如何採冬筍

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜廖英凱、美術編輯｜張語辰

顛覆你對「竹林」的認識

藝術文化視野的竹林，常享有簡練高潔的雅名。但就生態的觀點，中海拔森林中的「孟宗竹林」，卻是蠶食山林、劣化土壤的入侵外來種。而在杳無生機的月世界惡地，卻又有「刺竹林」肩負了改善土壤、為其他物種開疆拓土的重責大任。

亦俠亦盜

每一種生物，憑其外貌形態、生長歷程與生命特徵，在不同的文化中被賦予了獨特的文化意味。例如，竹子，在東亞文化圈中，象徵超然或正面的意涵。它是歲寒三友的要角，是花中四君子的一員，是日本「竹取物語」的發想起源，更是名校交通大學的象徵。

回歸於日常生活，竹子也一直是千百年來，人類生活中身兼多職的重要植物。作為建材，撐起了濕熱雨季的涼爽住宅；化做竹筏，承載了水鄉澤國的熙攘往來；憑藉工藝，以笙管笛簫之貌，譜寫出文化的世代交替；時至今日，蕨芽初長的竹筍，炊香後更是令人垂涎的佳餚。

不過，竹林的意涵與功能，不一定都是好的。透過生態學家之觀點——邱志郁團隊進行的竹林土壤學研究——揭露出不同竹林在生態中扮演的不同角色，例如：孟宗竹是劫掠資源的大盜，而刺竹則是營造希望的俠客。

大盜孟宗竹

孟宗竹，原產於中國大陸長江以南的溫帶地區，近百年前引進臺灣本島，適宜生長在氣候涼爽，海拔約 150-1600 公尺的中海拔地區，在臺灣以南投縣與嘉義縣種植最多。例如位於南投的「孟宗竹林古戰場」，是一片高聳入天的竹林，猶如電影「臥虎藏龍」裡的奇幻竹海。而孟宗竹的新生組織，就是我們常吃的竹筍，因採收季節的差異，而又有「冬筍」與「春筍」的不同稱呼。

然而，從生態的觀點來看，孟宗竹是個先天強勢的外來入侵物種，伴隨經濟誘因的人為操作，會逐漸蠶食摧毀森林。

孟宗竹具備「地下走莖」與生長快速的特色，能在地底下將竹林往外擴散蔓延，當竹筍從地下走莖伸出地表時，能迅速抽長生長，尋由林間的孔隙爭取獲致陽光的機會，若能達到既有林地的樹冠層高度，即已立於不敗之地。

孟宗竹林透過無孔不入的滲透本領，逐漸佔滿樹冠層的空隙，使日光難以照至地面，最終使得林木的幼苗因陽光不足而枯死，而既有林木也逐漸因自然老化而減少，使得森林衰退而被竹林取代。

除了先天生長快速和往外蔓延的本領，竹葉亦含有抑制其他植物生長的酚酸物質，也助長其生長優勢。此外，孟宗竹及其竹筍的經濟價值，也促使部分農人刻意損傷竹林邊緣的樹木，更加助長竹林生長擴張，以增加採收竹筍的機會。

孟宗竹林的擴張，除了侵略原有森林的空間，而使得生物多樣性降低以外，孟宗竹林的侵入，也會影響該地「土壤性質」的變化。

除了有機物總含量減少以外，孟宗竹林也會改變土壤中不同性質有機物的組成比例。相比起杉木林與過渡帶，孟宗竹林中的易分解有機物比例明顯較高，透過核磁共振、光譜分析與化學酸水解定量等技術，證實有機物比例的改變，源自於竹林的枯枝落葉與杉木林枝葉的成分差異。

枯落物的組成差異，造成土壤有機物組成結構改變。

竹林枯落物的成分，以易於分解的碳水化合物為主；但杉木林的枯落物，則含有不易分解的木質素、單寧、蠟質等物質。杉木林土壤中的有機物分解速度較慢，也具備較高比例的耐分解有機物，可維持土壤中腐植層組成的穩定性；相對而言，竹林只補充較少量的耐分解有機物，長久下來，土壤中耐分解有機物的成分會逐漸降低。

為了利用孟宗竹的經濟價值，人類經常砍伐竹林與採集竹筍，會連帶影響到竹林的土壤性質。因為砍伐竹林會直接帶走該塊土地的有機物；而採集竹筍因需翻動土壤，更會加速土壤有機物的分解，而使地力逐漸耗損。特別是耐分解性有機物，可以結合土壤礦物、形成穩定的團粒結構，而團粒結構之間的空隙，能使土壤具備保水、排水、透氣與蘊含養分的功能。孟宗竹林枯枝落葉只能貢獻較少的耐分解有機物，又加上人為頻繁翻動土壤，促進有機物分解，長期而言，耐分解有機物含量日漸減少，將造成土壤劣化。

因此，當土地長期被孟宗竹林佔據、並逐漸擴張時，會影響到森林健康且危及水土保持的機能。

除了觀察土壤性質，從微觀尺度來看微生物族群的組成，孟宗竹林土壤中的細菌多樣性高於杉木林。進一步分析微生物（包括細菌和真菌）族群結構，可發現孟宗竹林與過渡帶的微生物族群結構相似，但與杉木林截然不同，如下方兩張圖片所示。

雖然我們常認為自然界中生物多樣性越豐富越好，但對於森林土壤微生物的多樣性而言，則是不同的概念。

生態系的干擾和棲地破壞，會造成數量有限的高等動植物無法維持正常繁衍甚至滅絕，導致物種多樣性迅速減少。因為高等動植物原本數量就較為稀少，繁衍世代所需的時間也較長，當環境受到破壞時，個體數量遽減，可能導致滅絕，因此造成生物多樣性下降。

相對而言，孟宗竹林土壤微生物多樣性的增加，這現象主因是生態系被干擾，而改變微生物生存的環境壓力。例如，採收竹筍翻動土壤，會促進土壤有機物分解，釋放大量的養分。由於土壤中原本潛伏種類多樣、呈現休眠狀態的微生物，一旦環境中增加了大量養分，會促使各種微生物大量滋生。

原本個體數量稀少或維持休眠的微生物族群也被喚醒，爭相繁衍，引爆了微生物的多樣性。

如同城市汙水的微生物多樣性，會遠高於清澈溪水，但並不代表城市汙水的生態狀況較好。同樣地，當孟宗竹林土壤易分解的有機質變多，使環境壓力下降，就有利於微生物生長。

由此可見孟宗竹林的入侵，呈現表面繁榮的假象，實質不僅使土壤的品質劣化，更根本性地改變了整體生態。極為諷刺地，自古被文人雅士們歌頌志節的竹子，對森林生態系來說卻是個霸占掠奪資源、劣化土地的大盜。

義俠刺竹

忠義之士往往起於草莽之間。不若大盜般的孟宗竹，數百年來，「刺竹」則肩負起了保衛家園的任務，最近的研究更發現刺竹林有改善惡地土壤的生態功效。

刺竹，原產於中國大陸東南各省，數百年前隨漢人移居臺灣而被引入，普遍栽植於臺灣各地低海拔平地與丘陵。刺竹耐貧瘠、乾旱、水浸與強風，種植後可用來固定河堤，防止土壤被沖刷流失。又因竹桿基部密集且具備帶刺的枝條，構成類似鐵絲網的防衛功能，因此也常被先民種植於聚落四周當作圍籬，以抵抗盜賊與猛獸的侵擾。

日據時期，刺竹被引進種植於台南左鎮、龍崎與高雄田寮一帶，俗稱「月世界」的惡地。此類地形是由海底沉積的泥岩所構成，土壤質地緻密。隨板塊運動隆起浮出海面後，因質地黏重，使乾季時土壤堅硬而雨季濕滑；另因土壤間缺乏孔隙，難以洗去鹽分，呈現高鹽鹼性，不適合植物生長。

月世界的土壤缺乏孔隙，使得土壤排水性極差，下雨時因雨水無法向下滲透底層，而產生地表逕流沖蝕表土，最終形成了裸露崎嶇地貌。

然而，在這樣的惡劣環境，刺竹是少數能在惡地存續的優勢物種，特別是在較潮溼的北向坡，更可看到蔚然成林的刺竹林。

此外，透過有機物的累積和根部的延伸穿透，刺竹林也能增加惡地的土壤孔隙，使土壤保水能力增加，同時排水性質也變好，有助於洗去鹽類，並降低土壤的 pH 值。使惡地的土壤條件改善，而在未來能有利於其他植物的生存。

進一步分析土壤中的微生物族群結構，由於不同微生物物種的細胞膜的磷脂質脂肪酸組成種類與比例皆有差異，藉由此特性，利用氣相層析質譜儀 （GC-MS） 可判定土壤微生物的族群結構。結合統計上的主成分分析，可發現裸露地與刺竹林，呈現截然兩群不同的微生物群體。

再以 DNA 定序技術分析惡地的細菌種類，如下圖所示，裸露地土壤中「放線菌」與「 γ 變形菌」比例明顯較高，但細菌物種數量較少。而刺竹林中「酸桿菌」與「 α 變形菌」的比例則大幅提升。酸桿菌較適宜 pH 值較低的環境，是森林中的常見菌種，在裸露地則不存在。

刺竹林土壤中的細菌物種數量大幅增加，顯見刺竹林的生長，能改變土壤中的微生物族群結構，並增加微生物的多樣性。與前述孟宗竹林土壤微生物多樣性升高的概念相似之處，在於養分的供應和釋放；差異之處，在於刺竹林貢獻了彌足珍貴的有機物，得以讓瘠劣的月世界惡地土壤綻放生機；而孟宗竹林則是驕奢無度，揮霍原先樹林積累的資產。

相較於裸露地土壤貧乏的微生物多樣性，刺竹林中土壤微生物族群的增加與改變，亦有助於改善土壤物理化學性質，進而為未來其他植物的生長與生態演替，營造出有利的條件。

在萬物俱廢、生機凋零的月世界惡地，唯獨一身荊棘、生人勿近的刺竹林，以先驅者的角色在此綿延，更為後續演替的物種，奠基得以存續的立地條件。對比孟宗竹林侵占繁盛的森林，卻又揮霍剝奪土壤的有機質；刺竹林則是進駐凋敝殘破的惡地，貢獻極度欠缺的有機物。

孟宗竹林與刺竹林相比，儼然是生態系的地痞與俠客。

隨著分子生物學、細胞膜磷脂質成分分析、 DNA 鑑定等科學研究方法的建立與完備，研究團隊已能更有效率地理解自然現象，並建立解釋生態現象的理論。除了看透不同竹林的亦俠亦盜，目前也用於理解原始和次生林，以及紅樹林與水田土壤中的生命現象。

透過生態學家之觀點，讓我們能運籌帷幄於實驗室之中，決戰千里之外的山林惡地之巔。而研究也不只是發表於論文，邱志郁將竹筍在土壤中沉潛蓄勢待發的生態習性，隱喻為下方這首詩，融合對意中人的思慕，與期勉學子立定標竿、堅持不懈的心思。

延伸閱讀

• 邱志郁的個人網頁
• 〈綠逸詩情：竹林〉，作者：邱志郁
• 〈刺竹林明顯改善惡地土壤品質〉，作者：邱志郁
• 〈孟宗竹入侵杉木林促進土壤劣化〉，作者：邱志郁
• 〈雨中竹──三部曲〉，作者：邱志郁。《秋水詩刊》第 154 期，2012.7Lin, Y.T., Whtman, W.B., Coleman, D.C., Shiau, Y.J., Jien, S.H. and Chiu, C.Y.*, 2018, “The influences of thorny bamboo growth on the bacterial community in badland soils of southwestern Taiwan”, Land Degradation & Development, 29(8), 2728-2738.
• Shiau, Y.-J., Wang, H.-C., Chen, T.-H., Jien, S.-H., Tian, G., and Chiu, C.-Y.*, 2017, “Improvement in the biochemical and chemical properties of badland soils by thorny bamboo”, Scientific Reports, 7, 40561.
• Wang, H.C., Tian, G., and Chiu, C.Y.* , 2016, “Invasion of moso bamboo into a Japanese cedar plantation affects the chemical composition and humification of soil organic matter. ”, Scientific Reports, 6, 32211.
• Chang, E.H. and Chiu C.Y.* , 2015, “Changes in soil microbial community structure and activity in a cedar plantation invaded by moso bamboo ”, Applied Soil Ecology, 91, 1-7.
• Lin, Y.T., Tang, S.L., Pa, C.W., Whtman, W.B., Coleman, D.C. and Chiu C.Y. * 2014, “Changes in the soil bacterial communities in a cedar plantation invaded by moso bamboo”, Microb. Ecol. , 67, 421-429

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位