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後宮淨水記:這水竟然有毒?別怕,濾個水就沒事了

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2019/04/12 ・4259字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

本文由益之源贊助,泛科學企劃執行

  • 文/李赫

這日,太醫照例進宮中替娘娘診平安脈。但見娘娘身體康健、臉色紅潤,對著娘娘身旁的小宮女交代了幾句平時保養的注意事項,原本就是熟慣了的流程,太醫行了禮即盤算著告退。

但見娘娘的臉色和悅:「勞煩太醫了,新春的貢茶剛剛分派份例,兄長並於終南山新得泉水一處,今早剛剛也送了進來。請太醫一同品茶吧。」,這太醫原本極嗜品茶是眾人皆知之事,聞言只妥妥謝了恩,等著品好茶。

娘娘並非精擅茶道之人,只吩咐了身旁的宮女好好沏茶。

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客氣接過了茶水的太醫欲言又止「這個茶……」。

喝個茶,難道也被暗算了嗎?圖/pixabay

娘娘反而緊張了起來:「這茶可有不妥?我想著是慣常的份例,也就沒有特意著人探看,該不會反而遭了哪個黑心的毒手。早知道就不該太輕信了這些奴才,這宮裡頭的人情來往……以下腦補一千字內心戲。」

「茶是好茶。」太醫掐著娘娘一串未完喘氣的空檔插話:「是水有不妥。」他讓娘娘指使宮女將所謂的「泉水」提進來。

「可……可那是兄長送來的啊!怎麼可能有差錯,莫不是家裡人居然讓人插了奸細,這該怎麼可好?」娘娘揪著小手帕力求鎮靜,眼看一杯茶引發的外戚國舅家腥風血雨即將開場。

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「啟稟娘娘,水應當沒教人做了手腳。」太醫看了眼來自遠方的泉水,嘆了口氣:「娘娘有所不知,無論來自何方,水中本來就很多雜質!」

最佳的溶劑,水中有哪些雜質?

眼看娘娘仍是一臉茫然,太醫只得細細解釋:「水可載舟亦可覆舟,我們日常那些髒污既然是用水清洗了,那麼不管哪樣來由的水,裡面都有可能有雜質,這個是當然。

水中的雜質如果依據顆粒大小可以分成三大類:可分成懸浮物質、膠體和溶解物質三大類。渾濁的水就充滿了懸浮物質,其大小肉眼可見,主要是由泥沙、粘土、原生動物、藻類、細菌、病毒、以及高分子有機物等組成,常常懸浮在水流之中,也都是由此類物質所造成。其次為膠體,是許多離子和分子的集合物。天然水中的無機礦物質膠體主要是鐵、鋁和矽的化合物,有機膠體物質則主要是腐殖質。而更小的雜質就是所謂的溶解物質了,主要是溶解於水中的低分子量分子、鹽類、離子和氣體。

水中雜質含量甚是多元,固然有許多是好的,像是許多名泉之所以起來格外甘甜,無外乎是由於泉水中含有特定礦物質,娘娘想必也知。礦物質是對身體有好處的。但水裡也會有許多雜質可能有致病的風險,如果不過濾直接喝下,假以時日必定會對身體造成危害。」

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娘娘一邊聽著一邊點頭:「幸好太醫留心,本宮獲益良多啊!那不好的雜質會有些害處呢?」

「若論水中會危害人體的雜質,大約也可以分成三類:有機物、無機物以及微生物。

有機物最有影響的種類就是農藥了。聯合國相關機構研究證實,有機磷農藥特別對兒童的神經系統有嚴重影響。而長時間低劑量的農藥累積,最終會造成內分泌系統受化學物質嚴重干擾、神經系統損傷、甚至增加致癌風險。

而無機物中,危害最重的莫過於重金屬物質,即使在低濃度的情況下,就足以對身體構成損害。最嚴重的是會影響生殖系統和胚胎發展,因為胎盤無法隔絕重金屬,胚胎就會直接受到影響。而婦女受重金屬影響,可引致不、流產、荷爾蒙失調及誕下胎。

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最後,許多疫病就是由沒有處理妥當的水源傳染的,以水為傳播媒介的病源包括細菌性的傷寒桿菌、副傷寒桿菌、霍亂弧菌、痢疾桿菌等;病毒型的疾病甲型肝炎病毒、脊髓灰質炎病毒、柯薩奇病毒和腺病毒等;甚至水中的原蟲如賈第氏蟲、溶組織阿米巴原蟲、血吸蟲等。因此水中的微生物也切莫小看啊!」

娘娘點點頭,沒有了稍早的慌張,臉色沉靜了下來:「那再請教太醫,水裡頭這麼多叫人不知不覺卻又有害的雜質,本宮到底該如何是好?」

太醫笑了笑,這娘娘果然是個有腦袋的:「既然知道有害,那就想辦法除掉便是了,倒也用不著慌張。」

乾淨的水,有哪些講究呢?圖/pixabay

如何過濾得到乾淨的水?

水要能夠飲用,那就必須除去水中之細菌、病毒,有機物以及重金屬。一般常用的淨水的方式包含:活性碳過濾、逆滲透過濾、陰陽離子交換樹酯過濾與 UV 殺菌。

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其中,活性碳過濾藉由高吸附量的活性碳吸附水中的雜質,除了可以吸收殘留於水中之氯離子之外,也可以吸收小分子以及大分子之有機物(三氯甲烷、農藥), 以及部分的重金屬物質(鉛、汞)。活性碳製造可分爲碳化活化兩個過程,碳化是將木材等原料在缺氧的高溫 500 – 750 ℃ 的條件下,熱裂解形成多裂孔性的碳結構體。在這個碳化過程中,大部分的非碳元素,如氫、氧元素藉由原料之裂解成揮發氣體而被去除。如此碳化産物碳原子包含芳香環之片狀結構,由於非常不規則,故會形成一些裂隙,這些裂隙將會在活化過程中,形成更多的微孔結構。活化則利用高溫蒸汽(800-1000℃)或化學物質(500-800℃)來清除碳化過程中存在於孔隙結構中的焦油、裂解産物,以擴大碳化材料孔隙及創造微孔,來提高孔洞、體積或比表面積,産生高吸附量的活性碳。而活化之後的活性碳,由於孔道暢通、表面積比例增加。經過活化的碳才能稱為活性碳──活化處理前後的效率差了 10-20 倍。

逆滲透過濾則是以半透膜進行過濾,由於溶解在水中的溶質無法穿透半透膜,因此只要由有雜質的一方施壓超過滲透壓(osmotic pressure),就可使水分穿過半透膜,得到乾淨的水啦。逆滲透的純化效果可以達到離子的層面,取決於滲透膜的孔隙及特性,對於離子的排除率可達 90%-98%。但逆滲透須持續耗能,且如果逆滲透設備沒有作好保養處理,則滲透膜上容易有污物堆積,造成逆滲透功能的下降。另外有些逆滲透使用的半透膜容易被氯與氯氨所破壞,因此在逆滲透膜之前,也須經活性碳及軟化器等前置處理。

離子交換樹酯可分成陰、陽兩種:陽離子交換樹脂利用氫離子(H+)來交換水中的陽離子;而陰離子交換樹酯則利用氫氧根離子(OH-)來交換陰離子。氫離子與氫氧根離子互相結合成中性水。但不同的陰/陽離子交換樹酯的化學官能基 ,對陰/陽的交換能力皆有所不同。另外,如果離子交換樹脂可用於交換的位置達到飽和,淨水能力就會下降,設備就必須進行更換。

逆滲透過濾則是以半透膜進行過濾,溶質無法穿過,就如森森宮門。圖/pixabay

這時娘娘沉思了一會,又問道「所以太醫,我說那個細菌和病毒呢?」

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只見太醫不疾不徐地又說了下去:

「過濾掉雜質之後,還有一種專門用來對付病源的淨水法子,則是 UV 殺菌。UV 就是紫外線,波長範圍大約從 400 nm 至 230 nm ,如果劑量夠大,能破壞生物體的蛋白質與遺傳物質,使得微生物細胞死亡。1965 年 Sykes 等人發現波長介於 240-280 nm 之間的紫外線殺菌的效果最好。紫外線照射除去細菌、病毒與其能量劑量強度(功率)有關,對於除去不同的細菌、病毒所需求的強度並不相同,所以使用的紫外線燈管必須有一定的能量強度。」

水要過濾到甚麼程度喝起來才健康?

「本宮收穫良多啊!既是如此,我這就稟了皇上,把這些設備通通弄來一套!」娘娘大喜。

「那大可不必,裡面有些設備著時昂貴呢。一般喝水用水只要安全衛生,其實不需要講究著高級豪奢,這就像每府有每府的份例安排,強求太好反而徒然浪費了。」太醫頓了頓,接著說明:

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如果想將用水處理至超純水的等級,光設備就要花費數十萬以上。但基本上一般用水的過濾系統目的只有一個,就是喝健康和安心挑選濾水器時可以參考相關的認證,如非營利單位美國國家衛生基金會的 NSF 認證(註1)等,喝得更安心。

日常使用的自來水從自來水廠送出時就已做過基本過濾,但水中仍有雜質。其中對我們最容易構成傷害的不外乎懸浮物、農藥、有機藥物、細菌病毒、重金屬、水中餘氯等等。懸浮物因為其顆粒大,是最容易處理的,可以經由簡單的纖維質過濾,使大顆粒卡在纖維質中而除去。至於除去農藥、藥物、重金屬、水中餘氯,可以在前面提及的幾種過濾方法中擇一,考慮到更換成本上,以活性碳進行過濾是最為划算的。至於對付細菌、病毒最好的方式則是經由 UV 殺菌,因為紫外光能徹底摧毀細菌、病毒的 DNA,讓它喪失活性。

只要透過濾水器過濾,並搭配 UV 殺菌的方式,就可以確保飲用水的健康,而且同時兼顧環保。但基本上每一道程序使用的耗材都必須定期更換,才能達到安全的功效。」

「因此娘娘這杯茶,我就心領了。」太醫拱了拱手,將沒有沾唇的茶水放回小茶几上:「娘娘的待人慈藹,這宮裡宮外眼看沒有人算計,但日常起居用水,本來就要當心啊!」

「本宮省得,之後日常用水必不會叫她們這麼輕待了。」娘娘抬手示意把新貢茶賜給了太醫。這次就未遭推辭了,大夥和樂融融安穩行禮告退。


註1:美國國家衛生基金會(NSF)成立於1944年,是一個以科學研究為基礎的民間非營利組織集結專業技術人員致力於公共衛生、安全、環境保護領域的標準制訂以及管理規劃。目前也是世界衛生組織(WHO)在食品安全與飲用水安全與處理方面的指定合作中心。(資料來源:MBA 智庫百科

參考文獻:

  1. Activated Carbon Filters
  2. What is Reverse Osmosis?
  3. Purified vs Distilled vs Regular Water: What’ s the Difference?
  4. 淺析超純水、去離子水、RO水、蒸餾水、雙蒸水的區別 !
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【成語科學】爐火純青:想煉丹?火焰顏色是重點
張之傑_96
・2023/07/19 ・1027字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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大約從秦漢起,道家人士盛行煉丹。所謂煉丹,就是將某些化合物放在丹爐裡加熱,使之產生化學變化。當火焰由紅色轉變成青色,表示燃料已完全燃燒,這時溫度最高,意味著丹藥就要煉成了。

火焰顏色變化。示意圖/Pixabay

道家人士的煉丹經驗,漸漸衍變成「爐火純青」這個成語,用來比喻學問、技藝、功夫等達到完美境界。讓我們試著造兩個句吧。

  • 俗語說,台上十分鐘,台下十年功,他那爐火純青的表演,絕非偶然。
  • 不到半天,老師父已將一段漂流木雕成一尊觀音,刻工已爐火純青。

接下去要談談這個成語的科學意義。古人煉丹的目的,是為了延年益壽,甚至長生不老。古人有這種想法,和固有的「關連性思考」有關。舉例來說,黃金經久不變,所以古人認為使用黃金器具可以長壽。再舉個例子,一般人心目中的神仙,具有變化和平地飛升的能力,所以汞(水銀)和硫化汞(丹砂)等易於變化和飛升(即昇華,從固態直接變成氣態的現象)的礦物,就成為煉丹家的重要材料。

丹砂。圖/維基百科

將紅色的丹砂(硫化汞)加熱,紅色的丹砂不見了,卻煉出圓轉流動的金屬汞(水銀)。而金屬汞加入硫黃,又可變成紅色的丹砂。這兩個反應最令煉丹家著迷,其反應式如下:

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硫化汞+氧→汞+二氧化硫

汞+硫黃→硫化汞

基於關聯性思考,煉丹家心想,丹砂加熱,可以變成水銀;水銀加上硫黃,又可變成丹砂。人們吃了這些礦物煉成的丹藥,是不是也可以得到變化和飛升的能力?如果具備這兩種能力,豈不就成為神仙!

小朋友,您說能不能?當然不能!丹砂和汞都有毒,尤其是汞,含有劇毒。歷代死於丹藥的帝王不計其數。那麼為什麼還有那麼多人樂此不疲?如果有人吃下丹藥死了,就認為丹藥沒有煉好,很少有人懷疑煉丹的本質有問題。

這樣說來,煉丹豈不一無是處!事物往往一體兩面。煉丹家將各種礦物煉來煉去,煉出許多意想不到的東西,包括黑火藥,這是唐代的煉丹家無意中發現的。英國著名科學史家李約瑟先生曾說:

「化學的重要源頭之一,就是中國的煉丹術。」

煉丹家沒能煉出長生不老的藥物,卻成為化學的開路先鋒。

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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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擺脫缺水危機:四面環海的台灣,有可能好好利用我們身邊的海水嗎?
PanSci_96
・2023/06/24 ・3755字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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這幾年颱風都不颱風了,彷彿被台灣本島的 AT 力場隔阻在外,總是甩尾或擦邊而過,雖然少了可能的災情,但也讓台灣面對嚴峻的缺水問題,尤其曾文水庫持續探底,南部的水情特別不樂觀。如果冬、春季的鋒面也無法帶來雨量,無疑是雪上加霜,啊不對,連雨都沒有,哪來的雪跟霜呢?

那麼除了積極人工造雨、開發伏流水以外,你或許也想過,既然台灣四面都是取之不盡的海水,為什麼我們不能好好利用呢?實際上,澎湖早在 1993 年就建造了國內第一座海水淡化廠,為何至今海水淡化卻還沒有普及呢?我們有機會透過海水淡化,永永遠遠擺脫缺水危機嗎?

海水淡化效率如何?能源消耗是重要的考量因素

實際上,要將海水淡化也不需要什麼先進科技,只要將水分蒸發,再蒐集水蒸氣使它們凝結成水就可以了。曬乾後的海水還會留下天然的海鹽,可以說是一舉兩得。

這種加熱蒸餾法唯一的問題就是:效率實在是不太好。水的特性之一就是沸騰時會消耗大量的能量。要將一鍋一百度的水燒乾所需的能量,已經可以將五鍋水從零度加熱到一百度。不只如此,要讓水蒸氣凝結成液態水的過程,同樣需要耗費許多能量來進行冷卻。總的來說,這種將水變成水蒸氣再變回來的蒸餾法,從能量效率的角度來看相當不划算。很難規模化量產淡水。

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想要淡化海水,能源消耗是很重要的考量因素。如果要用化石燃料或電能來大量蒸餾海水,對大多數國家來說是筆相當沉重的開銷。在還沒解決用水問題前就先陷入能源危機了。因此,目前各國的大型海水淡化廠都不採用加熱蒸餾法。而是使用大家很常聽到的「逆滲透」。

逆滲透顧名思義,就是逆向的滲透作用。這是什麼意思呢?如果杯子中同時存在鹽水和淡水,中間用一片只有水分子能通過的特殊半透膜隔開,這時候水就就會自己穿過半透膜移向較鹹的那側。這種「驅使水分從低濃度前往高濃度區域的現象」就稱為「滲透」。

半透膜上的滲透過程。此過程中,水分會從溶質(藍色點點)濃度較低的區域網濃度較高的區域移動。圖/維基百科

雖然眼睛看不見,但滲透卻會產生一種真實的壓力——滲透壓,滲透壓足以和重力抗衡,在半透膜兩側形成一高一低的水位。但是我們海水淡化是要將海水變成淡水。所以反過來想,我們將鹹水放在高濃度這一側,並且用力推,推贏了水的滲透壓,水份就會逆流到淡水那邊,這就是逆滲透。

決定逆滲透效率的一個重要因素,就是逆滲透膜的材質。目前而言,不論是海水淡化廠還是你家廚房的飲水機,大都是用一種叫做芳香族聚醯胺的材質,做為逆滲透膜來進行淨水。這種材料的出現讓逆滲透的濾水效率大幅提升,只要花費蒸餾法十分之一的能量就可以得到等量的淡水。這讓逆滲透法擊敗了其他競爭者,成為最普遍也最容易規模化的淨水模式。

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賠本生意沒人做:脫穎而出的「逆滲透」技術,仍然無法擺脫可觀的成本

雖然這樣說,可是想要用高壓逆滲透來淡化海水還是要付出非常可觀的能量。首先,海水中可不是只有鹽份,還有各式各樣的懸浮物,金屬離子與微生物。如果不先去除這些雜質,逆滲透膜上給水分子通過的微小孔洞,很快便會堵塞。因此海水得先通過一系列的過濾與處理,才能真正進入逆滲透處理。

而且隨著逆滲透產出淡水,剩餘海水的鹹度也會逐漸變高,需要更大的壓力才能對抗持續增加的滲透壓。也就是說,要將所有抽上來的海水淡化在實務上是不可能的。一般而言,最後會剩下重量約一半的海水,這些濃縮海水鹹度特別高,被稱為鹵水。這些鹵水最後還要再透過管線排回海洋中。

講到這邊,我們已經能解答開頭提出的問題,為什麼海水淡化沒有普及?為何不用海水淡化來永久擺脫缺水?答案就是成本與自來水價差太多了。逆滲透淡化的程序相當繁複,而且每個環節都要耗電。不僅浪費能源,成本也超高,根據水利署資料,台灣海水淡化的平均成本約為一度30~40元,遠高於台灣的平均家戶水價每度 9.24 元,當然沒有自來水公司願意做這種賠本生意。

沒有其他壓低成本的方法嗎?

台灣的水價真的很低,是國際水協會調查33個國家中的第四低,這也是海水淡化發展的瓶頸。但如果先撇除水價問題,我們能不能找到不同於逆滲透的新方法,進一步壓低海水淡化的成本呢?

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神奇的抽水小艇

全球各地有許多勇於探索的研究團隊,持續在尋找全新的海水淡化技術。這些技術以永續發展為目標,利用再生能源或是新穎材料來產出淡水資源。

例如加拿大的新創公司 Oneka 便想到,既然主要的目標是海水,就不要浪費力氣把海水抽上岸了,直接把逆滲透機組打造成像是救生小艇一樣的形狀,漂浮在海面上。更神奇的是,這些小艇竟然完全不需要用電!

只要你懂海,海就會幫你!原來,Oneka 的逆滲透機組直接以海浪作為能量來源。這些小艇以纜線固定在海床上。當浪頭上升時,便提供了逆滲透所需的水壓。可以說是百分之百取之於海洋,發揮海洋的力量。淨化完成的淡水,則可以直接透過海底管線流向岸邊的集水裝置。

Oneka 公司的海水淡化技術。圖/Onekawater

Oneka 已經與智利中部海岸的海濱小鎮阿爾加羅沃合作,在碼頭安裝了這些小艇,每台小艇每天最多可以提供1500人的日常用水。依照此規模,只要在岸邊布置十餘台小艇,就足以供應一個小型海濱社區達成「用水自由」。

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廢「熱」再利用

除了逆滲透之外,也有人回過頭,嘗試重新開發新型態的蒸餾法來淡化海水。雖然蒸餾法需要耗費很多能量,但如果這些是本來就不用白不用的熱能,像是太陽能或發電廠的廢熱呢?這些廢熱,除了可以用在我們先前提到過廢熱發電,也能用在蒸餾,而且由於蒸餾法的構造和原理相對簡單,在一些小規模的應用中反而具有成本上的優勢。

這種獨特的設計每天每平方公尺可以蒸餾出 10 ~ 20 公升的淡水,雖然量聽起來不多,但是體積小且效率高,可以將家庭廢水作為再生水再次使用,對缺水地區的家庭與社區是實用的解方。

仿生材料「類澱粉蛋白」

除了有效利用各種再生能源來進行逆滲透或蒸餾,有一組來自台灣的研究團隊在今年初提出了一種全新的做法。陽明交大生命科學暨基因體科學研究所的許世宜教授發現,水珠在某種特別的仿生材料上會自動往某個方向擴散,等於是一個不用插電的奈米級抽水馬達。

他們所研究的這種材料叫做類澱粉蛋白,沒錯,就是會卡在腦血管中,造成阿茲海默症的元兇。研究團隊發現,在許多類澱粉蛋白排列成的薄膜上,表面能量會出現獨特的不對稱鋸齒形狀,引導水分子往單一方向移動。只要用這種薄膜製造一個奈米吸管,水分子便會自動由一側流往另一側。

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雖然這份研究目前是以奈米尺度的電腦模擬進行,離規模化和商業化還有一段長路,不過研究團隊估計,一片10公分見方的類澱粉蛋白膜不需要輸入能量,就可以在一天內產出 2.5 噸的淡水,且只要額外施加小小的 5 大氣壓,就可以將產量提升到每天 3.6 公噸。單位面積產水量是傳統逆滲透的兩百倍,所需壓力也小很多,非常有潛力成為未來低耗能、高產量的海水淡化方案。

面對常見的缺水問題,台灣現在能做什麼?

僅管最近有這麼多令人期待的新技術,但是台灣的水情或許沒辦法等到這些技術發展成熟來進駐。老字號的逆滲透海水淡化廠依然是補充匱乏水資源的重要方案。台灣國內其實早就有多座海水淡化廠,不過主要集中於離島。目前水利署已經開始推動在本島六縣市興建大型海水淡化廠,目標是每個廠每日都能產出 5~20 萬噸的淡水。

至於耗電問題,根據水利署相關單位在環評會議中的說明,除了搭配光電與能源回收設施之外,海水淡化會發生在 10 月到隔年 5 月的枯水期,盡量與用電高峰的夏季隔開,降低電能負載。

除了耗能之外,還有一點需要注意,就是海淡廠排放的高鹽度鹵水,是否會對周圍環境與生態造成影響。雖然目前透過電腦模擬鹵水排放,結果發現附近海域鹽度增量僅有 3~4%,影響看起來並不明顯。未來對生態與用電是否造成衝擊,還需要持續觀察。

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最後,就如同我們前面講到的,海水淡化是否能普及這個問題,除了技術是否到位外,還有一個關鍵問題值得我們討論,那就是台灣的水費,是否真的太低了?

台灣的水價定位問題值得討論。圖/envatoelements

很多人都知道台灣每年每人可分配的降雨量,僅有世界平均的五分之一,位列全球排名第 18 的缺水國家。然而,我們的水費卻是世界第四低。相比跟我們一樣是島國且水資源不足的日本與新加坡,它們的水價約為一度 30 元和 37 元,是我們一度 9.24 元的三倍以上。而這個價錢,與海水淡化目前 30~40 元的成本相比,就會讓海水淡化顯得可以接受。

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

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研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

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科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。