用「生物地球化學」探索物質循環的藍色海洋傳說！

本文由 江欣樺營養師 委託，泛科學企劃執行。

健康是無價之寶，想要有好的健康，有很多種方法，像是規律作息、持續運動或是飲食管控，但在忙碌的生活之中，要做到以上這些，並不容易。益生菌或許是另一個解方，輕巧的小包裝，便於攜帶，沒有重量，沒有負擔。別小看這些益生菌，雖然外表不起眼，卻暗藏許多健康密碼。

2012 年，國衛院實驗團隊發現腸道菌和大腦發炎、神經退化、 阿茲海默症有關，腸道菌的健康可能影響大腦和各器官健康狀況，經更多實驗後，發現腸道菌健康與益生菌的使用，跟身體器官的運作有密切關聯。

益生菌、腸道健康與身體健康的關聯性

腸道是人體最大的免疫器官，存在許多共生細菌，以及僅次於大腦的神經細胞數量，全身近一半的淋巴球也分佈在此。

淋巴球和神經元又與各器官產生相關的免疫及神經反應，像是常聽到腦－腸軸線、肺－腸軸線，都是指腸道與其他器官的連結。換句話說，腸道內的菌相，牽動的不只有腸道系統，而會透過腸道上的免疫及神經反應去影響其他器官。

腸道菌受飲食左右，像是亞洲人偏好澱粉，腸道用來分解醣類的普氏菌也較多；西方人喜好油炸物，腸道幫忙分解油脂的擬桿菌也較多。同理，補充益生菌也能改善菌相，進而影響身體健康。

益生菌？益生元？哪裡不一樣

益生菌可分為兩種：活菌、死菌，活菌能定殖在腸道，並不斷產生短鏈脂肪酸（如：乳酸、醋酸、丙酸、酪酸），能使腸道偏酸性，讓壞菌不易生存，有助於腸胃蠕動，降低腸道毒素。

死菌雖然不能像活菌一樣定殖在腸道，但有部分益生菌死掉之後所產生的代謝物，被研究證實是有幫助的，那麼這類型的死菌也可以被稱為後生元。
。腸道內存有好壞菌及伺機菌，益生菌的工作在於製造好菌、帶領伺機菌和抗衡壞菌，事實上益生菌並不會完全消滅壞菌，而是平衡好壞菌，讓菌相穩定，且適當的壞菌也有助於腸道健康。

在選購益生菌時，會發現市面上流通著許多種類，像是常見的 A 菌（嗜酸乳酸桿菌）、B 菌（比菲德氏菌）等，益生菌是以不同菌屬的開頭字母命名，不同的益生菌，就有不同的後生元，保健效果也不同。但這些菌都是指菌種，而菌種會因各廠商培育出的菌株產生差異，通常會以不同的專利名字區分（例如：TW01），效果當然也有差別。

另外還會注意到，有些產品標示「益生質／益生元」，指的是益生菌的食物，益生元常見的成分為果寡醣、半乳寡醣等，由 2～10 個單醣所構成，不易被人體分解，能提供碳源成為益生菌的養分。益生菌與益生元結合的產品稱為合生素，兩者等同於補好菌加上養好菌，可大大提升保健效果。

益生菌怎麼吃

補充益生菌能夠維持腸胃道健康、幫助排便和調節過敏體質，但也須注意食用方法，否則就功虧一簣。為了確保益生菌能發揮作用，食用時不可搭配過熱的開水，避免失去效用。

在選購益生菌時要注意！市面上常能看到各種口味的益生菌，希望透過豐富口味變化與繽紛的色彩來吸引消費者購買，但這類型的商品往往會添加大量的香料、甜味劑或者是果汁粉，但每條益生菌僅有兩公克的空間，你想吃的，是廉價添加物還是真正有幫助的好菌呢？

這類型的產品除了添加物的問題，還會養成小朋友嗜糖的習慣，糖類更是過敏的元凶之一，因此建議可以選擇有 100% 無添加認證的益生菌，來避免攝取不必要的人工添加物。基於健康考量，民眾可考慮選購含有益生元的產品。若是有服用抗生素的人，記得一定要使用益生菌恢復腸道菌相，但須與抗生素間隔 1－2 小時。

益生菌功效有哪些

常見的益生菌功效為保持腸道健康、調整過敏體質，但益生菌功效遠不僅如此。目前台灣有一株三效合一益生菌 Lactobacillus acidophilus TW01 證實可降低大腸癌風險、抗 PM2.5、活化免疫平衡。

TW01 是由創辦人——江欣樺營養師領軍耗時三年開發，研發經費高達已高達 2 千萬台幣。於 2023 年獲得國家新創獎，獲得國家肯定，也是該年度益生菌品類中唯一獲獎者。

TW01 是從國人日常飲食所延伸的靈感，根據統計，台灣人平均每年喝掉 122 杯咖啡，TW01 則是從古坑咖啡豆發酵液裡的上千株菌中，發現的唯一有效菌株，符合台灣人的飲食習慣。

TW01 進行 TH1 和 TH2 的免疫調節，降低過敏反應，還能促使免疫球蛋白 IgA 分泌，阻擋細菌對上皮細胞破壞，減少腸漏現象，跑到呼吸道的 IgA 可以對抗細菌、病毒和 PM2.5。從科學實驗來看，TW01 還能抑制大腸癌並幫助傷口修復，效果十分廣泛。

益生菌的好處非常多，小至腸道順暢，大至身體機能，江欣樺營養師表示：「吃益生菌有一個很重要的目標就是占地盤，好菌越多，就可以壓制壞菌地盤，又影響伺機菌，往好的方向走，穩固整個腸道菌相。」

益生菌的重要性在於增加好菌，持續服用。在忙碌的生活中，找到適合自己的方式，養成健康的習慣是對身體最好的保障。找到將益生菌納入日常生活的方式，並保持適當的飲食、規律的作息和適量的運動，健康相伴左右。

延伸閱讀

重新定義益生菌功效！新創益生菌 TW01 可降低大腸癌、抗 PM2.5

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。

• 採訪撰文／陳儀珈
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

你以為的大氣，不是真實的大氣！

大氣邊界層是人類的生活範圍，也是大部分空氣污染物存在的地方。然而，傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況，因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異，導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光，他是建立空品專題中心的主要推手，研究團隊從大氣結構出發，試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報，這項計畫集結了來自民生公共物聯網、國家高速網路與計算中心、環境保護署等跨部門的資源，以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

根據國際貨幣基金組織（IMF） 2021 年的報告，臺灣位列全球第 22 大經濟體，這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國，一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署（NASA）公布的地球夜景照中，我們彷彿可以看見，高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立，在又長又窄的西半邊，從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海，東部靠山，這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區，不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口，凝聚出商業與工業的巨大產能，更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員，請他從空氣品質與都市氣象學的角度，細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

臺灣雖然小，但空汙問題好複雜！

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里，以大氣尺度來看非常的小，然而，我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處，接受來自各方的空氣污染物，各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭，整個中西部更是在窄長的地域中，面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例，臺中位處於中央山脈西側的中央，本身是一個有數個開口的盆地，被多重大氣動力機制所影響，包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流，形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散，再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應，讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜，無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述，使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺灣在東北風的影響下，不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說，到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單，自歐洲工業革命開始，傳統大氣科學的理論都告訴人們：越高、風越大，只要把煙囪建得高高的，就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

「到了大陸國家，你會發現他們煙囪排出來的煙，經常是非常穩定的水平煙流，可以飄得很遠，這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題！」，然而反觀臺灣的煙囪，卻很少出現這樣的水平煙流。

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料，如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高，有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知，當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中，西部沿海風速最快的大氣區域（藍底），大約落在 200～400 公尺高之間，此區的風速大約為 5～6 公尺/秒左右，以東北風為主，是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上，到了 450～800 公尺左右，風速驟然下降（橘底），僅有 0.5～3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣，在兩個不同方向的風的對切之下，形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此，若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時，反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區；換個做法，如果煙囪低一點，才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉：低煙囪設計要相當謹慎，也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙（水蒸氣凝結），一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近，因此實務上還會特別做加熱設計，讓煙流先往上浮，再擴散，等於加高了煙囪的高度，這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題，污染排放點離民眾越近，當工廠發生緊急異常排放時，異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣？那就做出臺灣自己的資料吧！

這麼經典的高煙囪理論，為什麼不能用在臺灣？

周崇光表示，大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲，使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下，因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構，而中研院空品專題中心的目標之一，就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到：「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多，所以我們必須要更精確知道，臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子，才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況，那麼小一點的、近一點的國家呢？韓國、日本的有沒有參考的價值？

周崇光笑著說，「你知道嗎？臺中盆地也才 10 幾公里，但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上！」就算是韓國、日本，它們的地理空間也比臺灣大多了，而且地形也沒有這麼複雜。

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域，究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果？某種程度來說，這也許是個細思極恐的問題呀。

因此，為了國內空污氣象學的發展，搞懂臺灣的大氣邊界層（Atmospheric boundary layer）是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍，也是大部分的空氣污染物存在的地方，又被稱為行星邊界層（Planetary boundary layer）。在氣象學中，大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣，高度從地表一直到數百至數千公尺不等，是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而，傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形，因此，大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制，未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說，「坦白講，目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件，但我們仍然不斷的在努力，透過很多很多的調查、研究、模擬參數，漸漸地發展出半經驗、半理論的結構，最終的目標是歸納成一個系統性的成果，作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型，到回頭檢視國家的空污防制策略，大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的，藉由大氣科學研究的力量，才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足，「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟，有著極為厚實的研究經驗和基礎，然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作，中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標， 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心，成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外，如此一來，研究預算的匡列、人力的評估，都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究，在中心的管理之下，空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網，可以發現，目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高，由於空品狀況站數僅有 85 站，只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報，尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

因此，為了提供更先進的空氣品質預報，致力掌握國內 PM_2.5 及 O₃ 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」，是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一，此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支，集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式，並描繪空氣污染物的 3D 空間分布，預期能夠對臺灣地區 PM_2.5 及 O₃ 生成與傳輸過程進行更精確的模擬，進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」，由環保署統合高達 10,000 個感測器，就像是神經系統中的神經元，負責感知大氣環境中的變化，並透過民生公共物聯網提供的神經網路，將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦，而超級電腦就像是大腦一樣，提供強大的運算力，使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況，計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一，不同層級的靈敏度也有所落差，但隨著近年技術的進步和突破，微型感測器對 PM_2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度，目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器，環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器，透過高密度的監測數據進行資料分析，有效掌握全臺各地的空品狀態。

此外，此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求，協助推動臺灣感測器的產業，與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商，國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成，未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統，也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時，我們可以一填答就馬上得知正確答案時，就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題，不斷修正，找出最正確的解方。

同理，拜微型感測器遍布全臺之賜，大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果，有朝一日，國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源，將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM_2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠，因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM_2.5 預報資料，最終目標是精確到 1 km*1 km。

如何讓空氣品質變好，又不影響現有的生活？

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心，其中一個核心精神，就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質，也是科學進步的動力，不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦，往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣，如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用？經過科學研究的探索後，如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟？

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展，空品專題中心希望可以藉由科學的力量，更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外，像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說：「一路研究下去，我們開始疑惑，當初為什麼我們都傻傻的，把這麼多的大型污染源擺在海邊，讓海風把污染物往內陸帶？為什麼臺灣的國土利用那麼集中？」這一些命題，都是一環扣一環。

最後周崇光強調，「空氣品質絕對是應用導向的研究，因此，我們除了做科學，也要讓這些研究結果有願景、有視野，讓臺灣變得更好。」

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。

• 採訪撰文／陳儀珈
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

有變好，但還遠遠不夠好

空氣雖然平常摸不到也看不到，但是它大大影響我們的生存空間，例如每日上下班聞到的汽機車廢氣、巷口小吃店的油煙，以及其他隱藏在社區的 PM_2.5 污染源等。這些年下來，臺灣整體的空氣品質是變好還是變壞？中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光，請他深入談論空氣污染物 PM_2.5 和臭氧的變化趨勢，以及都市區空氣品質的首要難題：「衍生型 PM_2.5」。

臺灣的空氣品質到底有沒有進步？

2012 年 5 月，環境保護署發布「空氣品質標準修正草案」正式將 PM_2.5 納入臺灣空氣品質管制，從圖表中可以看到，自 2012 年以來，PM_2.5 的平均濃度的確有逐年降低的趨勢。

PM_2.5 除了逐年降低之外，大家也可以觀察到， PM_2.5 其實有非常強的「季節性」。

一般而言，秋天、冬天時，中西部大多位於中央山脈的背風面，風速微弱不易將污染物吹散，污染濃度相對高；反之春天、夏天時，因為擴散條件好，污染濃度就相對低。

因此，夏天時，臺灣各縣市的污染狀況差異不大，但一進入秋冬，污染濃度在空間分佈上就呈現出非常明顯的差異：中南部特別嚴重。

隨著時間推進，PM_2.5 污染正在逐漸改善，但整體而言，污染情況還是很嚴重，尤以中南部更為嚴峻。我們可以說，臺灣空氣品質在眾人努力之下慢慢變好，但我們離好的空氣品質仍然有一段很遙遠的距離。

「在變好，可是遠遠不夠好」周崇光這麼說。

大家的濃度都在降，除了臭氧？

前面已提到 PM_2.5 濃度逐年降低，其他空氣污染物諸如非甲烷碳氫化合物（NMHC）、氮氧化物（NOx）的數據都有逐年下降的趨勢，但臭氧（O₃）一枝獨秀，不僅沒有變少，有時甚至還會有上升的跡象。

這到底發生了什麼事？

若想要了解箇中原因，我們必須回顧臭氧的形成機制，與都市的光化學煙霧（Photochemical smog）有關（見下圖）。

首先，氮氧化物（NOx）和揮發性有機化合物（VOCs），是形成臭氧（O₃）的主要前驅物。

二氧化氮（NO₂）在紫外線的照射下（hν 表示能量），會分解成一氧化氮（NO）和一顆氧原子（O），當這顆氧原子碰到氧氣（O₂）時，就跑出臭氧（O₃）。

當揮發性有機化合物（VOCs）碰上氫氧自由基（OH·）時，會被氫氧自由基氧化形成有機過氧自由基（RO₂·），有機過氧自由基隨後會氧化一氧化氮（NO），並使二氧化氮（NO₂）再生回來，由此可在大氣中循環產生臭氧。

等等，那臭氧持續上升的原因是？

雖然 NO₂ 被紫外線分解後會產生 NO 和 O₃，要注意的是 NO 碰上 O₃ 時，又會反應為 NO₂，於是 NO—NO₂—O₃ 在大氣中保持著動態的平衡關係，因此當我們減少一氧化氮的污染時，上述的光化學平衡就會有利於增加臭氧的濃度。

而在過去這些年，我國的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少，一氧化氮也相應下降，當一氧化氮越來越少的時候，也越來越少的臭氧會被轉化成二氧化氮，使得累積在空氣中的臭氧變多了。

因此，我們在下圖可看到，代表臭氧的紅線上升了，而代表二氧化氮的綠線下降了。

既然無論空氣品質變好或變壞，臭氧的濃度都很高，甚至都會變高，那麼研究人員到底該怎麼確認整體空氣品質真的有所改善？

周崇光指出，事實上，只要將「臭氧和二氧化氮的濃度加起來」，統合為「大氣氧化劑的濃度」，並和其他污染物進行比對，就可以從數據中確認：即使臭氧的濃度上升，但兩者總和的數據是減少的、空氣品質的確正在改善！不過還要更加努力才能克服上述的困境，進而成功降低大氣中臭氧的濃度。

衍生型 PM_2.5：都市空氣品質的挑戰

我們總是用 PM_2.5 來統稱粒徑小於或等於 2.5 微米的細懸浮微粒，用 PM₁₀ 統稱粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒，也就是說，它指的是粒徑在某個尺寸內的粒子濃度。

然而，你有沒有想過，這些懸浮微粒到底包含了哪些東西呢？

周崇光笑著說，「裡面五花八門，什麼怪東西都有啦！」，懸浮微粒的成分可是高達上百種呢！

臺灣的 PM_2.5 組成非常複雜，像是海鹽、元素碳（也稱黑碳，EC）、硝酸離子（NO₃-）、硫酸離子（SO₄²-）、銨離子（NH₄⁺）、重金屬、以及各式各樣的有機化合物等等，不同縣市的組成分布也有所差異。

比較中研院過去（2003-2009）與環保署最近（2017-2021）各自調查的 PM_2.5 化學組成，近五年來雖然臺灣 PM_2.5 整體濃度下降了，但是 PM_2.5 主要的組成分布則沒有明顯改變。

周崇光提到，要解決臺灣的 PM_2.5 空污問題，減少衍生型 PM_2.5 才是主線！

與黑碳、海鹽這些直接來自大自然或人為產生的「原生」微粒不同，大部分硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機微粒是在大氣中經過複雜化學反應「衍生」而成的，因此稱為「衍生型 PM_2.5」。

衍生型微粒的生成，除了需要有特定的前驅氣體，例如：SO₂ 氧化後產生硫酸鹽、NO₂ 氧化後產生硝酸鹽，以及有機氣體氧化後產生有機微粒等；還需要有促成反應的大氣氧化劑，例如：臭氧（O₃）和氫氧自由基。

這顯示出臺灣的 PM_2.5 跟臭氧是一體兩面的空污難題。

由於高濃度的衍生型 PM_2.5 在人類肉眼來看宛若煙霧一般，再加上是由一系列光化學反應而成，因此又稱為光化學煙霧。

中研院團隊過去幾年持續在臺灣地區進行的 PM_2.5 的化學特徵調查，研究顯示，衍生型 PM_2.5 在細懸浮微粒污染中佔據了非常大的比例（>70％）。然而可惜的是，礙於儀器技術的關係，團隊無法在全臺灣遍布監測 PM_2.5 成分的儀器。

若是想要將不同來源的 PM_2.5 化學成分準確即時的分析出來，這樣的儀器造價不菲。因此周崇光表示，在光化學煙霧的議題上，大氣科學家的目標並非獲得長期連續的監測資料，而是在關鍵的幾個研究站中，致力於找出光化學煙霧的基礎理論架構和反應機制，並協助政府機關制定防制策略。

就在臺中！全臺第一座都市空氣污染研究站

為了釐清城市臭氧和 PM_2.5 濃度變異的物理化學機制，中央研究院環變中心底下的空氣品質專題中心於 2021 年底，在臺中建立了全臺第一座整合都市氣象學和大氣化學的研究站，是國內目前最完整的大氣物理化學監測站。

在這個研究站中，大氣科學家除了可以即時監測 PM_2.5 的濃度，也可以掌握懸浮微粒的化學成分，包括量測揮發性有機物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化氮、臭氧等微粒前驅污染物的濃度變化，藉此釐清都市空品的關鍵因子，協助研擬污染防制策略。

然而，為什麼要將研究站設立在臺中呢？周崇光表示，「無論是人口、能源、地理位置，還是大氣科學的角度，臺中均有著特殊的價值和意義」。

在空氣品質不佳的中西部之中，臺中不僅是人口數最多的都市，地理位置也讓臺中的邊界層條件具有相當高的複雜性，若能破解臺中盆地大氣環流的詳細機制，將對都市氣象學帶來可觀的突破，而臺中火力發電廠的污染和牽涉的能源議題，更是國內社會相當關注的重要焦點，因此，中研院空品專題中心最終決定將研究站設立於臺中。

中研院空品專題中心預計在三年後（2025 年），於臺中研究站取得第一階段的經驗和資料，隨後延伸應用至臺灣的其他城市，希望能透過學術研究與各單位協作逐步解決都市空氣品質的問題，突破當前空氣污染防制的瓶頸。

「海洋生物地球化學」是在研究什麼？

由於生物生長及繁殖所需物質能在地球循環及供應，生命也才得以在這個世界生生不息，這個重要的循環過程，在生命之母的「海洋」也正時時刻刻進行中，而負責循環物質的關鍵主角之一，就是遍布全球上層海洋的「浮游植物（Phytoplankton）」。

中研院環境變遷研究中心何東垣團隊，在南海、西菲律賓海、西北太平洋與實驗室之間航行，探索控制不同浮游植物生長及分佈的環境因子，進而刻劃出物質在海洋及地球循環的軌跡。

很多人聽到我在研究海洋，就以為我是在研究魚，但其實不是，海洋中物質的循環機制才是海洋生物地球化學最核心的問題！── 何東垣研究員

海洋佔了地球總面積 71% ，在地球生命所需物質的循環，扮演關鍵的角色。

以黑潮為例，黑潮是西北太平洋的主要風吹流，由太平洋北赤道洋流流至菲律賓東部、往北再流經台灣東邊，當黑潮流經台灣東北角時，因海底地形變淺，含有相對高量營養鹽的海水因而湧升，提供給表層海水中的浮游植物豐富營養鹽，進而在台灣東北海域形成漁場。

許多常年行走在陸地上的人們，把享受黑潮帶來溫暖的氣候及豐富的漁產視為理所當然，不見得體會到海洋對我們生活的重要性，恐怕更難意識到人類的所作所為將對海洋產生的影響，要了解這個影響可能的後果，先讓我們來看看海洋中的物質如何循環。

浮游植物：海洋中的物質循環交給我

海中的鯨魚雖然巨大，但對全球物質循環的影響，卻比浮游植物小很多。 因為浮游植物生長很快、消逝也很快，因此一旦影響生存的海洋環境條件稍有改變，不同族群的輪替也十分劇烈。

海洋生物地球化學的兩大主角，分別是「浮游植物」及其所需的「營養物質」。

浮游植物需要這些營養物質才能生長，但營養物質又源自於浮游植物的分解作用而產生，營養物質在海洋中循環，因而讓浮游生物及生物鏈中的生命得以生生不息。

試著回想去海邊的經驗，若在海水表層用手撈，可能撈不到魚，而是撈起一堆看得見或看不見的浮游植物。若將這些浮游植物帶回實驗室，去除浮游植物體內的水份、並分析其元素組成，數量排名前三名的元素是「碳、氮、磷」，也就是浮游植物的必要營養元素。

浮游植物形成蛋白質需要「氮」，複製 DNA 或 RNA 需要「磷」，許多酵素發揮作用還需要「微量金屬元素」，例如鐵。當海洋中這些必要的營養物質缺乏時，浮游植物的生存會受到限制，若這些營養物質大量進入海裡，浮游植物就會大量生長繁殖。

在中研院環境變遷研究中心，何東垣帶領團隊成員，搭乘研究船親身前往台灣週邊海域採樣，也在東沙國際研究站採樣，研究海洋中微量金屬元素如何影響浮游植物的生長及族群結構變化。

不只是一片海的事，物質供應的變動改寫地球氣候

海洋中的物質循環如何引起「全球尺度」的改變？何東垣以科學家 Konhauser 在 2009 年根據特定時期岩石中鎳（Ni）含量的下降所提出的鎳假說（Ni hypothesis）為例。

海洋由「厭氧條件」轉換成「有氧環境」，是地球生物演化的一個重大關鍵，鎳假說提出這是因為鎳供應不足所造成。

生物體內許多關鍵生化反應，都由「酶」或稱「酵素（Enzyme）」催化進行。酶由許多胺基酸組成，其中最重要的活化區（Active site），大多數由金屬擔當。因此，若生物缺乏特定金屬的吸收、或吸收不足，需要這些金屬的酶就不能作用，生物的生長繁殖便受到限制。

在地球形成初期，已知古代海洋中有非常非常多「甲烷菌」，而甲烷菌形成甲烷的過程中，必須使用三個關鍵含有「鎳」的酶。

這個假說提出：當時鎳主要透過火山的高溫噴發供應至海洋中，隨著地球逐步冷卻、火山活動下降，鎳在海洋的供應量也快速下降。當古代海洋中鎳的供應量下降，導致甲烷菌所產生的甲烷下降，行光合作用的「浮游植物」便逐漸地取代甲烷菌而成為海洋中的優勢生物，讓氧氣得以在海洋及大氣中累積，才進而引發後續生物在海洋及陸地的演化。到底鎳假說是真是假？尚待科學家進一步驗證。

但是在現代的地球大氣環境中，人為活動所生成的物質正大量釋放到大氣中，這些物質中的大部分終將沉降到海洋表面，悄悄並劇烈地改變海洋中的物質循環，而這個物質你我也身受其害──那就是「人為產生的氣膠 （Anthropogenic aerosol）」。

氣膠 PM2.5 來襲！海洋中的微量金屬元素供應激增！

人為產生氣膠，也就是大家熟知的 PM2.5，透過大氣傳輸，挾帶著大量可溶解的微量金屬元素，沉降於海洋表面，足以改變浮游植物的族群結構及物質循環。

當東亞陸地上的人們受 PM2.5 所苦， PM2.5 同時也「飄洋過海」進入海洋，西北太平洋上的浮游植物也同受 PM2.5 所苦。

也許單看這個地圖沒有實感，但接下來這張圖片，恐怕會讓人驚呆了。何東垣團隊在東沙島採樣站，用濾紙蒐集 2011 年 1 月東北季風從中國吹來的氣膠，並放大 2000 倍率觀察，看見許多挾帶砂石與微量金屬元素的顆粒。

人們知道 PM2.5 吸入體內，短期內就會造成過敏、氣喘等病症，長期甚至會引發更嚴重的疾病；這浮游植物從未見過的 PM2.5 溶入海洋後，會對海洋生態系產生什麼影響？

為了尋找這個問題的答案，何東垣團隊在南海東沙及西菲律賓海採集氣膠，同時採集海水中不同大小的浮游植物，回到實驗室分析浮游植物的微量元素及同位素組成，同時也利用實驗室中控制變因下的養殖實驗評估人為產生氣膠如何影響浮游植物的生長及族群結構。

研究結果發現，東亞人為氣膠溶解沉降在西菲律賓海的海水表面，會吸附或膠結在浮游植物細胞表面，大幅度提高浮游植物表面的微量金屬濃度，比值遠高於過往文獻紀錄浮游植物細胞的元素組成，也高於其他主要海洋的浮游植物組成。

由於這些人為產生的氣膠來自於石化燃料燃燒、各式人為活動、工廠廢氣，不僅含有相當高量的微量金屬元素，也含有各式氮及磷相關的化合物，這些氣膠的沉降將進一步改變浮游植物的生存條件與族群結構。

幾十年前冬天及春天季風所吹來的只是沙塵，可是這幾十年來除了沙塵之外，還同時吹來大量在東亞所產生的汙染物質。這些大氣傳送來的人為汙染物，不僅影響人的健康，也必將影響海洋生態系統的健康。

物質循環很重要，認識海洋熱忱的循環也很重要！

海洋如此廣大，要探究其物質循環全貌，需要更多人一同參與，也並非只能透過嚴肅的論文了解。

除了專業學術研究，何東垣也與畫家黃雅玲聯手推出《看漫畫學海洋》科普教材，用親切的圖畫讓小朋友也能接觸海洋科學的概念，認識海洋、擁有與地球一體的感覺，從海洋的視角培養國際觀，讓思維不局限於台灣陸地。

從小在一個純樸小漁港的苗栗小鎮（苑裡）長大，在一片美麗白沙的通霄海水浴場玩水，在夢幻夕陽美景的西子灣讀大學、又到充滿各式原始天然海灘的澎湖服役，對海洋充滿好奇的初心，就像洋流般將何東垣帶往科學研究的領域，這人生旅程的選擇應當不是偶然。

在動畫《海洋奇緣》中，由於過去的慘痛經歷，一開始酋長爸爸極力阻止女主角 Moana 接近海洋，警告 Moana 海洋很危險，待在物產豐富、平靜安全的島嶼內就好，但當島嶼內面臨危機時， Moana 受到奶奶的鼓勵，鼓起勇氣向外出航冒險，經歷一連串的考驗經歷後，生命因而成長，海洋也教會她許多事，也因而找回地球的生態與物質平衡……。

我們是否也當如同 Moana 一般，勇於體驗？勇於經歷？ 勇於挑戰？

延伸閱讀

• 何東垣的個人網頁
• 何東垣的海洋生物地球化學實驗室
• 《看漫畫學海洋》，作者：何東垣、黃雅玲

執行編輯｜林婷嫻　美術編輯｜張語辰

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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