サステナビリティ
プラスチックの環境に優しい代替品: 持続可能性への鍵は生分解性プラスチックか？
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私たちの生態系におけるマイクロプラスチックの存在と蓄積は十分に記録されており、最近の証拠はそれらがさまざまな生物学的プロセスに有害な影響を及ぼすことを示唆しています。肺、動脈、さらには胎盤までマイクロプラスチックが見つかり続けている中、私たちはそれらが環境と人間の健康に与える影響をまだ学び続けています。
人間によるプラスチック使用の遍在がマイクロプラスチックの原因となっており、これらは環境中に残留しやすいです。マイクロプラスチックは非常に小さな断片で、一般的にサイズは5ミリメートル（mm）から500マイクロメートル（µm）の間で、日常的なプラスチック製品から放出されます。
これらの粒子はボトル、バッグ、包装材などのプラスチック源だけでなく、タイヤの摩耗、合成繊維、個人用ケア製品のマイクロビーズからも発生します。マイクロプラスチックは通常、摩耗、紫外線分解、製造工程、物理的または化学的な破砕など、さまざまな物理的・化学的プロセスによって形成されます。
海洋、降水、土壌など自然環境におけるマイクロプラスチックの蓄積は、石油系プラスチックポリマーの化学的性質によるものです。これらのポリマーは多数の小さな単位（モノマー）からなる大きな分子で、広く使用されているプラスチックは通常、生物学的に分解されにくいです。
ほぼ破壊不可能で、分解に数十年から数世紀かかるため、従来の石油系プラスチックやマイクロプラスチックの代替がますます求められています。この課題への答えは、通常のライフサイクルで持続的なマイクロプラスチックを生成しないプラスチックを開発することです。
たとえプラスチックが適切に回収・リサイクルされても、日常使用による摩耗やリサイクル・洗浄工程の結果としてマイクロプラスチックは依然として生成されます。したがって、これを防ぐためには、完全に生分解性であり、環境中の生物の働きで速やかに分解される新しいプラスチック材料を開発する必要があります。
この課題に取り組むために、Algenesis Corporation とカリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者・教授らによる新しい研究では、7か月以内にマイクロプラスチックレベルで生分解する植物由来ポリマーが作られました。
生分解は、ポリマーが微生物によってより単純な分子に分解されるプロセスです。これらの分子は炭素源としてバイオマスの生成に利用できます。ただし、これが起こるためには、ポリマーが主に一次骨格構造に化学結合を持っている必要があります。
これは、酵素が自然にこれらの結合を基質として認識できるよう、物理的にアクセス可能になるためです。この酵素的切断で放出された基礎的なモノマー分子は、微生物により消費されます。
自然環境では、この全プロセスは通常、細菌や菌類などの微生物群によって実行されます。これらの微生物は加水分解酵素を分泌し、ポリマーを分解してさまざまなオリゴマーやモノマーを放出し、炭素栄養源として利用します。
次に、ポリマー由来のモノマーとオリゴマーのカタボリズムが行われ、複雑な分子が分解されます。このプロセスにより、呼吸を通じて生体バイオマスとCO2が生成されます。
実際、バイオベース材料は自然の再生可能資源から得られますが、分解性が限定的であるため環境中に残留します。また、この残留性は、化学的加工により生物学的分解が困難になることが原因でもあります。
実際、分解性は材料の特性に依存するため、石油やその他の化石資源からでも生分解性材料を製造することが可能です。
不可能を成し遂げる
エネルギー省（DOE）から資金提供を受けたこの研究は、既存の材料に代わる生分解性代替品の探索を目的としています。しかし、環境中に蓄積しない材料を見つけることは「容易ではない」と、共同著者でありAlgenesisの共同創設者でもあるマイケル・バークートは述べています。
この素材科学会社の特許取得済みSoleic™技術は、植物由来で世界初の再生可能かつ完全に生分解性で高性能なプラスチック素材です。Algenesisはこの素材技術を用いて靴やサーフボード、フットウェアを製造しています。バークート氏（UCサンディエゴの化学・生化学教授）によれば：
「私たちはまだマイクロプラスチックの影響を理解し始めたばかりです。環境と健康への影響は表層にすぎません。」
Algenesisの共同著者で共同創設者でもあるロバート・ポメロイは、バークートと同様に同社の株式を保有し、化学・生化学の教授でもあり、5年以上前に藻類ベースのポリマーを初めて作ったと述べました。彼らはこのポリマーが完全に生分解性で、コンポスト内で「消える」ことができると理解していました。
しかし、今回初めてチームは微粒子レベルで測定する機会を得ました。そのために素材を細かい微粒子に粉砕し、微生物によって消化されていることを確認するために、3つの異なる測定ツールを使用しました。
最初のツールは呼吸計で、素材が微生物に分解される際に放出される二酸化炭素（CO2）を測定しました。セルロースの分解と業界標準の100％生分解性と比較した結果、植物由来ポリマーはほぼ100％でセルロースに匹敵することが示されました。
次に使用されたツールは水浮上法で、プラスチックが水に不溶性で浮く性質を利用し、表面から簡単に除去できる方法です。90日と200日の間隔で実施したテストでは、石油系マイクロプラスチックはほぼすべて回収されました。一方、藻類ベースのマイクロプラスチックは、9日後に回収率が32％、200日後はわずか3％であり、高い生分解性が示されました。
ガスクロマトグラフィー/質量分析（GCMS）による化学分析では、モノマーの存在が検出され、ポリマーが元の植物素材に分解されていることが示されました。
「この素材は、使用時にマイクロプラスチックを生成しないことが実証された初のプラスチックです。」
– 共同著者 スティーブン・メイフィールド、Algenesis共同創設者
彼はさらに付け加えました:
「これは製品のライフサイクルの終わりや混雑した埋立地に対する持続可能な解決策以上のものです。実際、私たちを病気にさせないプラスチックです。」
重要な進展はあったものの、これはまだ始まりに過ぎません。次のステップは、従来のプラスチック用に設計された既存の製造設備で新素材を使用できるよう適応させることです。そのためにAlgenesisは、植物由来ポリマーを使用した製品を作るために複数の企業と提携しました。これらの協業には、Trelleborgがコーティングされた生地に藻類ベースのポリマーを使用することや、RhinoShieldと共同で携帯電話ケースを製造することが含まれます。
バークートによれば:
「この研究を始めたとき、私たちは不可能だと言われました。今、私たちは異なる現実を見ています。やるべきことはたくさんありますが、人々に希望を与えたいのです。可能です。」
生分解性プラスチックは未来か？
ご覧のとおり、プラスチック部門は変革期にあります。これは重要で、プラスチックは廃棄物の約14％を占め、その大部分が海に流れ込んでいます。統計的に言えば、現在私たちは年間3億5千万トンのプラスチック廃棄物を生産しており、現行政策が変わらなければ2060年までに10億トンに達すると予測されています。
ほとんどのプラスチック材料のライフサイクルを見ると、製造されたプラスチックの79％が埋立地に捨てられるか環境に流出し、12％だけが焼却、9％がリサイクルされています。過去40年間でリサイクルは大幅に増加したものの、非繊維系プラスチックのリサイクル率は18％にとどまり、繊維系はほとんどリサイクルされていません。この停滞は、主流のリサイクル形態が熱と機械的力で廃プラスチックを新しい形に変えることに重点を置き、投入品質が重要視されることに起因しています。
このような背景の中、世界中でますます多くの企業が従来のプラスチック使用を削減し、より持続可能で環境に配慮した代替品に置き換える取り組みを進めています。
生分解性プラスチックは、再生可能な原料から得られるバイオプラスチックや、生分解性添加剤を加えて分解性を向上させたプラスチックを指します。
バイオプラスチックは通常、バイオベースのポリマーから製造され、商業的なプラスチックのライフサイクルをより持続可能にすることが期待されています。ここでのポリマーは再生可能またはリサイクルされた原料から作られます。バイオベースのプラスチックは化石系プラスチックに比べて炭素フットプリントが低く、優れた材料特性を示し、既存のリサイクルフローにも適合可能です。
これらすべてに加えて、プラスチック業界での認識の高まり、研究、投資が進むことで、生分解性プラスチックの私たちの日常生活への浸透が増しています。
従来のプラスチックを実質的に排除するにはまだ遠い道のりですが、励まされる取り組みが進んでいます。製品製造に生分解性素材を見つけることもその一つです。もちろん、多くの用途でプラスチックの代替は難しいですが、近い将来、多くの製品がより環境に優しい方法で製造されるでしょう。
環境に優しい製品は、全プラスチック生産の約39％を占める食品包装分野で最も人気を集めています。これは業界における生分解性プラスチックの大きな可能性を示しています。例えば、製品に応じてプラスチックボトルを生分解性素材に置き換えることができ、食品包装だけでなく栄養補助食品にも応用できます。
食品トレイは、スプーン、ティースプーン、フォーク、カップに加えて、容器と内容物を一つのゴミ箱で処分できるように生分解性素材が活用できる好例です。他にも、コーヒーカプセル、果物や野菜用の袋、ゴミ袋などが生分解性素材を取り入れています。
生分解性プラスチックは、柔軟性、印刷性、バリア性能の向上など、さまざまな包装ニーズに対応しながら、多様な包装の製造に幅広い可能性を提供します。
最新データは、生分解性包装の世界市場が巨大な成長潜在力を持つことを示しています。2022年の市場規模は約870億ドルで、2029年までに年平均成長率6.96％で拡大すると予測されています。すべてのサブセグメントの中で、プラスチックは最も収益性が高く、他の素材タイプよりも速いペースで拡大すると予測されています。
特に、石油系ポリマーの有望な代替であるバイオプラスチックは、化石燃料への依存と気候変動に寄与する排出量の両方を削減する可能性があります。
現在入手可能な最も一般的な生分解性プラスチックは、デンプンやセルロース由来で、ポリ乳酸（PLA）、ポリ3-ヒドロキシ酪酸（PHB）、ポリヒドロキシアルカノエート（PHA）などがあります。これらの材料は、リサイクル可能で生分解性であるため、飲料、医薬品、個人ケア、家庭用製品などで広く使用されています。
包装以外でも、生分解性プラスチックは農業分野での応用が期待され、特にリサイクルが高コストなマルチに利用できます。堆肥化可能なマルチは、数か月で分解し、長期間残留するマイクロプラスチックを残さずに廃棄物回収の必要性をなくします。
多くの利点と応用がある一方で、生分解性プラスチックはコストが高く、農業への負の影響といったトレードオフがあります。しかし、最新の生物学的・化学的手法、技術の進歩、財政的インセンティブ、明確な規制が、生分解性プラスチックの大規模導入を支援し、持続可能なインパクトをもたらすことができます。
このように、研究者はより優れた素材とクリーンな製造方法を積極的に調査しており、特性向上と次世代応用を目指しています。欧州は現在、バイオプラスチックの商業生産で43.5％のシェアを持ち、2026年までに760万トンに達すると予測されています。
結論
長年の研究により、マイクロプラスチックが水域、土壌、降水などすべての物理環境に蓄積し、さらには大気中にも拡散していることは広く知られるようになりました。その遍在性から、マイクロプラスチックは食物連鎖の一部となっており、証拠はそれが人間、動物、エコシステムに重大な害を及ぼす可能性があることを示しています。
これにより、生分解性素材の研究が促進され、従来のプラスチックに代わる環境に優しい代替策が提示されています。新素材の開発に加えて、汎用的な標準の導入も進められています。さらに、プラスチック使用を減らし、バイオプラスチック製品の利用を増やす行動変容が求められています。
これらは、プラスチック廃棄物問題と炭素排出の緩和により、確実にプラスの影響をもたらす可能性があります。ただし、生分解性プラスチックであっても、約束通りに機能させるためには適切な堆肥化条件が必要であることに留意すべきです。全体として、私たちはより緑の未来に向けて徐々に前進しています。
