合成プラスチックは、現代生活の多くの側面をより安く、安全で、便利なものにしてきました。しかし、使い終わった後にどう処分するかは、まだ解決できていません。
食品や紙などのごみとは異なり、ほとんどの合成プラスチックは、生きた微生物や化学的な過程によって容易に分解されません。その結果、深刻化するプラスチック廃棄物危機が地球の健康を脅かしています。その象徴が、太平洋ごみベルト――広大な範囲に浮遊するプラスチックごみで、フランスの3倍の広さに及び、カリフォルニア州とハワイ州の間に広がっています。科学者たちは、現在の傾向が続けば、海洋中のプラスチックの量は2050年までに魚の量と同じになると推定しています。石油からプラスチックを製造することは、大気中の二酸化炭素濃度も高め、気候変動の一因となります。
私の研究の多くは、プラスチックを持続可能な方法で製造し、分解する方法を見つけることに捧げられてきました。私の研究室をはじめ、各所で両面の研究が進展しています。しかし、こうした新たな代替品は、確立されたインフラと最適化された製造工程を持つ合成プラスチックと競わなければなりません。政府の支援策がなければ、革新的なプラスチック代替品は、いわゆる「死の谷」を越えて研究室から市場へ進出するのに苦労するでしょう。
木材や絹からナイロン、プレキシガラスまで
あらゆるプラスチックは、ポリマーでできています。ポリマーとは、ビーズをつないだひものように、多数の小さな単位（モノマー）が連なって長い鎖を成す大きな分子です。ビーズに相当する部分の化学構造と、それらをつなぐ結合が、ポリマーの性質を決めます。ガラスやエポキシ樹脂のように硬く丈夫な材料を形成するポリマーもあれば、ゴムのように曲げたり伸ばしたりできるものもあります。
人類は何世紀にもわたり、絹、綿、木材、羊毛など、天然由来のポリマーから製品を作ってきました。使用後、こうした天然プラスチックは微生物によって容易に分解されます。
石油由来の合成ポリマーは、第二次世界大戦中、連合軍を支える新素材の革新が強く求められた1930年代から開発されました。たとえば、1935年に発明されたナイロンは、パラシュートなどの装備で絹に取って代わりました。また、ポリメタクリル酸メチルは、プレキシグラスの名で知られ、航空機の窓でガラスの代わりに使われました。当時、こうした素材を再利用できるか、またどのように再利用するかは、ほとんど考慮されていませんでした。
現代の合成プラスチックは、大きく2つの系統に分けられます。熱可塑性樹脂は加熱すると軟化し、冷やすと再び硬くなります。一方、熱硬化性樹脂は、一度成形すると再び軟化することはありません。大量生産される一般的な合成ポリマーには、フィルム包装やレジ袋に使われるポリエチレン、再利用可能な容器や包装材に使われるポリプロピレン、衣類、カーペット、透明な飲料用ボトルに使われるポリエチレンテレフタレート（PET）などがあります。
リサイクルの課題
現在、米国で廃棄されるプラスチックのうち、リサイクルされるのは約10％にすぎません。リサイクル処理には、汚染されていない純粋なプラスチックの投入が必要ですが、廃プラスチックには食べ残しなどの不純物が含まれていることがよくあります。
廃棄されたプラスチック製品のまとまりには、複数の樹脂の種類が混在することもあります。また、色、形、透明度、重量、密度、大きさがそろっていないこともよくあります。そのため、リサイクル施設では種類ごとに選別するのが難しくなります。
複数の種類が混ざったプラスチック廃棄物を溶かして再成形すると、バージン材より性能の劣る再生材料ができます。このため、プラスチックのリサイクルを「ダウンサイクル」と呼ぶ人も多くいます。
多くの消費者が知っているように、プラスチック製品には、素材となる樹脂の種類を示す番号（1から7）が、3本の矢印でできた三角形の中に刻印されていることがよくあります。このコードは1980年代に米国プラスチック産業協会が制定したもので、製品がリサイクル可能かどうか、またその方法を示すことを目的としています。
しかし、こうしたマークは、製品を無限にリサイクルできるかのような印象を与えるため、非常に誤解を招きます。実際、米国環境保護庁によると、2015年のリサイクル率は、PET（SPIコード1）の31％が最も高く、高密度ポリエチレン（SPIコード2）は10％で、その他の種類は多くても数％にとどまりました。
私の考えでは、いずれ使い捨てプラスチックは生分解性であることを義務づけるべきです。その実現には、堆肥化に向けて食品、紙、生分解性ポリマーの廃棄物を集める生ごみ用の容器を各家庭に設置する必要があります。ドイツではすでにこのような制度があり、サンフランシスコでは、家庭や事業所から出る有機廃棄物を堆肥化しています。
より環境に優しいポリマーの設計
現代のプラスチックには多くの種類と用途があるため、置き換えたり、より持続可能なものにしたりするには、複数の戦略が必要です。その一つは、石油ではなくバイオ由来の炭素源からポリマーを作ることです。最も実用化しやすい方法は、植物細胞壁由来の炭素（リグノセルロース）をモノマーに変換することです。
たとえば、私の研究室では、植物由来の油を取り込み、ポリエステルに変換する酵母触媒を開発しました。このポリエステルはポリエチレンに似た性質を持ちます。しかし、石油由来のプラスチックとは異なり、堆肥化システム内で微生物によって完全に分解されます。
再利用できる高付加価値化学物質へとプラスチックを分解する、費用対効果の高い新たな方法を開発することも不可欠です。生物触媒と化学触媒の両方を活用できるでしょう。興味深い例の一つは、ミールワームの腸内細菌で、ポリスチレンを消化し、二酸化炭素に変換できます。
ほかの科学者たちは、高性能ビトリマーの開発を進めています。ビトリマーは熱硬化性プラスチックの一種で、鎖同士を架橋する結合が、温度やpHなどあらかじめ組み込まれた条件に応じて、形成されたり切断されたりします。ビトリマーは、硬い成形品の製造に使えます。製品寿命の終わりには流動性のある材料に変え、新たな製品へと再成形できます。
合成プラスチックの性能を高めるには、研究開発とマーケティングに何年もの時間を要しました。ポリ乳酸などの新しい環境配慮型ポリマーは、主に堆肥化可能な袋、食品容器、カップ、使い捨て食器として、ようやく市場に出始めたところです。メーカーがコスト削減と性能向上に取り組む間、支援が必要です。また、新たな発見をより迅速に事業化できるよう、学術界と産業界の取り組みを結びつけることも極めて重要です。
現在、欧州連合とカナダは、バイオ由来で持続可能なプラスチックの発見と開発において、米国よりはるかに多くの政府支援を行っています。米国が持続可能なポリマー革命で競争したいのであれば、この状況を変えなければなりません。
