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事实上，人类利用生物质的历史可以追溯到远古时代。我们的祖先就懂得利用木材、竹子等生物质来建造房屋、制作工具。这些早期的应用，虽然原始，却为后来的生物基材料发展奠定了基础。生物基材料，顾名思义，就是以生物质（biomass）（如植物、动物或微生物）为原料制成的材料。与传统的石油基材料不同，生物基材料的原料是可再生的，能够不断地从自然界获取。例如，玉米淀粉、甘蔗渣、木屑等都可以成为生产生物基材料的原料。
秸秆作为一种丰富的农业废弃物，被认为是生物基材料的重要原料，具有巨大的潜力。将秸秆转化为生物基材料，不仅可以实现农业废弃物的资源化利用，还可以带来一系列的生态和经济效益，包括减少塑料污染。秸秆的利用可以减少秸秆焚烧造成的环境污染，同时可以固定二氧化碳，减少温室气体排放。摄影：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）随着全球对环境问题的日益关注，人们越来越重视寻找可持续的解决方案。生物基材料应运而生，它以生物质为原料，为我们提供了一种全新的、更环保的材料选择。跟传统的石油基材料相比，生物基材料具有诸多优势。一是它们的原料来源于可再生的生物质，能够不断地从自然界获取，从而减少对有限的化石资源的依赖。二是生物基材料的生产过程通常会产生更少的温室气体，对环境的污染也更小。此外，许多生物基材料还具有可生物降解的特性，能够在自然环境中分解，减少对环境的长期影响。（上图：研究显示，利用生物炼制技术，可以将有机固体废弃物转化为有价值的生物基产品。生物炼制是一种绿色、可持续的技术，可以将有机废弃物分解成生物肥料、生物乙醇、生物氢、生物电、沼气、生物塑料、有机酸和生物酶等有用的产品。研究表明，相较于传统的废弃物处理方法（如热解和气化），生物炼制技术具有明显的优势，因为它不会产生有害气体，并且能量消耗较低。上图来源：Adetunji, A. I., Oberholster, P. J., & Erasmus, M. (2023). ）生物基材料的应用范围非常广泛。在我们的日常生活中，已经出现了越来越多的生物基产品。例如，以玉米淀粉为原料制成的PLA塑料（聚乳酸）被广泛应用于一次性餐具、包装材料等；而木质纤维素则可以制成各种纺织品，如服装、家居用品等。除了这些常见的应用，生物基材料还在生物医学、汽车、建筑等领域展现出巨大的潜力。生物基材料的发展前景广阔。随着科技的不断进步和人们环保意识的增强，生物基材料的研发和应用将会越来越广泛。（上图：蚕丝可以被视为一种生物基材料。蚕吃桑叶，将桑叶中的蛋白质转化为蚕丝，这一过程完全是生物过程。蚕丝是由蚕吐出的蛋白质纤维，是一种天然的生物聚合物。摄影：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”）
这里笔者因为目前在筹备“拟订一项关于包括海洋环境在内的塑料污染问题的具有法律约束力的国际文书的政府间谈判委员会第五届会议”（简称INC-5）的参会事宜，所以特别注重的一点是，生物基材料在应对塑料污染方面的潜力。传统的石油基塑料，就像海洋里的一座座“塑料岛”，对生态环境造成了严重的破坏。而生物基材料，则像是一支“环保先锋队”，它们从大自然中汲取能量，以可降解、可循环的特性，向塑料污染发起挑战。应对塑料污染，生物基材料可谓是派出了“绿色特种部队”。上图：竹子的三重补偿效应（P. van der Lugt，2018年《蓬勃的竹子》）
不过，这类解决方案其实都是“逼”出来的。20世纪中期，随着石油资源的日益枯竭和环境问题的日益突出，人们开始寻找能够替代石油基材料的环保解决方案。20世纪70年代的石油危机，更是加速了这一进程。科学家们开始深入研究如何将生物质转化为化学品和材料，如利用淀粉生产塑料。可以说，生物基材料在应对全球塑料污染问题上展现出巨大的潜力。传统石油基塑料因其难以降解的特性，对生态环境造成了严重的破坏。而生物基材料，源于可再生资源，具有可降解、可循环利用等特点，为解决塑料污染问题提供了一条更为可持续的途径。比如，以植物淀粉为原料的生物降解塑料可以替代一次性塑料餐具、购物袋等，减少白色污染。此外，生物基纤维可以用于生产环保纺织品，降低纺织工业对环境的影响。换而言之，生物基材料以其可持续、可降解的特性，为我们提供了一种基于自然的解决方案（NbS），让我们有机会恢复被塑料污染的地球。
（上图：2024年4月，在加拿大渥太华的“塑料条约”政府间谈判委员会第四次会议（INC-4）会场外，“关上水龙头”的雕塑给人们带来了视觉上的震撼。摄影：Xiuying ©绿会融媒·绿会全球环境治理团队）
尽管潜力巨大，不过，生物基材料的发展也面临着一些挑战。
笔者越来越多看到，市场上售卖的一些东西来自竹子制作。摄影：Linda ©绿会融媒·海洋与湿地
一是成本问题。目前，生物基材料的生产成本普遍高于传统的石油基材料。这是因为生物基材料的生产过程往往涉及复杂的生物转化过程，需要投入更多的能源和设备。此外，生物质原料的季节性波动和地域差异也会导致原料成本的不稳定。就好像盖房子，用木头盖房子，虽然环保，但木材的成本可能比钢筋混凝土要高一些。二是性能问题。虽然生物基材料在可再生性和环保性方面具有优势，但在耐热性、耐化学性等性能方面，与传统的石油基材料相比还存在一定的差距。例如，一些生物塑料在高温或强酸强碱的环境下容易变形或分解，限制了其应用范围。这就像是一场赛跑，生物基材料虽然起步较晚，但要想在性能上赶上传统材料，还需要不断努力。还有就是市场推广的问题。目前总的来讲，消费者对生物基材料的认知度还不够高，对新产品的接受程度也需要时间。此外，现有的产业链和基础设施也需要进行相应的调整，才能更好地适应生物基材料的发展。这就好比推广一种新农作物，不仅需要培育出高产优质的品种，还需要建立完善的种植、加工和销售体系。第四个比较大的挑战，是规模效应不足。这就好比你开了一家小作坊，你想去跟大型工厂比价格？自然就力不从心了。生物基材料的生产也面临着同样的困境。由于市场对生物基材料的需求还处于起步阶段，很多企业生产规模不大。这就意味着，它们无法像传统石油化工企业那样，通过大规模生产来降低成本。想象一下，一家小工厂，原材料采购量少，议价能力弱，生产设备利用率不高，各项开销都难以摊薄。结果就是，生物基材料的产品成本居高不下，难以与传统材料竞争。要想改变这种局面，就需要扩大市场需求，吸引更多的企业进入这个行业，形成规模效应，才能真正降低成本，让生物基材料走进千家万户。笔者在查阅资料的过程中，有点比较明确的感受是：在可持续发展的大趋势下，生物基化学品和可再生资源产品成为“兵家必争之地”。那些早早布局、深入研发的企业，已经在激烈的竞争中占据了有利地位。而且，似乎新的“绿色壁垒”正在形成。不过，好在这个领域，本来就潜力巨大，并不容易一家独大。（上图：聚乳酸（PLA）是常见的生物降解塑料，原料主要来自玉米淀粉。PLA制品包括一次性餐具、购物袋、包装材料等。上图：PLA衍生出的日用产品种类繁多。图片来源：Al Mobarak T， DOI:10.13140/RG.2.2.15665.63842）
比如说，PLA塑料是一种常见的生物塑料，以玉米淀粉为原料制成。大家可能在超市里面就看到过那些声称玉米基制造的一次性的盘子，比较环境友好。不过，买回家你会发现，虽然PLA塑料具有良好的生物降解性，但其耐热性较差，在高温下容易变形。另外相比起“竞争对手”，目前PLA塑料的生产成本还是比较高了一些，限制了其在一些高性能领域中的应用。又比如生物基乙醇。我们知道，生物基乙醇可以作为汽油的替代品，减少对石油的依赖。生物基乙醇，这是一种听起来很环保的能源。想象一下，我们不再完全依赖那些深埋地下的石油，而是用植物来制造燃料，是不是很美好？的确，生物基乙醇可以替代汽油，减少尾气排放，缓解气候变化。但，美好的事物往往伴随着一些问题。生产生物基乙醇需要大量的粮食作物，比如玉米、甘蔗。这就意味着，原本用来填饱肚子的粮食，现在要被拿来烧掉（许多人马上要大呼“可惜”！）。大量占用耕地，势必导致粮食供需失衡，粮食价格上涨。而且，生物基乙醇的能量转换效率并不高，也就是说，要生产出同样多的能量，生物基乙醇需要的原料比石油要多得多。再加上复杂的生产工艺，生物基乙醇的生产成本也居高不下。所以说，生物基乙醇虽然是一种有潜力的替代能源，但要真正大规模推广应用，还有很长的路要走。第三个例子是木塑复合材料。这种新兴的材料听起来似乎结合了木材的天然质感和塑料的耐用性，可谓是“取长补短”。事实上，它也的确如此——木塑复合材料既保留了木材的纹理和色泽，又具备了塑料的防水防虫特性。但，就像世间万物都有两面性一样，木塑复合材料也存在一些“小烦恼”。木粉，作为木塑复合材料的主要成分之一，天生就喜欢“喝水”。这种特性虽然让木材有了生命力，但也为木塑复合材料带来了隐患。在潮湿的户外环境中，木塑复合材料很容易吸收水分，久而久之就会出现老化、变形等问题。此外，为了将木粉和塑料完美结合，制造商们可谓是煞费苦心。复杂的生产工艺不仅增加了生产成本，也限制了木塑复合材料的大规模推广。虽然木塑复合材料的前景广阔，但要真正走进千家万户，还需要科学家和工程师们不断努力，克服这些技术难题。第四个例子是生物基涂料。饱受“装修”选材烦恼的人，会喜欢“生物基涂料”这个概念，听起来像是一种充满自然气息的涂料，对吧！它的原料不再是那些深藏地下的石油，而是来自大自然的馈赠——植物油和大豆蛋白。想象一下，用向日葵、大豆这些我们餐桌上常见的食物，来装饰我们的家园，是不是觉得很亲近呢？与传统的石油基涂料相比，生物基涂料的“脾气”要温和得多。它产生的有害气体少，对人体和环境的伤害也小所以，生物基涂料在建筑、家具等领域备受青睐，特别是有小孩子的家里，装修肯定会青睐这些。但天下没有十全十美的事物。虽然生物基涂料很环保，但它也有自己的“小缺点”，比如，在风吹雨打、烈日暴晒的环境中，生物基涂料的耐候性可能不如传统涂料那么出色；而且，当它遇到水的时候，也容易“打蔫”。因此，如何提高生物基涂料的性能，让它在功能上与传统涂料并驾齐驱？还待继续努力研究。本文为日常工作中的学习、研究笔记。供参考。
文 | Linda
编辑 | YJ
排版 | 绿叶
【参考资料】
Adetunji A I, Oberholster P J, Erasmus M. From garbage to treasure: a review on biorefinery of organic solid wastes into valuable biobased products[J]. Bioresource Technology Reports, 2023: 101610.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589014X23002815
Al Mobarak T. Effect of Fiber-Surface Modifications onto Material Properties of Sponge-Gourd Fiber Reinforced Polylactic Acid Bio-Composites[D]. Bangladesh University of Engineering and Technology, 2018.
https://www.researchgate.net/publication/327270997_Effect_of_Fiber-surface_Modifications_onto_Material_Properties_of_Sponge-gourd_Fiber_Reinforced_Polylactic_Acid_Bio-composites
海洋与湿地
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