文字

繁 | 简

分析 / 評論動物世界專欄護生保育

蜜蜂與農藥的戰爭──歐盟禁用新菸鹼藥物的始末

科學月刊・2019/08/15 ・4118字・閱讀時間約 8 分鐘・SR值 544

・八年級

相關標籤：

熱門標籤：

文／林宇軒│是個從學術象牙塔逃離的化學系所學生，比起做實驗，更愛分享科學故事，寫科普就是希望能和大家一起領略科學的力與美。

2018 年 4 月 27 日，歐盟認定新菸鹼類 (Neonicotinoid) 藥物對蜜蜂有害，決議禁止含有益達胺(imidacloprid)、賽速安 (thiamethoxam) 或可尼丁 (clothianidin0) 三種新菸鹼類農藥產品用於露天環境，一場持續超過 20 年的研究論戰才終於落幕。

bee pollination on sunflower — 穿梭在花田中的蜜蜂／圖片來源：Unsplash

新藥有問題？！第一個「蜂」向球

要說起蜜蜂與農藥的戰爭，得把時間拉回到 1994 年的夏天。那時，風和日麗的法國田園，成片向日葵一如往常地隨風搖擺。在晴朗的天空下，綿延不絕的向日葵田間，偶有幾隻蜜蜂穿梭其中，牠們時而翩翩飛舞，時而駐足停留在向日葵上採蜜，並帶回自己所屬的巢穴供女王蜂與幼蟲食用。

不過仔細一看，這些蜜蜂似乎不太正常，他們只會在同一個定點飛來飛去，而沒有辦法朝下一朵花移動或飛回自己的蜂巢。不只野蜂不回自己的蜂窩，就連人類馴養的蜜蜂也出現這樣的現象，蜂農紛紛發現自家蜂窩裡工蜂的數量越來越少。

蜂農將矛頭指向這一株株的向日葵，他們認為都是因為蜜蜂從向日葵的花蕊上採粉、採蜜，才讓蜜蜂「迷航」、造成蜂農們損失慘重，並懷疑包裹葵花籽的披衣 (seed coating) 材料中含有一種會影響蜜蜂的物質。這項行之有年、為保護種子並供其營養的「種子披衣技術」，會在 1994 年才開始出現問題，是因為法國在這一年剛好核准了一種可添加在葵花籽披衣材料裡的新農藥，這個新核准的農藥正是屬於新菸鹼類分子的「益達胺」。

全世界最受歡迎的殺蟲劑──新菸鹼藥物

新菸鹼類分子並非 1990 年代才突然出現的，自 1970 年代起，就有不同的新菸鹼分子前驅物陸續被合成出來，而科學家們也發現了這些分子具有殺蟲的效果，如黃色貝殼商標的殼牌 (Shell) 公司，他們就在 1970 年代推出這類專利殺蟲劑，但是這個農藥的分子照光後卻會分解掉，使得英雄無用武之地、無法進行商業化產製賣給農夫使用。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

一時的失意，並不代表尋找更高效殺蟲劑的旅程就此結束。1985 年，化學巨擘拜耳 (Bayer) 公司利用 10 年前殼牌公司的失敗產品做出第一個合成出來的新菸鹼類分子益達胺，比起之前各家廠商合成的各種前驅物分子穩定又有效。此後，拜耳公司將益達胺製成農藥，於 1991 年將產品推出上市，很快就在全球瘋狂熱賣。

其他公司當然不會讓拜耳專美於前，在益達胺上市幾年後，同為全球市佔率數一數二的農藥生產商先正達(Syngenta)也推出了新的新菸鹼農藥產品，這個新產品內含的新菸鹼分子是賽速安，也是一種殺蟲不手軟的分子。面對競爭對手的攻勢，拜耳公司繼續推出其他如可尼丁等產品，後來也相當熱銷。

這次歐盟所禁用的新菸鹼農藥正是這三者：拜耳的益達胺、可尼丁，以及先正達的賽速安。令人驚訝的是，由於它們殺死害蟲的效果實在太好，以至於在 2007 年，這三種分子和其他的新菸鹼分子農藥，在全球就有高達 25％的市佔率總和。

探尋新菸鹼類農藥與蜂群減少的關係

讓我們回到 1994 年法國工蜂迷航的事件，當時蜂農發起的輿論持續得沸沸揚揚，這波民怨導致 1999 年法國禁止益達胺用於種子披衣技術中，不過當時並沒有任何科學證據可以佐證「益達胺是造成蜂群減少的元凶」，也就是說這項政策完全只是預防性措施。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

為了解事情的真相，科學家著手研究益達胺與蜜蜂迷航之間的關聯。新菸鹼類農藥會殺死蜜蜂嗎？什麼樣的濃度會影響到蜜蜂正常的行為？而新菸鹼類的農藥影響蜜蜂行為的原理又是什麼？

科學家發現餵食高劑量新菸鹼藥物的蜜蜂 (Honeybee, Apis mellifera) 的確會死亡，但即使將劑量降低到不會讓蜜蜂死掉的程度，蜜蜂的行為仍然不正常，許多蜜蜂在接受該類藥物後會改變進食習慣，離巢覓食也變得較不頻繁，但只要每次出去、就會待上更長的時間。此外，也有研究發現該類藥物會影響蜜蜂的記憶和學習能力，使牠們辨識花朵的能力變差，甚至完全無法學會辨認他們所需要去覓食的花朵。

研究人員也找到了昆蟲會被新菸鹼類藥物影響的可能原因，由於新菸鹼類分子的高水溶性，因此能隨毛細現象散佈到植物體內各處，當昆蟲吃了植物的某個部位後，也一併吃進了新菸鹼類分子。當這些分子進到昆蟲體內後，便會和昆蟲神經系統的尼古丁乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChRs) 結合。一般來說，原本用來傳導神經電訊號的乙醯膽鹼分子和受體結合後，會刺激接收端的神經細胞繼續傳遞電訊號，直到乙醯膽鹼酯分解酶將它分解掉為止。然而新菸鹼類分子結合到昆蟲的受體上以後，卻無法被分解酶處理掉，反而一直卡在受體上，使得神經細胞不斷放電，造成昆蟲的神經系統過度興奮，最終導致昆蟲癱瘓、死亡。

這些對昆蟲來說相當致命的毒物，對我們人類卻沒有太大的影響。其實人體的神經細胞上也有這種接收神經傳導物質的受體，只不過昆蟲的受體和脊椎動物的蛋白質結構不同。新菸鹼藥物之所以不會對脊椎動物有太大的影響，是因為其與脊椎動物的受體結合力較弱，相對地容易從脊椎動物的受體上分離，當然也不會造成神經細胞過度興奮。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

隨著新菸鹼類農藥造成危害的證據越來越多，歐洲食品安全管理局 (European Food Safety Authority, EFSA)統整諸多研究，並在 2013 年陸續公布幾項風險評估報告，報告指出這三種新菸鹼類農藥對蜜蜂的健康造成很高的風險。雖然當時沒有取得多數會員國的共識，但歐盟基於保護蜜蜂的立場，仍決定在 2013 年 12 月 1 日起「暫時限制」這三種農藥的使用範圍，只要是會吸引蜜蜂的植物、穀類以及其種子、土壤和葉面的處理等都不得使用。

不過，針對歐盟的暫時禁令，民間仍有許多不同的聲音。批評者認為此時為止的所有研究，沒有一個算是真正的野外調查，全都是實驗室裡的測試，只有少數幾項研究是「模擬」野外環境，但他們也質疑研究者怎麼知道餵了含有農藥的花粉，農藥的劑量就真的是跟野外環境相符合？

遺失的最後一塊拼圖──野外蜂群的大規模調查

一直到 2015 年 4 月，終於有了第一個確確實實的野外調查研究，。瑞典南部隆德大學的倫德洛芙(Maj Rundlöf)率領她的研究團隊親自種了 16 塊油菜花田，其中 8 塊種了含有可尼丁農藥的種子，另外 8 塊用的則不含農藥，每塊地彼此間隔 4 公里以上。他們統計了每塊地方圓 2 公里內區域的野蜂密度、獨居性壁蜂 (Mason Bee, Osmia bicornis) 的築巢活動性以及熊蜂 (Bumblebee, Bombus terrestris)蜂巢的重量，發現有使用可尼丁農藥的田附近，野蜂密度較低、壁蜂築巢量下降，且熊蜂蜂巢重量成長得較為緩慢，也因此證實了新菸鹼藥物的確會干擾野生蜂群的活動。

論文發表後，多家大型企業的發言人發表聲明，認為這篇研究的證據並不足以支持倫德洛芙的論點。他們注意到論文中也發現一般蜜蜂的蜂群並沒有因為可尼丁而受到影響，並認為在「區域內野蜂密度」這個項目所統計到的野蜂數量過少，不具統計上意義，根本不能當作證據。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

雖然這項研究有些微瑕疵，卻也讓質疑新菸鹼藥物的聲浪越來越大。為了解決這個證據支持性的問題，拜耳與先正達兩家公司決定挹注 300 萬美金（折合台幣 9 千萬），讓英國的生態與水文學中心(Center of Ecology & Hydrology, CEH)進行更大規模的野外研究。研究人員選定了英國 12 處、德國 9 處與匈牙利 12 處，共 33 塊油菜花田進行實驗，每塊油菜花田彼此距離 3.2 公里以上，在冬天的時候預先種下含有可尼丁、賽速安或是不含新菸鹼農藥的種子，並等到油菜花開花後，將一般蜜蜂與熊蜂的巢以及壁蜂搭配人為提供的築巢材料放到試驗田中央，等待 1~2 週後統計分析所受到的影響。

沒想到，最終實驗結果竟讓拜爾與先正達公司跌破眼鏡，根本可以說是自打臉。2017 年這項大規模研究發表在《Science》上，研究人員認為整體來說新菸鹼藥物對三種蜂類的確造成了負面影響，結果顯示英國與匈牙利農藥使用區的蜜蜂巢中的工蜂數量減少，在匈牙利更觀察到蜂卵數量降低，不過在德國農藥使用區的蜜蜂蜂巢卻匪夷所思地產生了更多蜂卵，而工蜂數量則沒有明顯變化。另一方面，野蜂的部分，發現農藥使用區的熊蜂女王蜂產卵量在三個國家都是呈現負相關，也就是農藥殘留量越高，產量越低；而農藥使用區的壁蜂製造的蜂房數量也不分國家都呈現負相關，農藥殘留量越高，壁蜂製作蜂房的數量與效率越差。

從播種到蜜蜂相繼迷航、死亡，這些殺蟲劑是如何對蜜蜂產生作用的？／圖片來源：科學月刊提供

不斷翻轉的結局

不過，拜耳和先正達兩家公司的發言人在論文發布記者會的當下，透過記者抨擊研究結論非常令人懷疑，他們緊咬著論文數據的的可信度不放，儘管如此，大量的統計分析結果的確受到許多科學家的認可，一位拜耳公司的科學家對此字斟句酌地表示：「我認為新菸鹼藥物的確是對蜜蜂有些本質上的影響，不過就實際情況而言，正確使用的話，我們還是沒看到任何有效證據可以說明這些藥物會傷害蜜蜂。」

2018 年 2 月，歐洲食品安全局再度統整近年研究，並正式宣告新菸鹼藥物危害蜂群證據明確，歐盟委員會最終在 2018 年 4 月 27 日決議，要在 2018 年底全面禁止戶外使用新菸鹼農藥，但居家環境仍可使用，以免繼續傷害蜂群。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

持續了超過 20 年的研究論戰到此暫告一段落，不過仍有科學家對禁令表示憂心，因為禁用可能造成害蟲增加、導致農業產量下滑，甚至可能有農民為了要殺蟲而用了更毒的藥物，造成更可怕的環境問題。只是，新菸鹼農藥繼續用下去，也有機會讓蜂群崩潰，讓蜜蜂大量減少，或許這樣才是更加慘烈的，因為寂靜的春天可能會連作物都無法順利成熟結果。歐盟的決定的確影響了世界各國決定新菸鹼藥物的去留，但究竟禁用了之後結果如何，也只有時間能告訴我們答案。

在接觸過新菸鹼類藥物後，個體乃至群體的死亡可能「蜂」擁而至。／圖片來源：科學月刊提供

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒 PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權：Shutterstock

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

-----廣告，請繼續往下閱讀-----

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

進一步了解商品：https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&