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抗菌有悔:飼養家禽不用抗生素,那抗菌劑呢?

社團法人台灣國際生命科學會_96
・2017/12/18 ・2350字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 614 ・十年級

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文/周崇熙
美國密西西比州立大學獸醫學博士。現任國立臺灣大學獸醫專業學院教授,曾任臺大人畜共通傳染病研究中心主任,目前同時兼任臺大環安衛中心副主任。研究專長為獸醫微生物學、獸醫公共衛生學及家禽疾病學。

Source:Pixabay

家禽的快速生產滿足了人類的生命所需,這快速生長的幕後推手,並非傳言中的生長激素,而是育種的成效、禽舍的改善、飼料的改良和疫苗的進化,其中抗菌劑的使用也是重要功臣之一。

本期ILSI Taiwan專欄邀請臺灣大學獸醫專業學院周崇熙教授撰文,闡述隨著全球消費者食安及環保意識的抬頭,抗菌劑的使用對生態傷害的影響逐漸受重視,「無抗飼養」將是家禽產業新一波的升級重點,身為消費者的你我都可以是畜牧業再升級的重要推手。

抗菌劑的使用與抗藥性菌株的出現息息相關

1928 年 9 月 28 日是人類第一天發現抗菌劑的日子,自此抗菌劑被廣泛使用於預防或治療人類與動物的細菌感染症,但抗藥性菌株比例升高的現象也伴隨而生,逐漸對治療的成功率造成威脅。儘管細菌產生抗藥性的機轉十分複雜,但使用抗菌劑所產生的篩選壓力的確是抗藥性出現的重要因素。

抗菌劑的使用與抗藥性菌株的出現息息相關。 圖/ ILSI Taiwan

許多研究證實,抗菌劑使用的數量、種類及適時性與抗藥性菌株的出現息息相關,有些研究更進一步指出,動物用抗菌劑的大量使用與抗藥性菌株的出現之間也有正向關聯,進而嚴重壓縮了人類疾病治療的空間。

抗藥性細菌在人類、動物、環境間相互影響

隨著不斷累積的研究與觀察,傳統上認為人類與動物細菌間抗藥性的傳遞方式,已逐漸納入了「環境」因素。抗菌劑使用的增加,造成環境中抗藥性菌株比例上升,在其無遠弗屆地進入陸地與水域後,最終導致抗藥性細菌可藉由人類、動物、環境互相傳播的複雜關係。抗菌劑的使用所延伸出的抗藥性問題已成為威脅著病人照護、公共衛生、農業與經濟及國家安全的重大議題,對人類、畜殖動物所造成的「生態傷害」也逐漸受重視。

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抗菌劑使用的增加,造成環境中抗藥性菌株比例上升,在其無遠弗屆地進入陸地與水域後,最終導致抗藥性細菌可藉由人類、動物、環境互相傳播的複雜關係。 圖/ ILSI Taiwan

追求生態永續,「無抗飼養」成為畜牧業新潮流!

一般而言,畜牧業使用抗菌劑之目的主要有三項:

(1)預防家畜禽生病
(2)家畜禽生病時用於治療
(3)將低劑量的抗菌劑添加於飼料中,可能有促進家禽生長的功能。

為了保障人類與動物的用藥選擇,近年來相關國際組織極力倡導須謹慎使用抗菌劑,在此思維之下,促進家畜禽生長並非使用抗菌劑的必要因素。

歐盟自 2006 年起全面禁止對產食動物的飼料添加非治療用途的抗菌劑,這類的抗菌劑一般稱為「抗菌劑促生長飼料添加劑」(Antibiotic Growth-Promoters, AGP, 或稱為含藥物飼料添加物),主要以預防細菌性疾病及可能有促進家畜禽生長的功能為產業所喜用。此一「無抗菌劑促生長飼料添加劑飼養」(簡稱「無抗飼養」)的趨勢,已漸漸被許多國家認同並著手跟進,面對全球消費者食安及環保意識的抬頭,「無抗飼養」將是家禽產業新一波的升級重點。

「無抗飼養」進行式:政府與業界如何努力?

不過,人類在家禽產業使用「抗菌劑促生長飼料添加劑」已有數十年的歷史,在現代家禽密集式飼養模式下,直接跨入「無抗飼養」模式,初期勢必造成生產成本增加的衝擊,包括生長表現降低、疾病損失率提高等,因此許多國家採取漸進式的改革手段。美國預定將人類醫學重要性之抗菌劑(human medically important) [1] 全數轉為處方用藥,但保留動物使用非人類醫學重要性之抗菌劑(non-medically important)。我國則逐年刪減可使用的含藥物飼料添加物品項,目前仍有包括 Tylosin 等 14 項[2] 可使用之抗菌劑製品。

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然而能夠真正引領產業進步的,絕對是消費者的意願與決心。知名連鎖速食業者宣布,將於 2027 年內達成其全球門市停止使用「以人類醫學重要性的抗菌劑飼養或治療」的雞肉原料,意即其飼養全程都不能使用這些抗菌劑預防或治療,以善盡食品產業的社會領頭責任,隨後各大速食業者也紛紛宣布響應。這種改善手段,至少先行限制了同類藥物做為動物的生長促進劑或治療,讓人類使用抗菌劑治療的緊繃困境稍有喘息的空間。

而臺灣的白肉雞養殖時程為 33 – 36 天,主要供給超市及速食業者,每年的屠宰總量約為二億隻。在政府的監督下,所有合格屠宰的雞群於屠宰前都經過足夠日程的停藥期,因此只要是購買經過合格屠宰檢驗的雞肉產品,曾經使用過的(預防型或治療型)抗菌劑早就從雞隻體內代謝,消費者並不會吃到殘留在雞肉內的抗菌劑。

圖/ ILSI Taiwan

我們都是引領產業進步的關鍵

就前述保障人類用藥選擇及降低環境傷害的生態永續思維下,跟上國際「無抗飼養」潮流將是必需的。在家禽的飼養過程中以益生菌、植物萃取物等添加劑取代抗菌劑,並改善生產環境以提升飼養品質,都是可行的輔導方案。但是一如前述,真正能引領產業進步的絕對是消費者的意願與決心,有了消費市場的支持,才能鼓勵生產者做出更新的提升。

消費者不僅僅是簡單地「消費」產品,而是要透過採購來主動展現他們對食品「善的願望」。

因此教育消費者、改變消費者的觀念才是改善任何食安問題的重要步驟。永續與健康是我們的目標,農業的生產方法是有選擇,但消費者的想法需要先行改變。

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注解

  • 注 1:包括 Tylosin、Tilmicosin、Spiramycin、Oxolinic acid、Oleandomycin、Kitasamycin、Josamycin、Flumequine、Erythromycin、Enrofloxacin、Danofloxacin、Colistin 等 12 種抗菌劑。
  • 注 2:可參考台灣農委會動植物防疫檢驗局公告之「含藥物飼料添加物之種類及品目」。

本文轉載自 ILSI Taiwan 專欄 2017 年 10 月號,原標題為「臺灣家禽飼養的「前瞻計畫」─談無抗飼養

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社團法人台灣國際生命科學會_96
28 篇文章 ・ 8 位粉絲
創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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抗生素造成人類肥胖?
陸子鈞
・2012/08/26 ・1149字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

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credit: CC by rltherichman@flickr

畜牧業長期以來對牛、豬、雞施用抗生素,能使動物快速增加體重。現在一則發表在《Nature》的研究聲稱,抗生素可能也會使孩童快速增重。專家認為,在孩童發育的關鍵期如果抗生素改變腸道菌的組成,將會造成長期的影響。

有些科學家則質疑這項結論。像是德國波茨坦-芮柏魯克人類營養研究所(German Institute of Human Nutrition Potsdam Rehbruecke)的微生物學家布勞特(Michael Blaut)就認為研究數據「不足以採信」。另外還有史丹佛醫學院的微生物學家雷曼(David Relman)也認為這項研究「令人興奮,但是數據不夠明確。」

上億隻微生物棲息在人類和其他動物的腸道中。科學家才正開始研究這群龐大的細菌,稱為「微生物聚落基因組」(microbiomes)。不過已經有研究結果證實,一些種類的腸道菌對於人體從飲食攝取養分扮演關鍵的角色。部分科學家就推測,原先用於使家禽家畜增加體重的低劑量抗生素,可能也因為改變人類腸道菌的組成而造成肥胖。

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為了驗證這推測,紐約大學醫學院的微生物學家巴索(Martin Blaser),就設計了一系列的實驗,將抗生素加入水中,讓剛斷奶的幼鼠飲用。添加的抗生素有盤尼西林和萬古黴素的混合,或者氯四環黴素,皆為美國食品藥物管制局(FDA)核可畜牧使用的劑量。七週之後,飲用添有抗生素的水那組老鼠,明顯比飲用自來水的對照組老鼠還胖。巴索說:「實驗結果和六十多年來畜牧業的經驗一樣,低劑量的抗生素會讓動物變胖。」

哥本哈根大學的基因醫學教授佩德森(Oluf Pedersen)提到:「如果在其他動物-像是豬身上也得到一樣的實驗結果,那麼的確該認真思考對公共健康的影響。」

抗生素並沒有減少體內微生物的總數,而是改變種類的組成。從DNA組成分析的結果發現,和對照組的老鼠相比,施用抗生素那組老鼠體內有較多Firmicutes菌;巴索認為Firmicutes菌能從食物中擷取更多的卡路里,讓宿主吸收。

巴索參與另一項發表在《肥胖國際期刊》(International Journal of Obesity)的研究顯示「嬰兒時期使用抗生素和孩童肥胖的關係」。研究人員分析1991到1992年間超過1萬1千名,在英國雅方(Avon)的資料。這些在出生後六週內有使用抗生素的孩童,有較高比例在10、20和38月齡時過重。該報告的第一作者崔山德(Leonardo Trasande)強調:「這只是兩者間有關連性,不表示有因果關係。不過和《Nature》的研究合起來看,就是個完整的故事。」

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研究也顯示給嬰兒施用抗生素不是一件恰當的舉動,但有時卻又不得已這麼做;抗生素通常都在情況慌亂時被使用,有失謹慎。

質疑這項研究結論的科學家則是認為,體重的差異不大,而且沒有證據顯示施用抗生素和七歲時體重的關係。實驗用老鼠和人類也很不一樣,不適合將老鼠身上得到的結果推論到人類嬰兒上。雷曼認為:「和老鼠不同,孩童沒有持續接觸抗生素,且對壽命只有兩三年的老鼠來說,『七週』是很長的時間。」

資料來源:Do Antibiotics Make Us Fat? ScienceNow [22 August 2012]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。