在巴西圣保罗的一家美容产品商店里，有一个肥皂碟正在出售。这是一个米白色的圆盘，形状光滑圆润，像一块河石，它只是世界各地商店中数百万个塑料肥皂碟中的一个。但是，尽管大多数塑料都是用石油制成的，但这只碟子中的一些塑料最初是加利福尼亚州一家水处理厂产生的甲烷。
在该设施中一个10米高的生物反应器内部，被称为甲烷菌的古老细菌将甲烷转化为一种名为聚(3-羟基丁酸酯)或P3HB的分子。细菌将P3HB用作一种内部电池来储存能量。但是，加利福尼亚州红木城的生物技术公司 Mango Materials 将 P3HB 用作原材料，从细菌中收获颗粒，并将其制造成扁豆大小的颗粒，称为塑料粒子。这些塑料粒子是塑料行业的通用货币，然后变成了肥皂碟。
Mango Materials 是科学家、非政府组织以及大大小小的公司为使塑料更具可持续性而不断努力的一部分。“我们还有很长的路要走，”生物聚合物工程师兼 Mango Materials 首席执行官 Molly Morse 说。该公司每年生产的 P3HB 不到 45 吨，仅占估计每年生产的 4 亿吨塑料中的一小部分。塑料存在于食品包装、建筑材料、电子产品、服装和现代生活的许多其他方面。
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塑料工业依赖于不可再生资源。全球塑料产量中超过 90% 是原生塑料——即新制造的塑料，而不是回收塑料——由石油产品制成。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 以下所需的碳预算的 15%（参考文献1）。
塑料也造成了大量的废物管理问题。“所产生的废物量与任何其他供应链都不同，”澳大利亚墨尔本联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 的聚合物化学家 Katherine Locock 说。
大约 70% 的已生产塑料已被丢弃2。一次性塑料，尤其是包装，约占欧洲塑料产量的 40%3。然而，最广泛使用的塑料在被丢弃后，会在垃圾填埋场或环境中持续存在数十年甚至数百年。
从理论上讲，许多常用的塑料都可以回收。但已生产的塑料中，只有约十分之一被回收过一次，只有约 1% 被回收过两次4。“制造新的塑料产品比收集、回收或再利用它更便宜，”丹麦罗斯基勒大学研究塑料污染的 Kristian Syberg 说。“这是一个系统性问题。”
要改变这种状况，需要在多个方面采取行动：扩大现有回收技术的规模，在全球范围内推广这些技术，开发处理难以回收塑料的技术，利用来自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。但结果可能会更广泛地惠及循环经济。“我们可以从塑料领域正在发生的非常活跃的事情中学到很多东西，并将其应用于其他行业，”澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的循环经济研究员 Sarah King 说。
更好的分类
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扩大回收规模。当今发生的大部分塑料回收是一种称为机械回收的类型。塑料废物被收集、清洁、分类、粉碎，然后熔化并形成颗粒，出售给再生塑料产品的生产商。
这个过程听起来很简单，但在实践中远非如此。“对于塑料，问题在于塑料的种类太多了，”英国利兹大学循环经济中研究废塑料的 Ed Cook 说。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，因此必须首先对塑料进行仔细分类。
在高收入国家，这种分类通常在大型回收设施中借助高科技机器进行。这些设施通常针对最常用的塑料类型，尤其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)，有时还包括低密度聚乙烯 (LDPE，用于塑料手提袋) 和聚丙烯 (瓶盖和薯片包装袋)。
即使经过认真的分类，再生塑料的质量几乎总是低于原生塑料。可以使用超过 10,000 种不同的添加剂来赋予塑料不同的颜色和技术特性。相同类型的塑料通常包含不同的添加剂组合，导致再生材料具有不可预测且通常不理想的添加剂组合。此外，构成这些材料的长聚合物链每次熔化时都会稍微缩短。
所有这些因素意味着塑料回收通常等同于降级回收——创造技术或美学质量要求较低的产品。例如，食品级塑料饮料瓶变成羊毛服装，或公园长椅的组件。
瑞士联邦理工学院 (ETH) 苏黎世分校生态系统设计研究生 Magdalena Klotz 说，由于制造商无法用再生塑料制造许多产品，因此再生塑料的市场有限。Klotz 和她的合作者已经表明，即使瑞士 80% 的塑料被收集用于回收，最多也只有约 20% 的塑料最终会变成再生塑料产品5。“如果我们只收集更多塑料是不够的，”她说。如果没有对塑料系统进行其他更改，“我们得到的二次材料将无法利用”。
为了简化机械回收并提高二次塑料的质量，一些研究人员正在努力开发称为相容剂的化学物质，这有助于不同类型的塑料在熔化时均匀混合在一起。“这是一个古老的领域，但将其应用于回收的想法最近获得了越来越多的关注，”德克萨斯州休斯顿大学的化学工程师 Megan Robertson 说。几种可以帮助特定类型塑料混合的相容剂现在已在市场上销售，Robertson 正在努力开发一种更灵活的相容剂，可以应用于多种聚合物混合物。
其他努力旨在改进分类，以确保进入回收过程的塑料流更纯净、更均匀。HolyGrail 2.0 项目是由欧洲品牌协会促进并主要由终结塑料废弃物联盟资助的 160 多家参与塑料包装的公司和组织之间的合作项目，正在欧洲试行使用数字水印。这些代码嵌入在塑料包装中，可以被回收设施中的专用摄像头读取，并包含有关塑料废弃物属性的信息，例如其包含的添加剂。另一种方法称为对齐设计，它呼吁塑料制造商协调生产使用较少类型塑料的产品，并使用同一组添加剂。这样，回收设施将收到更大数量的类似塑料，从而产生更高质量的再生塑料。“一个简单的胜利就是稍微简化一下事情，”Cook 说。
一些公司开始接受这些想法。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以透明塑料瓶包装其柠檬味碳酸饮料雪碧，而不是使用了 60 年的标志性绿色瓶。该公司表示，其目标是帮助将其瓶子回收成瓶子，而不是回收成其他难以回收的产品。反过来，这将帮助可口可乐实现其增加包装中再生材料含量的承诺。此举突显了研究人员所说的提高回收率的关键：提高对二次塑料的市场需求。“如果制造塑料的人们需要这种废物作为原料，我们真的可以解决塑料的废物问题，”ETH 苏黎世的化学工程师 André Bardow 说。“这让我感到充满希望。”
全球即兴创作
塑料生产成本低廉，对于居住在难以获得冷藏和卫生设施的非正式和偏远地区的人们来说，是一种易于获得且实用的材料。此外，它的重量轻，使其在运输方面比其他食品和饮料包装材料更节能。因此，这些产品遍布世界各地，即使在最偏远的地方也能找到，利兹大学的可持续发展科学家 Costas Velis 说。
问题在于：由于废塑料的价值如此之低，因此没有经济动力从这些孤立的地区收集它。事实上，塑料废物在许多中低收入国家普遍存在，这些国家的正规回收计划很少。实际上，估计全球有 20 亿人无法获得定期的废物管理服务6。估计每年进入海洋的 1300 万吨塑料大部分来自废物管理不足的地区。
智能包装倡议 HolyGrail 2.0 测试的原型分类装置可以改善塑料废物的分离（顶部）。一名工人在印度尼西亚泗水对塑料瓶进行分类（中间）。鸟类很容易被丢弃的塑料网缠住（中间）。鸟类很容易被丢弃的塑料网缠住（底部）。图片来源：数字水印倡议 HolyGrail 2.0（顶部）；Juni Kriswanto/Getty（中间）；tsvibrav/Getty（底部）
尽管如此，在中低收入国家，令人惊讶地发生了大量的塑料回收。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，并从环境中收集塑料。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惊人的：“拾荒者在全球塑料回收方面的贡献超过了正规行业，”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，废物收集者已开始挨家挨户购买一些最受欢迎的塑料（如 HDPE）进行回收。反过来，Oduro-Appiah 说，“一些家庭现在看到了一些价值，并且不想直接将 [塑料] 添加到废物中”。其他废物收集者去参加婚礼等活动，并收集那里使用的一次性塑料，他们意识到，与从垃圾填埋场捡拾的物品相比，更清洁的塑料可以卖出更高的价格，他说。
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，通常来自边缘化社区，他们的废物收集活动有时会被定为犯罪。他们的工作可能很危险，尤其是在垃圾填埋场，而且“他们甚至无法获得物有所值的东西，因为他们没有讨价还价的能力”，Oduro-Appiah 说。但这正在开始改变。对拾荒者贡献的认可以及对他们工作条件的关注正在促使人们努力将他们纳入废物管理规划，例如加纳于 2021 年启动的塑料废物国家行动路线图。
拾荒者收集的一些塑料最终进入巴西和印度尼西亚等较大国家的回收厂，这些国家有当地的塑料工业。一些塑料被运往国外进行回收。一些塑料在当地由小型企业回收，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运营，没有任何环境和公共卫生保护，”Velis 说。尽管如此，“整个南半球都有大量的即兴创作”，他补充道。
高级分解
尽管世界各地仍在努力推动已建立的回收方法，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，有时称为化学回收。这些方法尚未在商业规模上广泛应用，但它们最终可能允许回收机械回收无法回收的塑料类型和产品。
一种这样的方法是热解，这是一种在缺氧条件下将塑料加热到高温的程序。这会导致聚合物链分解成更小的组分。热解可用于混合塑料废物——有可能回收由多层不同塑料组成的各种产品。
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过程，会导致塑料中包含的碳排放到大气中。但从理论上讲，热解产生的小分子可以重新组装回塑料。
另一种先进的回收方法是将塑料分子分解成其单个亚基。然后可以将这些亚基重新组装成聚合物，从而避免了机械回收中发生的链缩短和质量下降。这可能有助于热固性塑料的回收——这是一类无法熔化的聚合物，因此无法进行机械回收。这些聚合物用于生产诸如胶木、三聚氰胺和风力涡轮机叶片中使用的环氧树脂等材料。
化学回收还开启了升级回收的可能性：从单体中制造比塑料更有价值且难以通过其他方式生产的化学产品。“通常这些不是大规模化学品，”Bardow 说，但有些化学品在某些行业中仍然发挥着关键作用，例如 3-羟基-γ-丁内酯，它用于生产降胆固醇他汀类药物。Bardow 说，这些化合物的高价值可以为开发化学回收技术提供经济推动力。
化学回收的一个巨大障碍是塑料聚合物非常稳定——这正是塑料在如此广泛的应用中如此有用的原因——因此将其分解需要大量能量。研究人员正在寻找可以减少所需能量的酶和催化剂。“这确实是目前化学回收的关键所在，”Robertson 说。
自然灵感
斯坦福大学微生物生物技术专家 Craig Criddle 说，为了寻找可以帮助化学回收的酶和催化剂，“我们可以去自然界中已经存在它们的地方”。（Criddle 是 Morse 的博士共同导师；Mango Materials 使用的一些方法来自他的实验室的工作。）各种类型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利用来分解人造聚合物，他说。Criddle 的研究重点是黄粉虫 (Tenebrio molitor)，他称之为“微型生物反应器”。在它们肠道微生物群落的帮助下，这些无脊椎动物可以消化多种塑料。其他研究人员已经确定了可以分解多种类型塑料为相同最终产品的细菌，这进一步证明，特定的微生物——或来自它们的分子——可能有助于回收混合塑料废物流。
研究人员正在研究自然界，以使塑料行业的其他方面也更具可持续性和循环性。人们对使用来自糖和玉米等可再生原料而非化石燃料生产的塑料产生了浓厚的兴趣。然而，这些生物塑料今天仍然只占塑料产量的一小部分，如果规模显着扩大，可能会给农业用地和供水带来压力。这些担忧促使 Mango Materials 使用甲烷生产 P3HB，甲烷是一种强效温室气体，是废水处理厂、垃圾填埋场和农业设施的产物。Morse 解释说，甲烷比其他可再生原料更便宜——而且塑料是一种比其他可以用甲烷制成的产品更有价值的材料。
但是生物塑料也有缺点。“它们通常是与化石燃料制成的塑料不同的聚合物，”Syberg 说。“因此，它们与我们目前拥有的回收系统不太匹配。”以 P3HB 为例：回收它的技术是存在的，但设施不存在，因为目前生产的量很少。（P3HB 在家用堆肥堆中也是可生物降解的，提供了另一种处置解决方案。）
超越回收
到 2050 年，全球塑料需求预计将增加近两倍，达到每年 11 亿吨。在今年早些时候发布的一项分析7中，Bardow 和他的团队发现，扩大回收规模，更多地依赖可再生原料，并实施其他使塑料行业更具循环性的策略，可以将当前的塑料生产水平保持在“地球边界”之内。但如果塑料生产继续以预测的速度增长，那么选择将大大减少——到 2050 年，Bardow 说，即使“化学家和化学工程师可以使出浑身解数”，也不会有可持续的解决方案。
研究结果突显了减少塑料总体使用量的必要性，尤其是一次性用品。“如果我们只是从制造石油基一次性塑料产品转向可再生基一次性塑料产品，那么我们并没有取得多大进展，”Syberg 说。
到目前为止，可以支持这种转型的研究很少。Syberg 和他的团队分析了与欧洲相关的塑料研究，发现大多数研究都侧重于回收和塑料的废物阶段，而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侧重于回收，但不到 10% 的研究侧重于维修和再利用等主题9。
改善塑料循环性的努力仍在继续。Mango Materials 正在寻找一个可以每年生产高达 2,300 吨 P3HB 的设施的地点——能力提高了数量级，尽管仍然只占全球塑料总产量的一小部分。“尝试成为解决方案的一部分很有趣，”Morse 说。“但这也非常令人气馁。”
本文是《自然展望：循环经济》的一部分，这是一份编辑上独立的增刊，由 Google 提供财政支持。关于此内容。
Zibunas, C., Meys, R., Kätelhön, A. & Bardow, A. Comput. Chem. Eng. 162, 107798 (2022).
Geyer, R., Jambeck, J. R. & Law, K. L. Sci. Adv. 3, e1700782 (2017).
Lange, J.-P. ACS Sustainable Chem. Eng. 9, 15722–15738 (2021).
Tiso, T. et al. Metab. Eng.71, 77–98 (2022).
Klotz, M., Haupt, M. & Hellweg, S. Waste Manag.141, 251–270 (2022).
Wilson, D. C. & Velis, C. A. Waste Manag. Res. 33, 1049–1051 (2015).
Bardow, A. et al. Preprint at Research Square https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1788256/v1 (2022).
Johansen, M. R., Christensen, T. B., Ramos, T. M. & Syberg, K. J. Environ. Manag. 302, 113975 (2022).
King, S. & Locock, K. E. S. J. Clean. Prod. 364, 132503 (2022)