在巴西聖保羅的一家美容產品商店裡，有一個肥皂碟正在出售。這是一個米白色的圓盤，形狀光滑圓潤，像一塊河石，它只是世界各地商店中數百萬個塑膠肥皂碟中的一個。但是，儘管大多數塑膠都是用石油製成的，但這隻碟子中的一些塑膠最初是加利福尼亞州一家水處理廠產生的甲烷。
在該設施中一個10米高的生物反應器內部，被稱為甲烷菌的古老細菌將甲烷轉化為一種名為聚(3-羥基丁酸酯)或P3HB的分子。細菌將P3HB用作一種內部電池來儲存能量。但是，加利福尼亞州紅木城的生物技術公司 Mango Materials 將 P3HB 用作原材料，從細菌中收穫顆粒，並將其製造成扁豆大小的顆粒，稱為塑膠粒子。這些塑膠粒子是塑膠行業的通用貨幣，然後變成了肥皂碟。
Mango Materials 是科學家、非政府組織以及大大小小的公司為使塑膠更具可持續性而不斷努力的一部分。“我們還有很長的路要走，”生物聚合物工程師兼 Mango Materials 執行長 Molly Morse 說。該公司每年生產的 P3HB 不到 45 噸，僅佔估計每年生產的 4 億噸塑膠中的一小部分。塑膠存在於食品包裝、建築材料、電子產品、服裝和現代生活的許多其他方面。
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塑膠工業依賴於不可再生資源。全球塑膠產量中超過 90% 是原生塑膠——即新制造的塑膠，而不是回收塑膠——由石油產品製成。這種依賴需要大量的能源併產生溫室氣體排放。到 2050 年，塑膠生產產生的排放量可能達到將全球變暖控制在 1.5 °C 以下所需的碳預算的 15%（參考文獻1）。
塑膠也造成了大量的廢物管理問題。“所產生的廢物量與任何其他供應鏈都不同，”澳大利亞墨爾本聯邦科學與工業研究組織 (CSIRO) 的聚合物化學家 Katherine Locock 說。
大約 70% 的已生產塑膠已被丟棄2。一次性塑膠，尤其是包裝，約佔歐洲塑膠產量的 40%3。然而，最廣泛使用的塑膠在被丟棄後，會在垃圾填埋場或環境中持續存在數十年甚至數百年。
從理論上講，許多常用的塑膠都可以回收。但已生產的塑膠中，只有約十分之一被回收過一次，只有約 1% 被回收過兩次4。“製造新的塑膠產品比收集、回收或再利用它更便宜，”丹麥羅斯基勒大學研究塑膠汙染的 Kristian Syberg 說。“這是一個系統性問題。”
要改變這種狀況，需要在多個方面採取行動：擴大現有回收技術的規模，在全球範圍內推廣這些技術，開發處理難以回收塑膠的技術，利用來自自然的見解來幫助塑膠的生產和處置，以及控制一次性塑膠的生產。但結果可能會更廣泛地惠及迴圈經濟。“我們可以從塑膠領域正在發生的非常活躍的事情中學到很多東西，並將其應用於其他行業，”澳大利亞墨爾本斯威本科技大學的迴圈經濟研究員 Sarah King 說。
更好的分類
研究表明，為了使塑膠更具可持續性，需要在全球範圍內大規模擴大回收規模。當今發生的大部分塑膠回收是一種稱為機械回收的型別。塑膠廢物被收集、清潔、分類、粉碎，然後熔化並形成顆粒，出售給再生塑膠產品的生產商。
這個過程聽起來很簡單，但在實踐中遠非如此。“對於塑膠，問題在於塑膠的種類太多了，”英國利茲大學迴圈經濟中研究廢塑膠的 Ed Cook 說。不同型別的塑膠在熔化時不能很好地混合在一起，少量錯誤型別的塑膠會降低整批塑膠的質量，因此必須首先對塑膠進行仔細分類。
在高收入國家，這種分類通常在大型回收設施中藉助高科技機器進行。這些設施通常針對最常用的塑膠型別，尤其是聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET，用於製造碳酸飲料和水瓶)、高密度聚乙烯 (HDPE，用於牛奶和洗髮水瓶)，有時還包括低密度聚乙烯 (LDPE，用於塑膠手提袋) 和聚丙烯 (瓶蓋和薯片包裝袋)。
即使經過認真的分類，再生塑膠的質量幾乎總是低於原生塑膠。可以使用超過 10,000 種不同的新增劑來賦予塑膠不同的顏色和技術特性。相同型別的塑膠通常包含不同的新增劑組合，導致再生材料具有不可預測且通常不理想的新增劑組合。此外，構成這些材料的長聚合物鏈每次熔化時都會稍微縮短。
所有這些因素意味著塑膠回收通常等同於降級回收——創造技術或美學質量要求較低的產品。例如，食品級塑膠飲料瓶變成羊毛服裝，或公園長椅的元件。
瑞士聯邦理工學院 (ETH) 蘇黎世分校生態系統設計研究生 Magdalena Klotz 說，由於製造商無法用再生塑膠製造許多產品，因此再生塑膠的市場有限。Klotz 和她的合作者已經表明，即使瑞士 80% 的塑膠被收集用於回收，最多也只有約 20% 的塑膠最終會變成再生塑膠產品5。“如果我們只收集更多塑膠是不夠的，”她說。如果沒有對塑膠系統進行其他更改，“我們得到的二次材料將無法利用”。
為了簡化機械回收並提高二次塑膠的質量，一些研究人員正在努力開發稱為相容劑的化學物質，這有助於不同型別的塑膠在熔化時均勻混合在一起。“這是一個古老的領域，但將其應用於回收的想法最近獲得了越來越多的關注，”德克薩斯州休斯頓大學的化學工程師 Megan Robertson 說。幾種可以幫助特定型別塑膠混合的相容劑現在已在市場上銷售，Robertson 正在努力開發一種更靈活的相容劑，可以應用於多種聚合物混合物。
其他努力旨在改進分類，以確保進入回收過程的塑膠流更純淨、更均勻。HolyGrail 2.0 專案是由歐洲品牌協會促進並主要由終結塑膠廢棄物聯盟資助的 160 多家參與塑膠包裝的公司和組織之間的合作專案，正在歐洲試行使用數字水印。這些程式碼嵌入在塑膠包裝中，可以被回收設施中的專用攝像頭讀取，幷包含有關塑膠廢棄物屬性的資訊，例如其包含的新增劑。另一種方法稱為對齊設計，它呼籲塑膠製造商協調生產使用較少型別塑膠的產品，並使用同一組新增劑。這樣，回收設施將收到更大數量的類似塑膠，從而產生更高質量的再生塑膠。“一個簡單的勝利就是稍微簡化一下事情，”Cook 說。
一些公司開始接受這些想法。8 月，總部位於佐治亞州亞特蘭大的可口可樂公司開始在北美以透明塑膠瓶包裝其檸檬味碳酸飲料雪碧，而不是使用了 60 年的標誌性綠色瓶。該公司表示，其目標是幫助將其瓶子回收成瓶子，而不是回收成其他難以回收的產品。反過來，這將幫助可口可樂實現其增加包裝中再生材料含量的承諾。此舉突顯了研究人員所說的提高回收率的關鍵：提高對二次塑膠的市場需求。“如果製造塑膠的人們需要這種廢物作為原料，我們真的可以解決塑膠的廢物問題，”ETH 蘇黎世的化學工程師 André Bardow 說。“這讓我感到充滿希望。”
全球即興創作
塑膠生產成本低廉，對於居住在難以獲得冷藏和衛生設施的非正式和偏遠地區的人們來說，是一種易於獲得且實用的材料。此外，它的重量輕，使其在運輸方面比其他食品和飲料包裝材料更節能。因此，這些產品遍佈世界各地，即使在最偏遠的地方也能找到，利茲大學的可持續發展科學家 Costas Velis 說。
問題在於：由於廢塑膠的價值如此之低，因此沒有經濟動力從這些孤立的地區收集它。事實上，塑膠廢物在許多中低收入國家普遍存在，這些國家的正規回收計劃很少。實際上，估計全球有 20 億人無法獲得定期的廢物管理服務6。估計每年進入海洋的 1300 萬噸塑膠大部分來自廢物管理不足的地區。
智慧包裝倡議 HolyGrail 2.0 測試的原型分類裝置可以改善塑膠廢物的分離（頂部）。一名工人在印度尼西亞泗水對塑膠瓶進行分類（中間）。鳥類很容易被丟棄的塑膠網纏住（中間）。鳥類很容易被丟棄的塑膠網纏住（底部）。圖片來源：數字水印倡議 HolyGrail 2.0（頂部）；Juni Kriswanto/Getty（中間）；tsvibrav/Getty（底部）
儘管如此，在中低收入國家，令人驚訝地發生了大量的塑膠回收。在這些地方，回收往往是非正規經濟的一部分。拾荒者在垃圾填埋場和垃圾箱中篩選，並從環境中收集塑膠。包括 Velis 和 Cook 在內的一個團隊的研究表明，這些人的努力加起來是驚人的：“拾荒者在全球塑膠回收方面的貢獻超過了正規行業，”Velis 說。
這些非正規工人通常具有創業精神和適應能力。迦納海岸角大學的廢物管理科學家 Kwaku Oduro-Appiah 說，在迦納，廢物收集者已開始挨家挨戶購買一些最受歡迎的塑膠（如 HDPE）進行回收。反過來，Oduro-Appiah 說，“一些家庭現在看到了一些價值，並且不想直接將 [塑膠] 新增到廢物中”。其他廢物收集者去參加婚禮等活動，並收集那裡使用的一次性塑膠，他們意識到，與從垃圾填埋場撿拾的物品相比，更清潔的塑膠可以賣出更高的價格，他說。
然而，迦納和其他中低收入國家的拾荒者和收集者往往生活貧困，通常來自邊緣化社群，他們的廢物收集活動有時會被定為犯罪。他們的工作可能很危險，尤其是在垃圾填埋場，而且“他們甚至無法獲得物有所值的東西，因為他們沒有討價還價的能力”，Oduro-Appiah 說。但這正在開始改變。對拾荒者貢獻的認可以及對他們工作條件的關注正在促使人們努力將他們納入廢物管理規劃，例如迦納於 2021 年啟動的塑膠廢物國家行動路線圖。
拾荒者收集的一些塑膠最終進入巴西和印度尼西亞等較大國家的回收廠，這些國家有當地的塑膠工業。一些塑膠被運往國外進行回收。一些塑膠在當地由小型企業回收，工人們轉向 YouTube 影片學習和分享技能。“這些都是非常小規模的運營，沒有任何環境和公共衛生保護，”Velis 說。儘管如此，“整個南半球都有大量的即興創作”，他補充道。
高階分解
儘管世界各地仍在努力推動已建立的回收方法，但在過去十年中，越來越多的研究注意力轉向了先進的回收技術，有時稱為化學回收。這些方法尚未在商業規模上廣泛應用，但它們最終可能允許回收機械回收無法回收的塑膠型別和產品。
一種這樣的方法是熱解，這是一種在缺氧條件下將塑膠加熱到高溫的程式。這會導致聚合物鏈分解成更小的組分。熱解可用於混合塑膠廢物——有可能回收由多層不同塑膠組成的各種產品。
到目前為止，大多數關於熱解的研究都集中在將塑膠轉化為燃料上——這是一個能源密集型過程，會導致塑膠中包含的碳排放到大氣中。但從理論上講，熱解產生的小分子可以重新組裝回塑膠。
另一種先進的回收方法是將塑膠分子分解成其單個亞基。然後可以將這些亞基重新組裝成聚合物，從而避免了機械回收中發生的鏈縮短和質量下降。這可能有助於熱固性塑膠的回收——這是一類無法熔化的聚合物，因此無法進行機械回收。這些聚合物用於生產諸如膠木、三聚氰胺和風力渦輪機葉片中使用的環氧樹脂等材料。
化學回收還開啟了升級回收的可能性：從單體中製造比塑膠更有價值且難以透過其他方式生產的化學產品。“通常這些不是大規模化學品，”Bardow 說，但有些化學品在某些行業中仍然發揮著關鍵作用，例如 3-羥基-γ-丁內酯，它用於生產降膽固醇他汀類藥物。Bardow 說，這些化合物的高價值可以為開發化學回收技術提供經濟推動力。
化學回收的一個巨大障礙是塑膠聚合物非常穩定——這正是塑膠在如此廣泛的應用中如此有用的原因——因此將其分解需要大量能量。研究人員正在尋找可以減少所需能量的酶和催化劑。“這確實是目前化學回收的關鍵所在，”Robertson 說。
自然靈感
斯坦福大學微生物生物技術專家 Craig Criddle 說，為了尋找可以幫助化學回收的酶和催化劑，“我們可以去自然界中已經存在它們的地方”。（Criddle 是 Morse 的博士共同導師；Mango Materials 使用的一些方法來自他的實驗室的工作。）各種型別的聚合物在生物世界中很常見，有時生物體分解天然聚合物的解決方案可以被利用來分解人造聚合物，他說。Criddle 的研究重點是黃粉蟲 (Tenebrio molitor)，他稱之為“微型生物反應器”。在它們腸道微生物群落的幫助下，這些無脊椎動物可以消化多種塑膠。其他研究人員已經確定了可以分解多種型別塑膠為相同最終產品的細菌，這進一步證明，特定的微生物——或來自它們的分子——可能有助於回收混合塑膠廢物流。
研究人員正在研究自然界，以使塑膠行業的其他方面也更具可持續性和迴圈性。人們對使用來自糖和玉米等可再生原料而非化石燃料生產的塑膠產生了濃厚的興趣。然而，這些生物塑膠今天仍然只佔塑膠產量的一小部分，如果規模顯著擴大，可能會給農業用地和供水帶來壓力。這些擔憂促使 Mango Materials 使用甲烷生產 P3HB，甲烷是一種強效溫室氣體，是廢水處理廠、垃圾填埋場和農業設施的產物。Morse 解釋說，甲烷比其他可再生原料更便宜——而且塑膠是一種比其他可以用甲烷製成的產品更有價值的材料。
但是生物塑膠也有缺點。“它們通常是與化石燃料製成的塑膠不同的聚合物，”Syberg 說。“因此，它們與我們目前擁有的回收系統不太匹配。”以 P3HB 為例：回收它的技術是存在的，但設施不存在，因為目前生產的量很少。（P3HB 在家用堆肥堆中也是可生物降解的，提供了另一種處置解決方案。）
超越回收
到 2050 年，全球塑膠需求預計將增加近兩倍，達到每年 11 億噸。在今年早些時候釋出的一項分析7中，Bardow 和他的團隊發現，擴大回收規模，更多地依賴可再生原料，並實施其他使塑膠行業更具迴圈性的策略，可以將當前的塑膠生產水平保持在“地球邊界”之內。但如果塑膠生產繼續以預測的速度增長，那麼選擇將大大減少——到 2050 年，Bardow 說，即使“化學家和化學工程師可以使出渾身解數”，也不會有可持續的解決方案。
研究結果突顯了減少塑膠總體使用量的必要性，尤其是一次性用品。“如果我們只是從製造石油基一次性塑膠產品轉向可再生基一次性塑膠產品，那麼我們並沒有取得多大進展，”Syberg 說。
到目前為止，可以支援這種轉型的研究很少。Syberg 和他的團隊分析了與歐洲相關的塑膠研究，發現大多數研究都側重於回收和塑膠的廢物階段，而很少關注產品生命週期的其他部分8。同樣，King 和 Locock 對全球迴圈塑膠經濟研究進行了全面回顧，發現超過四分之一的研究側重於回收，但不到 10% 的研究側重於維修和再利用等主題9。
改善塑膠迴圈性的努力仍在繼續。Mango Materials 正在尋找一個可以每年生產高達 2,300 噸 P3HB 的設施的地點——能力提高了數量級，儘管仍然只佔全球塑膠總產量的一小部分。“嘗試成為解決方案的一部分很有趣，”Morse 說。“但這也非常令人氣餒。”
本文是《自然展望：迴圈經濟》的一部分，這是一份編輯上獨立的增刊，由 Google 提供財政支援。關於此內容。
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)