料，长时间暴露在环境中，仍然可能会发生一定的降解，如果给它们统统贴上可降解塑料的标签，显然是自欺欺人之举。因此，我们希望进入环境中的塑料最好在较短的时间内降解完全，例如几周或者数月是可以接受的。
但光是降解完全还不够，如果降解产物是对环境有害的物质，那还不如不降解。因此我们还要加上第二条标准，那就是降解产物必须无毒无害，能够被生物再次利用。
有了这两条标准，市面上五花八门的可降解塑料哪些名实相符，哪些则是滥竽充数的南郭先生，就一目了然了。
四、是骡子是马，拉出来遛遛
如果用上面两条标准去衡量，淀粉、纤维素这样的天然高分子材料很容易过关，毕竟它们都是微生物的老朋友了，但聚乳酸就有些麻烦了。
细心的读者可能注意到了，在前面介绍聚乳酸时，笔者使用了“合适的条件”这样的字眼，这并不是平白无故加上去的。乳酸在自然界很常见，聚乳酸对于微生物来说却是相当陌生。
虽然近年来科学家们找到了一些能够直接降解聚乳酸的微生物，但聚乳酸在环境中的降解主要并不是依赖于微生物，而是通过聚乳酸与水发生水解反应导致分子逐渐变小。只有当聚乳酸的分子变得足够小时，微生物才有可能参与进来分一杯羹。
在合适的条件下，聚乳酸能够在环境中彻底降解 （图片来源：Kale G, Kijchavengkul T, Auras R, et al. 2007. Compostability ofbioplastic packaging materials: An overview. Macromolecular Bioscience, 7(3):255-277聚乳酸的水解过程要想较快发生，通常需要维持60℃左右的温度和较高的湿度，即通常所说的工业化堆肥条件。
在这样的条件下，聚乳酸制品只需要一两个月的时间就会消失不见。但如果环境中的温度或者湿度过低，聚乳酸的水解就会非常缓慢。例如来自英国的研究人员曾经测试了各种可降解塑料制品在冬春两季户外堆肥装置中的降解情况。
英国的气候虽然较为温和，在研究人员所处的东南部，冬季气温也可以降至10℃以下。实验结果表明，经过6 个月的时间，淀粉制成的器具基本降解完全，纸制品可以降解一半左右，而聚乳酸制品则几乎没有任何降解的迹象。因此，聚乳酸要想符合生物可降解塑料的两条标准，必须以满足合适的降解条件为前提。
直接将聚乳酸埋在自家后院或者扔进垃圾填埋场不仅很难让它们回归自然，甚至有可能加剧原本已经严重的白色污染问题。有些研究人员就担心生物可降解塑料的标签会让消费者错误地认为可以毫无顾忌地将塑料垃圾丢弃到环境中。至于那些通过向传统的塑料中混合添加剂而的得来的所谓生物可降解塑料，问题就更大了。同聚乳酸一样，这些塑料也并非在什么条件下都可以顺利降解。
例如有研究人员把宣称可降解的聚乙烯等塑料的薄膜埋在土壤中，3 年后再挖出来，薄膜仍然完好无损，所谓的降解完全是空头支票。但更大的问题在于，即便这些所谓的可降解塑料真的消失不见了，它们在环境中最终会变成什么，仍然是一个未知数。很可能它们只是从大块的塑料制品变成了看不见的小碎片，这些小碎片仍然可以长期在环境中存在，甚至有可能吸附有毒物质，对环境造成更大的危害。
特别是近年来许多研究指出，这些肉眼难以察觉的塑料碎片，即所谓微塑料，对环境特别是海洋生物的威胁恐怕不亚于大块的塑料垃圾。进入海洋的微塑料有一些来自添加于沐浴液、牙膏等日化用品中的塑料微球，但相当一部分源于塑料垃圾在环境中部分降解后产生的碎片。
由于海洋环境与陆地环境相差甚远，微生物组成也大不相同，这些部分降解的塑料碎片在进入海洋后很可能以微塑料的形式长期留存于海洋环境中，这显然是我们不希望看到的。正因为这些原因，许多有识之士呼吁将这些名不符实的生物可降解塑料剔除出去。例如欧洲议会的一些议员就曾提议以立法的形式禁止这一类塑料的使用。
普通的聚乙烯薄膜（a）与添加了宣称能够加速生物降解过程的添加剂的聚乙烯薄膜（b）（c）埋入土壤3 年后（右）与埋入前（左）的比较（图片来源：Selke S, AurasR, Nguyen T A, et al. 2015. Evaluation of biodegradation-promoting additivesfor plastics. Environmental Science & Technology, 49(6): 3769-3777）
五、生物降解，恐非消除白色污染的良药
最后让我们再回过头来看看黄粉虫降解塑料这项研究。虽然确实早就有人观察到黄粉虫能够以塑料为食，但实验者往往只是观察到黄粉虫可以取食塑料，并不能证明被黄粉虫吃下的塑料究竟被转化成了何种物质，因此很难令人信服黄粉虫可以降解塑料。
做出这些发现的主要是业余科学爱好者，研究塑料在黄粉虫体内的代谢过程已经远远超过了他们的能力范围。此次来自中美两国的研究人员利用先进的检测手段，成功证明聚苯乙烯塑料被黄粉虫取食后确实有一部分变成了二氧化碳和黄粉虫自身的生物质，这就无可辩驳地证实黄粉虫确实能够在一定程度上降解塑料。不仅如此，研究人员还进一步证实，黄粉虫之所以能够消化塑料，是由于其消化道中的细菌在帮忙，并且成功分离鉴别出这种细菌，为进一步的研究奠定了基础。
这也就是为什么看起来毫无新意的发现能够荣登知名的学术刊物，并成为媒体关注的焦点。然而值得注意的是，根据论文中提供的数据，被黄粉虫吃下的聚苯乙烯有一半左右变成二氧化碳排出体外，很少一部分留在黄粉虫体内，剩下的一半都通过粪便被排泄掉。同时，在粪便中仍然可以检测到平均分子量相当于原先80% 的聚苯乙烯，也就是说聚苯乙烯并没有完全消失。
因此，一个合理的推断是，黄粉虫虽然从塑料中获取一定的养分，但并不能将其完全降解。残存在黄粉虫粪便中的聚苯乙烯及其他可能的降解产物对环境会产生什么样的影响，仍然需要进一步的研究。
正因为如此，虽然大多数媒体对于这项研究毫不吝惜溢美之词，一些专业媒体却表现得较为冷静和谨慎。例如美国化学会主办的《化学化工新闻》就援引的一位业内人士的话指出聚苯乙烯并没有被完全降解，对环境仍然可能产生负面影响。类似的，近年来其他一些关于通过生物来降解传统塑料的报道，也受到了不同程度的质疑。例如大蜡蛾的幼虫能够降解聚乙烯的报道，发表不久就遭到德国同行的质疑，后者认为相关的实验证据不够确凿有力，不排除是聚乙烯样品被蛋白质污染。
而日本科学家发现的能够降解聚对苯二甲酸乙二醇酯的细菌，虽然颇令人振奋，但也有业内人士指出，实验所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯样品结晶度较低，而通常用于生产饮料瓶等产品的聚对苯二甲酸乙二醇酯具有一定的结晶度，会给生物降解带来极大的挑战。通过上面的分析我们不难看出，生物降解确实能够在一定程度上缓解塑料带来的环境问题，但完全依靠生物降解来促使塑料垃圾进入自然界的物质循环，目前仍然是一个遥不可及的目标。
文 |魏昕宇
