プラスチック汚染の伝説的な終焉者が、より深刻な汚染を引き起こす可能性がある

プラスチックの世界的な需要が急増し続ける中、より持続可能なプラスチックソリューションを求める声がますます高まっています。バイオベースプラスチックは、通常のプラスチックの潜在的な代替品の 1 つですが、現在の技術は、持続可能な循環型経済の構築のニーズを満たすためにバイオベースプラスチックをサポートできるでしょうか?

著者：朱野花

バイオベースプラスチックの登場

文明が残した「作品」によって記憶されるならば、私たちの現代は「プラスチックの時代」と呼ばれるかもしれません。 1971年に、自然界におけるプラスチック汚染を記録した最初の査読付き論文が出版されました[1]。それ以来、プラスチック汚染に関する膨大な研究が蓄積されてきました。今では、プラスチックが環境中に遍在していることは疑う余地がないことがわかっています。 1950年代初頭以来、人類は83億トンのプラスチック製品を生産し、そのうち約63億トンがプラスチック廃棄物となっています。 63億トンのプラスチック廃棄物のうち、9％はリサイクルされ、12％は焼却され、79％は埋め立てられるか自然環境に投棄されました。現在の生産と廃棄物管理のパターンが続くと、2050年までに120億トンのプラスチック廃棄物が発生すると推定されています[2]。膨大な量のプラスチック廃棄物により、人々は数え切れないほど多くの潜在的な解決策の開発を余儀なくされており、バイオベースのプラスチックもその1つです。

まず、2つの概念を明確にする必要があります。バイオベースプラスチックとバイオプラスチックは同じものではありません。実際、バイオプラスチックは、バイオベースのプラスチックと生分解性プラスチックの総称です。この記事のテーマは「バイオベースプラスチック」です。これはトウモロコシやサトウキビなどの作物から抽出した炭素と、従来のプラスチックに使用されている可塑剤などの化学物質を使用して作られています。これは、化石燃料由来の炭素鎖を主成分とする従来のプラスチックとは異なります。

PLA食器丨出典：インターネット

最も一般的に使用されている 2 つのバイオベースプラスチックは、PHA (ポリヒドロキシアルカン酸) と PLA (ポリ乳酸) です。前者は通常藻類から作られ、後者はトウモロコシやサトウキビなどの作物を原料として作られます。 PLA は PHA の 10 分の 1 のコストで済むため、使い捨て食器やさまざまな包装材に広く使用されています。 PHA は紙コップの内側コーティングや医療用途に使用されます。

しかし、どちらのバイオベースプラスチックも、強度やその他の特性が従来のプラスチックに匹敵せず、コストもはるかに高いため、広く使用されていません。一方、現在使用されている2種類のバイオプラスチックは、いずれも微生物によって分解できるものの、高温の産業用堆肥化施設で回収・堆肥化する必要があります。このような設備は、特にプラスチック汚染問題が最も深刻な発展途上国では、自治体の廃棄物処理施設では珍しい。さらに、従来のプラスチックと比較して、バイオベースプラスチックの生産には、土地をめぐる食用作物との競争も必要であり、バイオベースプラスチックの原料作物が環境に優しいかどうかについてもかなりの論争があります。

土地をめぐる競争と継続的な汚染

PLA タイプのバイオベースプラスチック原料作物を栽培するには、広い土地が必要です。 2020年の研究では、従来のプラスチックをバイオベースのプラスチックに完全に置き換えるにはどれだけの土地が必要になるかが推定されました。この目標を達成するために必要な土地の面積はフランスの土地面積よりも広く、必要な水の量はEUの年間淡水取水量よりも60％多いことが判明した[3]。

そのため、記事は、現時点ですべての石油化学プラスチック包装をバイオベースのプラスチックに置き換えることは、必然的に土地と水の使用量の大幅な増加につながるため、実現可能ではないと結論付けています。プラスチックの需要を減らす方法が見つからない限り、プラスチック汚染を阻止するための取り組みのほとんどは一時的かつ不十分なものになる可能性が高い。さらに、土地利用の変化は生物多様性の喪失の主な要因の一つであるため、土地をめぐる競争も自然の生物多様性に影響を与えます。

一方、バイオベースプラスチックによる環境汚染問題は依然として存在しています。ピッツバーグ大学の研究では、従来のプラスチック7種類、バイオベースのプラスチック4種類、化石燃料と再生可能エネルギーから作られたプラスチック1種類の汚染特性を比較した。比較分析の結果、作物の栽培に使用される肥料や農薬、および有機物をプラスチックに変換するために必要な化学処理が、バイオベースプラスチックの生産プロセスで大量の汚染物質の発生につながっていることが判明しました。

バイオベースのプラスチックは従来のプラスチックよりもオゾン層を破壊する可能性があり、広大な土地を必要とします。農業と化学処理の悪影響を合わせた結果、混合プラスチックは生態系への潜在的な毒性影響が最も大きく、発がん性物質が最も多く、ライフサイクル分析のスコアが最も低いことが判明しました[4]。

しかし、炭素排出量の観点から見ると、バイオベースのプラスチックは、従来のプラスチックに比べてライフサイクル全体で温室効果ガスの排出量がはるかに少なくなります。バイオベースのプラスチックを製造する植物は成長中に同量の二酸化炭素を吸収するため、分解しても二酸化炭素の純増加はありません。

技術の進歩は希望をもたらすのでしょうか?

バイオベースのプラスチックが従来のプラスチックを完全に置き換えることができるかどうかはまだ議論の余地がありますが、一部の研究者はバイオベースのプラスチックの特性を改善して、消費者向け製品により適したものにし、より環境に優しいものにするために懸命に取り組んでいます。

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まず、土地と食糧生産の競合の問題は徐々に解決されつつあるようです。技術が進歩するにつれ、バイオベースプラスチックの生産に使用される土地は現在、農地全体のわずか0.3％を占めるに過ぎません。さらに、原料が食品ではなく農業残渣、細菌、菌類、微細藻類である第 2 世代および第 3 世代のバイオプラスチックを開発することで、土地利用の割合をさらに削減できます。この開発は農地への圧力を最小限に抑え、食糧生産との潜在的な衝突を減らすのに役立ちます。

新しい製造方法により、研究者たちはバイオベースのプラスチックに対して徐々に「自信」を持つようになった。 2021年、イェール大学環境大学院が率いる研究チームは、石油由来プラスチックの代替となるだけでなく、既存のバイオベースのプラスチック素材の代替にもなると主張する木材由来のセルロースバイオプラスチックを開発しました。研究者たちは、木材加工から出る安価な残留物である木粉をバイオプラスチックの原料として使用した。彼らは、生分解性でリサイクル可能な深共晶溶媒（DES）を使用して、セルロース、ヘミセルロース、リグニンからなる緩い構造の木粉を分解しました。論文では、DES にはリグニンを溶解し、木材細胞壁のセルロースをマイクロファイバーやナノファイバーに分解するという 2 つの機能があると説明されています。その後、リグニンは水を加えることで再生または「沈殿」され、マイクロ/ナノファイバーネットワークと結合してリグニンセルロース「スラリー」が生成され、最後に、簡単な鋳造プロセスによってスラリーからバイオベースのプラスチックが形成されます。これらのプロセスでは、リグニンの改変が重要です。従来、リグニンとセルロースの分離は非常にコストがかかりましたが、リグニンの原位置再生では両者の分離が不要になるため、バイオベースプラスチックの生産コストが大幅に削減されます。さらに、インサイチューリグニン再生プロセスは、さまざまな種類の材料にも適用できます。木材に加えて、草、麦わら、サトウキビの搾りかすもリグニンをその場で生産するために使用できます[5]。

PHA と PLA に加えて、主に木材パルプから得られるセルロースジアセテート (CDA) も、タバコのフィルター、繊維、コーティング、フィルム、食品包装、眼鏡のフレームや工具のハンドルなどの他の製品に広く使用されている一般的なバイオベースのプラスチックです。「Environmental Science & Technology Letters」誌に掲載された研究によると、海洋中での分解・劣化はこれまで考えられていたよりもはるかに速いという。研究者らはカスタマイズされた海水で約350個のCDAと対照サンプルを培養し、実験システムに海水の連続流を装備した。研究者たちは、海水がサンプルの上を流れる際のサンプルの劣化を監視するためにさまざまな技術を使用しました。タイムラプス写真と質量損失測定から、CDA物質は海水中で数か月という時間スケールで分解することが示されており、これはこれまでの想定よりも大幅に短い時間である[6]。

バイオベースのプラスチックは、環境上の利点を活用して持続可能な利用目標を達成することを目的とした取り組みであることは注目に値します。いくつかの研究チームが新素材の研究開発で一定の成果を上げているものの、改良され有望なバイオベースプラスチックのほとんどはまだ研究段階にあり、大規模に普及するまでには長い時間がかかるでしょう。

ドイツのハノーバー大学バイオプラスチック・バイオコンポジット研究所（IfBB）のデータによると、2018年に世界で261万トンのバイオベースプラスチックが生産されましたが、これは実際には世界のプラスチック生産量の1％未満です。人類のプラスチックに対する需要が高まり続けるにつれて、より持続可能なプラスチックソリューションの必要性も高まります。統計によると、2021年までにバイオベースのプラスチックは世界のプラスチック生産量の1.5％、ヨーロッパのプラスチック生産量の2.3％に増加しています[7]。したがって、短期的には、バイオベースのプラスチックは、地球規模のプラスチック汚染を終わらせる効果的な方法にはなり得ません。

参考文献

[1] ブキャナンJB.合成繊維による汚染。海洋汚染速報。 1971年; 23.

[2] https://www.mdpi.com/2071-1050/14/8/4855。

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332220303055.

[4] 持続可能性指標：ポリマーのライフサイクルアセスメントとグリーンデザイン（pitt.edu）。

[5] イェール大学の研究で画期的なバイオベースプラスチックが紹介される - Yale Daily News。

[6] Michael G. Mazzotta他「海洋微生物によるセルロースジアセテートの急速分解」Environmental Science & Technology Letters（2021年）。 DOI: 10.1021/acs.estlett.1c00843.

[7] https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/f+s/Biopolymers-Facts-Statistics-2019.pdf。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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