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知耕研选旨在以研究分析的模式追踪生物科技领域国内外趋势见解，为大家呈现不同行业背景、现状、挑战及未来发展趋势，以期给生物科技生态圈伙伴打开创新视角。
现代经济关注的焦点在于产生巨大的环境污染源的领域，包括农业、化妆品、建筑涂料和燃油车等。然而，现在人们开始关注另一个潜在的有毒排放源：沥青。
沥青在道路和屋顶上持续释放有毒的空气颗粒，其数量受到材料组成和当地气候条件的影响。尽管这些变化可能不同，但沥青的潜在危害规模可能是巨大的，仅美国就有6000万吨/年的热拌沥青用于路面铺设。因此，相关政府部门开始探索构建和维护道路的可持续方式。据研究人员称，向沥青混合料中添加生物基材料可能是可行的解决方案。
新铺设的沥青道路会在空气中持续释放出持续数天的强烈化学气味。这些气味是由沥青中的合成材料与热量相互作用时释放的微小颗粒所致，这些颗粒被称为半挥发性有机化合物。沥青是一种黑褐色的复杂混合物，由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。沥青主要分为煤焦沥青、石油沥青和天然沥青三种，广泛用于涂料、塑料、橡胶等工业以及道路铺设。通常情况下，沥青主要由95%的砾石组成，其余5%是粘结剂材料，粘结剂是一种可熔化的物质，液态时包裹着砾石混合物，使其能够顺利施工并固化牢固。
高温会分解粘结剂分子，其中大部分是石油化学物质，如沥青，使其变得轻盈并能够上升并漂浮在空气中。这些颗粒可能变得足够小，以至于进入血液循环系统中（这种化学污染的危险形式被称为PM2.5），其中污染物是携带氧或硫的芳烃，包括苯并呋喃、苯甲酸、二苯并噻吩、己硫醇和多环芳烃，一些挥发性化合物会刺激眼睛、鼻子和喉咙，损害神经和其他器官，包括肺和大脑，并可能导致癌症。同时，这些分子甚至可能导致臭氧破坏，各种生产投入影响的严重性和特定一块道路沥青发出的污染烟雾的确切化学组成。不同的沥青等级具有不同的化学特性，而各种添加剂和改性剂可用于沥青的制造。
长期以来，人们已经意识到新铺设的柏油路在空气中释放的有害物质可能对健康造成危害，特别是与道路铺设相关的建筑工人更容易受到影响。然而最近研究发现，在道路铺设结束后，即使干燥的路面仍会持续释放大量挥发性化合物。
耶鲁大学的一组化学和环境工程师进行的实验最近引起了人们对长期柏油排放问题的关注，实验发现加利福尼亚州的已知的排放源（如农业和汽车）释放的污染物量与实际检测到的水平之间存在巨大差距。实验验证了柏油是加利福尼亚空气污染的源头，即在不极端条件下（60摄氏度），柏油仍然会释放出有害化合物。另外，他们还指出，日光暴露会进一步增加挥发性化合物的排放量，加剧空气污染问题。根据实验数据估计，在南加州，道路和屋顶的柏油每年释放1000至2500吨颗粒空气污染物，远超过汽油和柴油车辆的排放量。
一方面，道路铺设前后会缓慢释放有毒污染物。因为制造沥青过程中释放出大量碳，还会导致气候变化。研究人员已经开始利用生物基材料来解决开采矿物及其衍生物的健康和环境问题。
基于此，亚利桑那州立大学的艾莉·费尼副教授领导的研究团队展示了一种新的生物基沥青粘结剂，据称可以在实验室条件下减少70%的污染物释放。这项申请专利的技术被命名为AirDuo，通过用液化藻类替换粘结剂中的沥青来实现污染物减排。液化藻类粘结剂可以选择性地“捕捉”化合物，使其在形成挥发性有机化合物并进入空气之前被截留。
另一方面，液化藻类粘结剂的优势与沥青的碳足迹有密切关联。藻类是一种低碳材料，因为它的生长所需的资源输入非常有限，这使得它比许多陆地生物质来源以及更碳密集的非可再生石油化学品或开采物质更为资源节约。尽管藻类可以被大规模种植以获得高产量，但研究人员建议为了扩大技术规模，进而使用已经用于废水生物过滤系统的藻类。这种做法减少了对环境的压力，相比野生收获或种植该材料，对环境的影响更小。
而生物炭是另一种生物基沥青粘合剂，亚利桑那州立大学团队已经对其进行实验。其中，生物炭是一种坚硬的黑色物质，类似于木炭，是生物质在无氧燃烧时产生的产物。
木质素是一种存在于树木或灌木细胞壁中的生物基原料，可以被加工成各种材料，包括液体生物燃料和聚合物等。通常，木质素是纸浆和造纸行业的副产品，这种来源比从种植园获取废料更为可持续。由于木质素可以赋予砾石混合物强度、刚度和防水性能，一直被视为沥青粘结剂的潜在替代品。
荷兰一直关注生物基沥青粘结剂的研发。自2020年以来，荷兰一直在推进基于木质素的粘结剂的研发计划，此计划由瓦赫宁根食品和生物基础研究、生物基地研究基金会以及乌得勒支大学等合作伙伴共同领导。在荷兰的计划启动之前，木质素沥青的系统测试尚未进行，这包括其在户外环境下的性能以及回收选项的测试。
在2023年5月，瓦赫宁根食品和生物基础研究宣布，木质素沥青可以减少30%至60%的污染物排放量，这是该项目的一个重要里程碑。
荷兰的其他研究团队也在研究使用藻类生产生物沥青。在德尔夫特大学，一组研究人员提出了与亚利桑那州团队的AirDuo类似的概念，他们计划利用液化微藻来生产沥青粘结剂的替代品。
对于任何类型的沥青，最终的环境效益都取决于具体的背景环境。因为每种沥青都有所不同，生物基添加剂减少污染的效果取决于与其混合的其他材料。因此，评估沥青的环境效益需要综合考虑多种因素。
沥青问题之所以严重，主要是因为在建设关键基础设施时产生的依赖性，而重新铺设成千上万公里的道路对于尚处于起步阶段的技术而言是一个巨大的挑战。
生物基沥青需要时间来发展和推广。即使在像荷兰这样的生物沥青研究重点地区，最老的生物沥青道路也仅追溯至2015年。尽管实验和短期研究表明，生物基粘结剂实际上增强了道路的耐久性，但要说服怀疑者，需要在长期实际使用中经受住磨损的考验。
推广生物沥青的一个潜在因素是沥青供应的不稳定性。在许多石油工业地区，改进的炼油方法意味着剩余的沥青副产品更少。此外，许多国家依赖于其他国家的沥青供应。这种不确定的供应可能会迫使公共当局考虑生物沥青。
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