《Environmental Science & Technology Letters》：Plastic Waste Treatment: Value Recovery First, with Biological Approaches Holding Promise
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在碳中和目标下，化学升级和生物降解作为塑料废物管理的互补方法被探讨。化学升级通过保留碳骨架和功能基团实现高效价值转化，但面临原料分离和经济效益挑战；生物降解适用于低浓度或受污染塑料，需结合工程优化。系统设计需平衡两者，解决原料特性与工艺要求的不匹配问题。
在碳中和目标和可持续发展目标的背景下，迫切需要更多环保的方法来管理塑料废物。除了填埋、焚烧和机械回收之外，化学升级回收和生物降解也发挥着重要作用。前者能够保留材料的价值；后者则在无法实现价值转化的情况下减轻环境负担。然而，这两种方法都尚未完全成熟；明确化学升级回收的科学原理并界定何时适合采用生物降解方法，可以为未来的研究提供指导。
2024年，全球塑料产量达到4.309亿吨，其中约90%来自不可再生的化石资源，这与传统的线性使用和处置模式形成了鲜明对比。主流的机械回收方式只是推迟了废弃物的处理时间，并未真正保留其价值。化学处理提供了补充方案，但去聚合化和再聚合化技术在商业上受到廉价原始原料和有限政策激励的制约。相比之下，将塑料转化为非单体或聚合物形式的增值材料是一种更为实用的方法，既能保留能量和碳，又能满足工业和制药领域的需求，同时减少对化石资源的依赖。
(1)
由于塑料树脂和分类良好的单一成分塑料具有较高的能量密度和纯度，因此更适合通过回收方式来保留其价值。这种高价值回收途径的理由可以从两个角度进行解释。
| (1) | 材料本身的特性。工业塑料是经过提纯的合成大分子，具有均匀性和结构特征。与成分复杂的生物质废物（如污泥、秸秆）相比，塑料具有规律的单体序列和明确的官能团，为资源回收提供了有利的基础。这种高均匀性和高碳氢比使它们成为比许多自然资源更清洁、更易于处理的原料。此外，聚合物主链中预先存在的官能团正是生产表面活性剂等精细化学品所需的精确结构单元，从而避免了从头开始使用原油合成这些结构所需的多个步骤和高昂成本。 |
| (2) | 从热力学的角度来看，高度聚合且有序的塑料结构处于低熵状态，储存了大量的化学能量。脂肪族碳-碳键的解离能较高（约370 kJ/mol），因此相对稳定。(2) 完全矿化或氧化塑料需要破坏这些键，会导致较大的吉布斯自由能损失和碳骨架的混乱。而升级回收过程则保留了碳骨架的低熵结构，所需的活化能较低，从而在热力学上更高效，减少了熵的产生。
塑料在资源回收方面具有明显优势，但这些科学上的有利特性往往无法转化为实际可行的解决方案。首先，原始塑料的化学均匀性与消费后废物的物理复杂性之间存在根本矛盾。虽然塑料是纯净的、均匀的聚合物，但在进入回收系统时通常是混合且受污染的状态。现有的分选方法只能分离出少量纯度较高的单一成分塑料，大部分废物仍然以混合状态存在。结合先进表征技术（如高光谱成像）和人工智能分类的新策略有望实现更精确的分选。
(3) 同时，针对添加剂和污染物的净化过程（如膜分离）可以提高用于升级回收的原料质量。其次，热力学最优性与工艺经济性之间存在权衡。理想的升级回收过程应尽量减少自由能损失，但现有的化学方法通常需要高能耗或昂贵的催化剂，并且会产生多种产品混合物，还会导致碳链的随机断裂和产品分布广泛。要克服这些问题，需要设计出既能提高原子利用率又能提升能源效率的催化剂。目前的研究重点在于精确定位功能位点（如单一亲电中心、定制的氧化物酸位点），以便在温和条件下实现选择性键断裂和产品纯化，同时利用机器学习辅助催化剂的开发和筛选。
利用酶和工程微生物进行的生物催化为塑料升级回收提供了另一种更为高效、环保的途径，尤其是在化学方法存在内在局限性的情况下。基因工程和合成微生物学扩展了微生物的底物范围和转化效率；代谢工程使得塑料的生物降解成为技术上可行的选择。新的方法结合了非酶促反应或生物转化与化学催化，例如细胞-非生物和化学-生物混合升级回收，从而更有效地处理复杂的塑料混合物。
(4) 这些策略拓宽了高价值塑料转化的产品范围和实际应用的可能性。然而，仅靠回收无法解决已经进入环境的塑料问题。尽管生物降解技术尚未成熟到可以广泛应用的程度，但它仍是一个具有巨大理论潜力的领域，因此值得作为管理分散污染的有效手段来考虑（
图1）。生物降解的潜在优势在几种情况下尤为明显：首先，在极端或分散严重的环境中，当塑料及其微塑料/纳米塑料的浓度极低且难以有效回收时，开发适应这种环境的微生物是一种可行的缓解策略；其次，对于那些因含有高浓度氯、溴或重金属而无法回收的复杂废物，通过开发具有脱卤或金属转化能力的微生物可以实现生物预处理或最终处理；第三，在分选和清洗过程中可能会有6-13%的塑料被释放到环境中
(5)，通过在受控清洗系统中添加特定酶或微生物菌群等原位生物控制策略可以减轻后续处理负担。
图1
图1. 可持续的塑料废物管理需要在价值保留和环境风险之间取得战略平衡。
目前，商业化的生物降解技术主要应用于基于生物材料的塑料，并且仅在受控条件下有效；对于基于石化产品的塑料，其高效生物降解仍处于实验室阶段。不过，工业解决方案正在取得进展，例如法国克莱蒙费朗的Carbios公司开发的用于聚对苯二甲酸乙二醇酯回收的工程酶。通过持续研究克服动力学和经济障碍，生物降解技术有望在特定场景中成为风险缓解的工具。
现代环境管理需要系统的整体设计，而不仅仅是单一的“最佳”技术。塑料升级回收虽然能够最大化价值保留，但必须解决原料特性、工艺要求和价值链之间的不匹配问题。合理的策略是首先解决制约化学升级回收的工程难题，同时将生物方法视为针对特定应用的开发工具，实现价值保留与损害控制之间的平衡。
