整個世界都是我的裝備庫！來看看地表最強的水熊秘訣

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物，能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠，遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期，有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐：和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞，讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果，讓作者可以做出這種宣稱？科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢？

什麼是量子糾纏？

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述，至於實際上到底是在「糾纏」什麼，可以參考先前這篇文章^[2]。

儘管名字聽起來很神祕，但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場，現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說，但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制，結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統，生物體的結構可說是極為雜亂複雜，難以成為量子實驗的對象。

此外，為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響，糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續，許多物質的特性也都已經改變。

因此，儘管實驗方面已經發展許久，要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說，整個生物世界太亂又太熱，完全不會想靠近一步。正因如此，這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大，算是「巨觀」生物中相對微小的種類，要做量子實驗的話較好下手；更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境，爾後再重新恢復活力，如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度（也就是只比絕對零度高 0.01 度），同時接近真空的環境中，在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中，並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏，並測試糾纏結果。

根據測試的結果，作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說，水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元，和另外兩個超導位元糾纏在一起！實驗結束後，水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍，最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制，打開了通往量子生物學的大門，並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題，將文章的預印版放上了 arXiv 網站，引起科學界一片譁然。

等等，這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣，媒體也爭相報導，但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動，突破性恐怕也是過於誇大。

I said I was done with the “qubit entangled with a tardigrade” discussion (regarding an unpublished manuscript that appeared online recently). But now that misleading news pieces are coming out, I decided to spell it out at a non-technical level

1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g

— Ben Brubaker (@benbenbrubaker) December 18, 2021

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣，裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路；而接近絕對零度的水熊，基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面，會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵，其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊，灰塵，還是螞蟻，這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的，並非量子現象。

也就是說，作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實，甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊，因此沒有經歷同行科學家的審查，還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進，目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的，那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天，水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言，好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按：該如何驗證量子糾纏，可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天：06/28〉，此論文的主要問題是不能藉由實驗設計，來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

1. 看過「水熊蟲」走路嗎？——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似！
2. 照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？
3. 水熊和超導量子位元的糾纏（原文）

我們都知道生命是非常頑強的，在一些極端環境如高熱強酸的火山溫泉、高壓強鹼的深海等，都能找到一些生物定居。不過如果想找極端的生存環境，不必到這麼危險的地方，你我身邊其實隨處都有，那就是「混凝土」之中。混凝土內部的環境對生物來說也是極端苛刻：強鹼、高鹽、乾旱、缺乏食物。而近期發表在 mSystems 上的研究顯示，即便是混凝土之中，也有生命存在^[1]。

混凝土的組成與缺陷

混凝土是由骨料 (礫石和沙子)、水泥、水和添加物依適當比例配置而成的複合材料。混凝土因有著硬度高、耐高壓、可塑性強、成本低廉、製作簡單、可適用於各種自然環境等特性，成為世界上使用最多最廣的建築材料，幾乎絕大部分的現代土木工程都會用到。

混凝土雖然是優秀的建材，但也並非沒有弱點。鹼-矽反應（alkali–silica reaction, ASR）就是一個會破壞混凝土結構的常見因素。ASR 會讓混凝土產生俗稱「混凝土癌」的狀態。而形成 ASR 的主要原因，就在混凝土中的水泥身上。

混凝土中最常使用的水泥為「波特蘭水泥」，即矽酸鹽水泥。當水泥和水混和後會發生一系列複雜的物理與化學反應，使其凝結與固化。而在這個過程中，會產生大量強鹼物質如氫氧化鈣，這就讓混凝土內部的 pH 值處在 12.5 左右。

正常的混凝土其內部結構相當緻密，基本沒有水分。但當混凝土受到撞擊、搖晃等外在衝擊而產生裂縫後，水就能滲入其中。而當水進入混凝土後，會使混凝土內部的強鹼和矽酸鹽類產生反應，形成水合矽酸鹽。這些水合矽酸鹽會在混凝土內部產生不均勻的膨脹，而當水合矽酸鹽的數量達到一定後，就會造成混凝土的破裂。

要避免 ASR 的一個方法，是在混凝土中加入飛灰（fly ash）。飛灰是火力發電廠在燃燒後所產生的廢棄物，其主要成分為 SiO₂、AI₂O₃ 和 CaO。飛灰會和水泥中的強鹼進行卜作嵐反應（pozzolanic reaction），該反應是透過 SiO₂ 和 AI₂O₃ 等物質與強鹼反應形成膠體。因此加入飛灰到混凝土中，不僅能降低 pH 值，產生的膠體也可用來填補孔隙並膠結骨材，以更好的填塞混凝土中的孔隙。

混凝土中的細菌種類

研究已知有多種細菌能生長在混凝土的表面，而當混凝土因 ASR 或其他因素產生裂縫後，細菌也能從表面進入到混凝土內部，而這就有可能會對混凝土產生進一步的影響。由於混凝土是世界上最常見的建材，為了確保建築物、橋梁和道路的結構安全，越來越多科學家開始關注生存在此的微生物群，與其可能對混凝土所造成的影響。

過往的研究已證實混凝土內部確實有細菌生長，但這些研究的主要對象是隨著裂縫從表面進入混凝土之中的細菌。而美國德拉瓦大學的研究團隊更進一步，研究「本來」就生活在混凝土內部的細菌^[1]。

為了進行研究，研究團隊製作了兩種混凝土樣本：一般混凝土和加入飛灰的混凝土，並將這兩種樣本放在屋頂上模擬自然風化的環境，然後每六週進行一次取樣分析，以了解混凝土內部的細菌組成。

他們最初的設想是，沒有加入飛灰的樣本會因 ASR 產生更多裂縫，這樣混凝土表面的細菌進入到內部的機會就更大，這就會讓兩種混凝土內部的細菌種類會隨著時間推移而有所不同。

在持續兩年的分析和追蹤後，研究團隊發現混凝土內部的細菌組成主要為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）這三大類。雖然這三大類細菌是主要組成，不過隨著時間推移和季節的改變，混凝土內部的細菌組成也會有所不同。舉例來說，實驗初期的細菌種類明顯較多，但隨著時間的推移，細菌的多樣性會持續下降。不過這種多樣性的下降，會在溫暖多雨的夏季有短暫的反彈，只是一過了夏季，多樣性又會再次降低。

而上述的結果在兩種混凝土的樣本中並沒有明顯的差異。也就是說，不論混凝土的材質是否能抗 ASR，其內部的細菌組成和變化都差不多。

研究團隊認為，這些主要菌種很可能是隨著混凝土的主要原料 – 即骨料和水泥進到混凝土內部的，因此牠們才是最能適應混凝土內強鹼、高鹽、缺水和缺乏食物環境的優勢物種。雖然在高溫多雨的季節，混凝土的外的細菌能進到內部，但牠們終究無法很好地適應混凝土的環境。所以夏季結束後，這些外來的細菌不是進入休眠狀態，就是被內部的細菌當成食物給吃掉了。也因此在有無 ASR 的情況下，混凝土內部的細菌組成都不會有太大的改變。

為了驗證混凝土內部的細菌可能是來自組成原料，研究團隊先分析了混凝土原料中的細菌組成，並和實驗初期與末期的混凝土樣本中的細菌組成做比較。結果發現，礫石（骨料的一部份）提供了混凝土內 50~60% 的細菌來源。

另一個提供細菌的重要來源是水泥，雖然水泥提供的細菌種類不像礫石那麼多，但隨著時間的推移會逐漸增加為第二多，而這個結果在有無加入飛灰的樣本中，都是一樣的。這也證實了，混凝土原料中的骨料（礫石）和水泥，是提供混凝土內部細菌組成的主要來源。

混凝土與細菌的關係

那麼這個研究的結果，能提供我們甚麼樣的資訊呢？研究團隊認為，既然混凝土內部的細菌組成是不太變動的，可以將細菌組成當作混凝土內部環境的「指標」。例如當檢測到混凝土內部的細菌組成有改變時，就表示混凝土內部的環境很可能也改變了。要知道混凝土內部環境的改變，會影響到混凝土的整體結構和安全性。

但想做這個應用，首先要確認混凝土內部環境的改變，確實也會讓細菌組成改變。另外這個研究只在美國進行兩年的實驗，因此研究的結果是否能應用到全世界的混凝土，要打一個很大的問號。畢竟混凝土所處的環境不同，其內部的細菌組成是否也會有所不同，是需要實驗驗證的。

除了做為「檢測」混凝土結構安全的指標，其實很早以前就有其他科學家提出讓細菌作為「修復」混凝土工具的想法了。這個想法的原理其實很簡單，藉由加入能產生碳酸鈣等可以填補縫隙的細菌到混凝土中，就能達到生物修復了。不過這種應用方法比起「檢驗」需要更多的實驗，畢竟我們現在連這些細菌會對混凝土產生怎樣的影響都不知道，一個弄不好，說不定本以為是修補用的細菌，最後卻變成破壞者。

雖然這個研究並不能告訴我們這些生活在混凝土內部的細菌，會對混凝土造成何種影響，但卻是一個讓我們了解細菌與混凝土之間的起頭。另外這個研究也再次證明了，即便環境再惡劣，生命自然會找到自己的出路~

1. Kiledal EA, Keffer JL, Maresca JA. Bacterial Communities in Concrete Reflect Its Composite Nature and Change with Weathering. mSystems. 2021 May 4;6(3):e01153-20
2. 混凝土
3. Alkali–silica reaction
4. 波特蘭水泥