一种新型生物塑料可能有助于减少塑料行业的环境足迹。加州大学圣迭戈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）。这种TPU材料填充了细菌孢子，当接触到堆肥中的营养物质时，这些细菌孢子会发芽并在其生命周期结束时分解材料。
4月30日发表在《自然·通讯》杂志上的一篇论文详细介绍了此项研究成果。
可生物降解的TPU添加的是枯草芽孢杆菌孢子，该细菌孢子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、加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院纳米工程教授、该大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）的共同负责人Jon Pokorski说：“我们挑选了一些菌株，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，能抵抗恶劣的环境条件。与具有生殖能力的真菌孢子不同，细菌孢子具有保护性蛋白质屏障，使细菌能在缺乏营养时存活下来。
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颗粒放入塑料挤出机中。将这些成分混合并在135℃下熔化，然后挤压成薄塑料条。
为了评估材料的生物降解性，将塑料条放置在微生物活性和无菌堆肥环境中。堆肥装置保持在37℃，相对湿度在44%至55%之间。堆肥中的水和其他营养物质促使孢子在塑料条内发芽，在五个月内降解90%。
Jon Pokorski称：“值得注意的是，即使没有额外的微生物，我们的材料也会分解。很可能，这些塑料中的大多数最终不会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。”
尽管研究人员仍需要研究材料降解后留下的物质，但他们指出，任何残留的细菌孢子可能都是无害的。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，甚至对植物健康有益。
在这项研究中，细菌孢子经过进化改造，能够在TPU生产所需的高温下生存。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压温度具有弹性的菌株。这个过程包括培养孢子，将它们置于极端温度下一段时间，并让它们自然突变。然后分离出在此过程中幸存下来的菌株并再次进行循环。
该研究的共同资深作者、加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的生物工程研究科学家Adam Feist表示：“我们不断地进化细胞，直到找到一种能够耐受高温的优化菌株。令人惊讶的是，细菌进化和选择的过程能很好地实现这一目的。”
细菌孢子还可以用作增强填料，类似于钢筋加固混凝土的方式。其结果是改性TPU材料具有增强的机械性能，需要更大的力才能断裂并表现出更大的拉伸性。
Jon Pokorski表示：“仅仅通过添加细菌孢子，这两种特性就得到了极大的改善。”
虽然目前的研究重点是生产较小的实验室规模的产品以了解其可行性，但研究人员正在努力优化该方法以用于工业规模。正在进行的努力包括将产量扩大到公斤级，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。
Adam Feist说道：“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。我们的下一步是扩大可以用这项技术制造的可生物降解材料的范围。”
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