每年數(shù)百萬噸廢棄塑料排放到海洋。即使最深的海溝底部，也發(fā)現(xiàn)有塑料的痕跡。照此趨勢(shì)，2050 年，海洋中塑料的重量將和魚一樣多。

大多數(shù)所謂的“可生物降解”塑料，如聚乳酸(PLA)，僅在工業(yè)堆肥設(shè)施中設(shè)計(jì)和測(cè)試，這些設(shè)施缺氧且溫度相對(duì)較高。而在實(shí)際中，它們往往得不到充分回收。海洋條件通常是寒冷、黑暗的，導(dǎo)致典型的可生物降解塑料在海洋中也分解得十分緩慢。

與此同時(shí)，海洋學(xué)家越來越依賴塑料材質(zhì)的儀器。這些消耗性儀器廣泛應(yīng)用在預(yù)測(cè)天氣、指導(dǎo)海上運(yùn)輸、模擬不斷變化的氣候等方面，但在其使用壽命結(jié)束后通常不會(huì)被回收，而成為環(huán)境的威脅。海洋可降解塑料對(duì)于海洋學(xué)家來說至關(guān)重要;從更大的角度來看，以海洋為基礎(chǔ)的藍(lán)色經(jīng)濟(jì)更需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來滿足材料需求。

為了解決這個(gè)問題，羅切斯特大學(xué)生物系副教授 博士與加州大學(xué)圣巴巴拉分校的海洋微生物學(xué)家 博士、羅德島大學(xué)海洋學(xué)家 、來自海峽群島國(guó)家海洋保護(hù)區(qū)的生態(tài)學(xué)家 以及行業(yè)合作伙伴 展開合作，以期制造出具有一定降解率和保質(zhì)期、適用于各種海洋儀器應(yīng)用及其他用途的生物材料。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation，NSF)正在通過 3000 萬美元的投資來應(yīng)對(duì)與氣候、可持續(xù)性、食品、能源、污染和經(jīng)濟(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)。在 NSF 融合加速器計(jì)劃支持下，他們成立了研究小組“Nereid Biomaterials”。

該小組分屬于融合加速器的 E 賽道。E 賽道的重點(diǎn)是互聯(lián)互通藍(lán)色經(jīng)濟(jì)，加速跨海洋部門的融合研究，包括為海洋創(chuàng)新、勘探和可持續(xù)利用創(chuàng)建一個(gè)智能、綜合、互聯(lián)和開放的生態(tài)系統(tǒng)。該賽道共有 6 個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入計(jì)劃的第二階段——網(wǎng)絡(luò)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)，其中包括 Nereid Biomaterials 小組。

Nereid 獲得了 100 萬美元研究經(jīng)費(fèi)用以開發(fā)可在海洋環(huán)境中降解的生物塑料。通過融合海洋微生物學(xué)、合成生物學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)器人技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)帶有嵌入式添加劑的“海洋可降解”聚合物，以加速和控制降解。“我們由 NSF 資助的新項(xiàng)目將首次創(chuàng)造出可以在海洋環(huán)境中降解的生物塑料。” 說。

到目前為止，該團(tuán)隊(duì)已與五家海洋設(shè)備制造商合作，這些制造商已承諾用該團(tuán)隊(duì)的海洋可降解材料替換所有或大部分傳統(tǒng)石油化工塑料部件。“這將為海洋觀測(cè)、珊瑚礁恢復(fù)和海上防御領(lǐng)域引入新的可持續(xù)性。” 說。這也為該團(tuán)隊(duì)提供了一條明確的商業(yè)化道路。

為了制造出可海洋降解的塑料，該團(tuán)隊(duì)利用了自然界中已經(jīng)存在的“工藝”。他們的材料基于一種稱為聚羥基丁酸酯(PHB)的生物聚合物，由 提供。PHB 是由細(xì)菌自然產(chǎn)生的化合物，許多海洋細(xì)菌可將 PHB 完全降解為二氧化碳和水，而不會(huì)產(chǎn)生微塑料或其他有害副產(chǎn)物。

Nereid 的技術(shù)將這種創(chuàng)新型“活材料”與天然存在的 PHB 降解細(xì)菌相結(jié)合。需要注意的是，生物塑料本身不會(huì)在海水中“分解”，而是被微生物的代謝活動(dòng)分解;而材料中的細(xì)菌充當(dāng)分解材料的“能量”。為此， 的實(shí)驗(yàn)室正在用廢水處理廠排放的甲烷培養(yǎng)可以分解 PHB 的新細(xì)菌。該工作重點(diǎn)之一是分離在海洋寒冷條件下茁壯成長(zhǎng)的細(xì)菌。

“可生物降解材料的需求巨大，對(duì)材料的壽命也有不同的要求。” 補(bǔ)充道，該團(tuán)隊(duì)與處理海洋垃圾的監(jiān)管機(jī)構(gòu)和非營(yíng)利組織進(jìn)行了交談，發(fā)現(xiàn)一些團(tuán)體想要一種可以在一天內(nèi)分解掉的材料，也有人想要能夠維持一年的設(shè)備，還有一些團(tuán)體希望能夠引發(fā)降解。

這便是 實(shí)驗(yàn)室的用武之地。Meyer 和她的實(shí)驗(yàn)室成員已經(jīng)開發(fā)出了首款細(xì)菌 3D 打印機(jī)。這種革命性的 3D 生物打印方法使他們能夠創(chuàng)建含有 PHB 降解細(xì)菌的工程活細(xì)菌。該方法戰(zhàn)略性地將這些細(xì)菌“安置”在塑料上，為用戶提供了生物聚合物不同降解時(shí)間和降解速度的選擇。

制定這一戰(zhàn)略是該項(xiàng)目第一階段的一部分。在此期間，團(tuán)隊(duì)還收集了意見并構(gòu)建了一個(gè)原型，該原型是利用羅德島大學(xué)阿曼的海洋傳感器設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)創(chuàng)建的。

第二階段的研究將涉及在現(xiàn)實(shí)世界中部署生物塑料。通過與十幾個(gè)致力于使用這項(xiàng)新技術(shù)的行業(yè)合作伙伴合作，該團(tuán)隊(duì)將看到他們的生物塑料在不同海洋條件下的表現(xiàn)以及材料如何被分解。該團(tuán)隊(duì)還會(huì)研發(fā)在海洋環(huán)境中保留數(shù)周、數(shù)月和數(shù)年三種不同時(shí)間尺度降解的生物材料，以進(jìn)一步滿足各種用戶的不同需求;另外還將開發(fā)能夠在生命結(jié)束時(shí)按需觸發(fā)生物塑料降解的技術(shù)。他們的目標(biāo)是將新材料用于可消耗的海洋儀器上，這樣它們便不需回收。

該團(tuán)隊(duì)還將參加 NSF 融合加速器的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)課程，其中包括產(chǎn)品開發(fā)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、財(cái)政資源、可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃以及溝通和推廣方面的培訓(xùn)。

如果第二階段一切順利，海洋生物塑料可能會(huì)有無數(shù)的應(yīng)用，并徹底改變遠(yuǎn)洋塑料。

“在將我們的海洋可降解生物塑料引入海洋儀器后，我們計(jì)劃擴(kuò)展到其他應(yīng)用，” 說，“我們?cè)诤Ｑ笾蟹纸獾膱?jiān)韌塑料可能非常適合水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)工作、海上防御或政府機(jī)構(gòu)，如 NOAA(國(guó)家海洋和大氣管理局)國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心。

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