全球塑料废物危机正以惊人的速度恶化。水生生物（如鱼类和鸟类）意外摄入微塑料，这不仅破坏了自然生态系统，还可能通过食物链对人类健康造成潜在威胁。然而，解决这一危机的核心面临着一个“耐用性悖论”：可降解塑料在日常使用中往往不够稳定耐用，而耐用的商业塑料进入环境中又极其顽固、难以分解。此外，现有的刺激响应型添加剂（如酶、细菌或光氧化剂）与塑料物理共混后，当塑料解体时，这些添加剂会释放到环境中，留下疏水且不可降解的微塑料碎片，导致二次污染。面对这一全球性难题，来自江南大学、日本北陆先端科学技术大学院大学（JAIST）、日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）等机构的联合科研团队提出了一种革命性的解决方案。他们在聚合物主链中直接嵌入了一种光控分子，使塑料在日常使用中保持稳定，但在水体中暴露于阳光下时，能够自动触发精确的降解级联反应。

  2026年9月9日，该成果以“Photo-Switchable Molecular Module Programming PET Biodegradation in Aquatic Environments”为题，发表在材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。文章的共同第一作者为 Mohammad Asif Ali, Jixin Zheng, Satoshi Wakai 和Jie Liu，通讯作者为Maiko K. Okajima和Tatsuo Kaneko。

[核心创新：光致响应分子“开关”]

  自然界中有机物（如多糖和蛋白质）在阳光下光降解时会变得亲水，因此不会作为碎屑积累。研究团队以此为灵感，设计了一种光刺激响应的分子开关。该开关是一种由生物基衣康酸（itaconic acid）衍生而来的吡咯烷酮甲酰胺（Pyrrolidone carboxylamide, Py）分子。当含有该结构的材料在水环境中暴露于阳光下时，会触发以下精密的降解级联反应：第一步：发生 Norrish I 型光致开环反应，环状酰胺光解生成氨基酸类基团。第二步：材料的亲水性随之增加并发生水溶，从而破坏疏水屏障并像水凝胶一样溶胀，有效避免了疏水性微塑料的形成。第三步：水分子的进入极大地促进了聚合物主链（如酯键）的加速水解，使其断裂为单体或寡聚物。第四步：降解后的小分子尺寸极其适合微生物作用，最终实现快速的生物降解和彻底矿化。

图1 塑料生物降解分子触发器的概念与设计

[图文解析与材料优势]

1. 降解速度媲美纤维素，且具备极高的生态安全性

  研究团队首先在尼龙（PA6i）寡聚物中证明了这一可编程的生命周期。在单次光触发后，这些吡咯烷酮衍生物的矿化速度与天然纤维素微纤维一样快，两周内的降解率即可达到 70%。此外，研究还通过体外人类肠道微生物群模型和符合 OECD 标准的生态毒性模型对其安全性进行了确认。结果表明，其对微藻的慢性无观察到效应浓度（NOEC）为 310 mg/L，即使假设全球塑料废物全部溶解于海水中，其预测浓度也远低于这一安全阈值，生态风险极低。

图2 自然光暴露测试及光水解途径机理

图3 PA6i的光诱导可降解性及安全性

2. 明星级共聚物 iPET：性能不减，绿色循环

  更重要的是，团队将这种双酸型 Py 分子通过共聚反应，直接整合到了全球使用最广泛的包装聚酯——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中，合成了含有分子开关的 iPET 共聚物。优异的热力学性能：优化后的 C11-10 iPET（含有10%的Py分子）实现了极佳的性能平衡，其断裂伸长率大幅提升至 192%，应变能密度（韧性）高达 114MJ/m³，甚至超过了原始 PET。同时，它还保持了出色的热稳定性（热降解温度达 396°C）。满足商业标准的阻氧性能：研究显示，在引入不超过 10% 吡咯烷酮结构的情况下，iPET 薄膜的氧气透过率符合食品包装要求的严格限制（小于20 cm³/m²·24h·0.1MPa），完全具备商业包装的投产潜力。光y诱导的彻底降解无微塑料：在紫外光和脂肪酶（Lipase）的联合作用下，光致开环显著降低了空间位阻并增加了聚合物的亲水性，使聚合物链更容易进入酶的活性中心。模拟太阳光照射实验证实，iPET 能够完全溶解在水中转化为水溶性分子，全程不会生成微塑料，并最终被微生物降解为无毒矿物质。

图4 带有吡咯烷酮分子的iPET共聚物的光介导降解行为

图5 iPET光诱导酶促降解的分析研究与材料性能对比

图6 iPET薄膜在自然环境与模拟环境下的崩解实验

[研究意义]

  这项研究突破性地解决了塑料“耐久性”与“环境可降解性”之间长期存在的矛盾冲突。这种吡咯烷酮分子降解平台不仅仅是一种简单的添加剂，而是一种高度通用、集成于主链的底层设计。得益于Py分子可以通过各种反应基团进行灵活功能化，该技术不仅适用于 PET，还可以作为“即插即用”平台广泛应用于其他缩聚物体系，如聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯和聚脲等。这一设计理念为传统塑料的绿色分子升级提供了一条高度可扩展的途径，有望在不牺牲材料商业性能的前提下，从根本上遏制全球海洋微塑料污染危机。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78280

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