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認識「除草劑」的風險與非農地環境雜草管理

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2019/12/02 ・4081字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

  • 文/林宇軒

這些年,除草劑躍上新聞版面的時候,形象往往都相當負面。像是新聞報導中偶見有人誤食用劇毒且沒有解藥的除草劑「巴拉刈」;或是農藥大廠孟山都的專利除草劑「嘉磷塞」,因為沒有警告消費者健康風險,在美國被許多民眾控告而且被判敗訴。

你可能很疑惑,這些歸類為「除草劑」的農藥到底是何方神聖?這篇文章就要跟大家一起來認識除草劑可能的風險,以及我們又該怎麼減少接觸,來保護自己。

除草劑的任務:消除令人頭痛的「雜草」

在農業生產過程中,會影響收成的生物,其實大多可以找到對應的農藥來處理。農藥根據處理的問題,可以分成好多類,而使用最多的是以下三大類:除草劑專門處理雜草;殺菌劑專門處理微生物;而殺蟲劑則是專門處理害蟲。

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除草劑是農業生產過程中需求最大的一類農藥。對農友們來說,要處理雜草很不容易,一方面雜草常常都生命力強健,可以耐受高鹽、高低溫、淹水、貧瘠等各種惡劣的環境,種子產量多,又常可以在土壤中休眠很久之後才發芽。

因此就算割草了,因為根系還在,那些草類也很容易重新長回來;即使累一點,將雜草連根拔起,從其他地方還是會飄來源源不絕的種子,防不勝防。

只要雜草出現在自家園子裡,如果不妥善處理,有時候不只是影響農作收成,還可能讓農夫在收割時要花額外的力氣,去剔除一起收割下來的雜草,農夫們因此對那些在自家農田、果園搶養分的雜草恨得牙癢癢。

無止盡蔓生的雜草會干擾作物成長,是農業生產的大敵。圖/Pixnio

因應雜草春風吹又生的除草劑

正因為雜草「春風吹又生」的特性,除草劑也成為農夫們不能不求助的幫手。除草劑的種類多樣,不過共通點是藉由干擾雜草正常生理運作,來達到殺死雜草的效果。

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除草劑可以根據除草的效果,分成選擇性除草劑和非選擇性除草劑兩類。有名的選擇性除草劑如 2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸),低濃度可以當作植物生長調節劑,高濃度可以殺死雙子葉植物,只留下單子葉植物;而非選擇性除草劑就是可以將所有的雜草全部殺死,例如文章開頭提到的巴拉刈和嘉磷塞就是屬於這類,不過如果作物和雜草物種太接近,這類除草劑也可能影響作物,所以常需要把種植和噴灑的時間錯開,或者是改種具有抗藥性的基改作物。

這些高效率除雜草的化學物質,有很多種類可以選擇,而且使用方便,只要簡單稀釋,再噴灑到園子裡長雜草的地方,幾天後雜草們就會枯黃死去,比起割草、拔草還要累半天,簡單省事許多。

也正因為除草劑太厲害了,所以也被用在很多農地以外的地方,只要不希望長滿雜草的地方就有可能使用除草劑,來維持環境的整齊感,像是道路兩旁、公園、住宅區、校園、水溝、魚塭等地方,甚至是清明掃墓前,除草公司選擇使用除草劑來清理墓園也時有所聞。

因為可以省下大量的人力,各種農藥產品被廣泛使用。圖/Pixbay

除草劑的爭議與科學研究

除草劑可以說是處理雜草問題最有經濟效益的方式,也因此需求量極高。根據《上下游》的調查統計,2016 年全臺農藥銷售量有 47% 是由除草劑貢獻,幾乎是農藥銷售量的一半,而用量最高的前幾名都是非選擇性除草劑,如巴拉刈和嘉磷塞。但儘管除草劑好用,近年來卻有越來越多的報告指出,這些熱門除草劑可能對人體健康有負面影響。

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首先,近年來常出現在新聞畫面的除草劑莫過於巴拉刈。這種除草劑在農業上其實相當好用,除了成本低、效率高,在環境中分解迅速,不會有殘留污染的問題。然而巴拉刈只要發生誤食就會嚴重傷害身體無法挽回,至今巴拉刈沒有任何的解藥可以拯救。因此禁用巴拉刈漸漸成為世界趨勢。農委會也已經在 2018 年 2 月停止進口,預計在 2020 年 2 月起全面禁用巴拉刈。

巴拉刈雖然除草效果很好,但是一旦誤食會對人體造成無可挽回的重傷害。圖/Flickr

而另一個充滿爭議的除草劑則是嘉磷塞,是孟山都的專利農藥,由於有效又便宜,自 1974 年上市至今,已經是全世界用量最大的除草劑。嘉磷塞的急毒性低,不太會有急性中毒的問題;近年則有研究指出,長期暴露可能使動物發育不完全,以及可能提高惡性淋巴癌的風險。因而在 2015 年,國際癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer, IARC)將嘉磷塞從「2B 類致癌物」升級為「2A 類致癌物」。也就是說嘉磷塞在動物實驗上有充分致癌證據,但對人類致癌的證據有限。但聯合國糧農組織與世界衛生組織共同組成的農藥殘留專家委員會(Joint Meeting on Pesticide Residues, JMPR)和歐盟食品安全局,則認為嘉磷塞沒有致癌風險。

嘉磷塞的危害尚無定論,不過從 2016 年開始,美國有上萬民眾紛紛對孟山都提起告訴,認為嘉磷塞要為他們罹癌負責,而孟山都並未揭露健康風險資訊。截至目前為止,雖然有部分案件孟山都敗訴,但仍有許多案件持續上訴中,尚未定案。

該如何減少除草劑的使用?環保署「非農地之環境雜草管理指引」

農業生產過程中少不了除草劑的使用,如果完全不使用除草劑,可能會大大影響許多作物的產量。大家也許會對除草劑有些擔心,不過政府有在把關農產品的農藥殘留劑量,只要在購買時認明「有機農產品標章」「TAP 產銷履歷農產品」,就可以減少暴露除草劑的風險。

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有鑑於農田之外許多公私場所、公園、道路、社區等環境也會使用除草劑以維持環境整潔,環保署集合各部會與專家意見研訂「非農地之環境雜草管理指引」,已於 107 年 6 月 29 日提供中央各部會、直轄市政府、縣市地方政府參考。環保署化學局協助地方政府有效管理非農地環境雜草,降低除草劑的使用風險。目前主要分為「法制面」與「執行面」兩個部分,提供環境雜草管理指引及非農地環境雜草管理自治條例草案,供各級政府參考,目前臺北市、高雄市、宜蘭縣已訂定轄內的除草劑管理自治條例。雲林縣也已公告禁用除草劑之適用對象及區域,桃園市已制定草案並預告,花蓮縣、苗栗縣、屏東縣亦著手研擬草案。

如臺北市即於 105 年 8 月 31 日公布施行「臺北市除草劑管理自治條例」,辦理查核、督導、申報、追蹤環境用藥及除草劑產品售出後之流向,避免濫用、誤用影響環境生態或人體健康。

荒野保護協會於 107 年 10 月於新竹高中舉辦「非農地禁用除草劑」相關講座,傳達正確的除草劑使用觀念給社會大眾。圖/環保署化學局提供。

除此之外,環保署化學局執行面上並持續編列預算推廣非農地環境雜草管理,107 年輔助共計有基隆市政府、桃園市政府、新竹市政府、臺中市政府、雲林縣政府、臺南市政府、花蓮縣政府及臺東縣政府等 8 個縣市政府及 2 個非營利組織(Non-Governmental Organization, NGO)提出辦理相關宣導;108 年共輔助 11 縣市及 3 個非營利組織相關之專案計畫。輔助各地方政府舉辦許多宣導說明會,向各地方政府承辦人員、各社區發展協會和居民、清潔隊隊員、病媒防治業者和環境用藥業者,介紹除草劑的危害和雜草適合的管理使用方式。如荒野保護協會舉辦的「108 年非農地禁用除草劑演講暨採食野草應用班推廣計畫」,由環保署化學局指導,在各縣市舉行多場「非農地禁用除草劑」巡迴演講,讓民眾認識以管理取代除草劑的觀念,減少對除草劑的依賴。

這些宣導活動,希望透過提供有效管理雜草的策略,推廣綜合環境雜草管理代替除草劑使用,來減少除草劑的整體使用量。具體的作法例如:在雜草開花前就要除草,以機械、人力,甚至放牧動物除草。或者是利用不同覆蓋程度的草皮,來蓋住土壤表層,避免雜草種子生根等積極作為。雖然說推動非農地環境雜草不使用除草劑改用人工除草,有可能增加非農地環境之除草的成本,但是這些措施,能進一步減少大眾暴露於除草劑的風險,降低環境污染,及維護環境生態,達成綠色化學滅毒目標。

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最後,還是不免俗要說,使用農藥必定有利有弊。如何好好的管理農藥農用、控制使用量,避免健康風險的同時,又能夠兼顧農業經濟效益,是我們應該好好關注的事。

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

參考資料

  1. 認識雜草篇 – 台大農藝系雜草管理研究室
  2. 除草劑篇 – 台大農藝系雜草管理研究室
  3. 【找回草生力! 除草劑濫用傷土系列報導】 – 上下游
  4. 常用除草劑之特性與應用 – 農委會農業藥物毒物試驗所
  5. 嘉磷塞-食品藥物專區-衛福部食藥署
  6. 不是說會致癌嗎,為什麼台灣要開放嘉磷塞的農藥殘留容許量? – 食力
  7. 嘉磷塞致癌風險報告曝光!孟山都施壓四年破功,年年春黑洞終露曙光 – 上下游
  8. 除草劑嘉磷塞是否致癌?歐盟看法不同 – 上下游
  9. Evaluation of the impact of glyphosate and its residues in feed on animal health – EFSA
  10. Toxicological Profile for Glyphosate – 美國毒物與疾病註冊局(ATSDR)
  11. 環保署毒物及化學物質局 107 年度環境雜草管理成果整理
  12. 環保署毒物及化學物質局 108 年度非農地雜草管理教育推廣活動 – 講師培訓暨學校、社區巡迴說明會計畫書

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GODIVA 冰淇淋為何會殘留「環氧乙烷」?吃下肚會怎樣嗎?
Evelyn 食品技師_96
・2021/12/30 ・3813字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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才剛踏入聖誕節慶的季節,知名高級巧克力品牌 GODIVA 日前卻爆發冰淇淋含致癌物的食安危機!衛生福利部食品藥物管理署(以下簡稱食藥署)於 2021 年 12 月 10 日公告,因接獲歐盟食品及飼料快速預警系統(RASFF)通報,GODIVA 有 6 款自法國輸入的冰淇淋產品中,所使用到的「刺槐豆膠」檢出農藥環氧乙烷(ethylene oxide)殘留不符合歐盟標準,我國標準為不得檢出,故全數下架回收。

相信身為巧克力控或冰淇淋控的讀者們,得知這個消息時一定非常震驚又難以接受,因為這批環氧乙烷超標的冰淇淋產品從 2020 年開始輸入販售至今,大多數有問題的產品消費者早已吃下肚了。

但話說回來,究竟「環氧乙烷」是什麼可怕的化學物質呢?吃下去對人體健康有什麼影響?又為什麼會出現在冰淇淋產品裡呢?就讓我們繼續往下看吧。

環氧乙烷有多毒?對人體有什麼影響?

環氧乙烷是一種易燃氣體,化學式為 C2H4O,主要用作製造抗凍劑、聚酯或其他工業用的化學物質,它也用於醫療設備及相關用品的消毒。

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環氧乙烷化學結構。圖/Wikipedia

在一些國家如印度、加拿大和美國,環氧乙烷被允許在農業上用作燻蒸劑來殺死害蟲、細菌(包含內孢子)、黴菌及真菌,因具高揮發的特性,環氧乙烷會自行分解到空氣中,殘留在食物是很微量的。然而由於環氧乙烷具有致突變性和致癌性的科學證據,歐盟是禁止將其用作殺蟲劑,在臺灣也是禁用的農藥。

依據環保署毒物及化學物質局提供的「環氧乙烷災害防救手冊」,工人間歇性暴露高於 700 ppm 的環氧乙烷 2 個月後,會出現味覺和嗅覺暫時性遲鈍、頭痛、噁心、嘔吐、昏睡、記憶及思維紊亂、口齒不清、吞嚥困難、面肌和四肢無力等。

而在勞動部職業安全衛生署的「環氧乙烷中毒之認定參考指引」提到,人若短時間內暴露在空氣中高濃度(呼吸或皮膚接觸)的環氧乙烷,會對呼吸道、眼睛黏膜產生刺激,或產生腸道相關症狀。相關研究也指出,長期接觸環氧乙烷的女性工作者,易造成自發性流產。此外,長期暴露環氧乙烷的工作人員易罹患血液與淋巴癌。因此國際癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer , IARC)將環氧乙烷列為第一級致癌物[註1]

請先別太慌張,通常最容易暴露到環氧乙烷的機會,是在製造或使用環氧乙烷的地方(例如工廠、醫院或農場)工作的工人(呼吸或皮膚接觸)。一般地區的空氣中就算能測出微量的環氧乙烷,也都是低於會造成健康問題的濃度。

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另外,臺灣勞工作業環境空氣中有害物容許濃度標準規定,環氧乙烷的工作場所中 8 小時日時量平均容許濃度為 1 ppm,1.8 mg/m3,這部份勞動部是有在為民眾職業安全衛生做把關喔!

環氧乙烷的食安問題,早在去年歐洲就先爆發

去年 2020 年 9 月,歐洲就先發現印度產芝麻中環氧乙烷殘留量超標,而緊急發出通報,使歐盟展開大規模的監測,導致許多不同類型的產品被回收下架,如麵包、醬汁或其他含有芝麻的食物等,整個歐洲包括奧地利、芬蘭、法國、德國、愛爾蘭、義大利等近 20 個國家皆受到波及,造成很大的經濟損失。

而歐盟也對刺槐豆膠(屬於食品添加物的安定劑)相關製品進行檢查,發現許多冰淇淋皆有使用到環氧乙烷殘留量超標的刺槐豆膠,故也面臨全面下架的慘況。像今年 8 月,雀巢的 Milkybar 和 Nuii 雪糕就有數批就是因此而下架回收[7]

Ceratonia silqua 的豆仁及豆莢;刺槐豆膠是由 Ceratonia silqua 抽取製成的水溶性植物膠 。圖/維基百科

根據歐盟的報告推測,是農場端將刺槐豆仁或刺槐豆莢進行殺菌燻蒸時,施作的環氧乙烷劑量過高,來不及揮發到空氣中導致殘留量過高,大大影響了所有的下游端。

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那環氧乙烷到冰淇淋的殘留量到底高不高呢?

淺談冰淇淋的製造流程及食品添加物作用原理

在換算環氧乙烷到冰淇淋殘留量有多少前,可以先簡單認識冰淇淋的加工流程。首先將原料乳與各種配料,包括醣類、乳化劑、安定劑、香料或色素等混合,接著過濾、均質及殺菌後,再將混合完成的霜料置於冷藏環境下陳化[註2],最後進行攪凍。

攪凍即是在攝氏-2~-8 度的凍結庫攪拌,同時將空氣打入霜料中,霜料的體積就會逐漸膨脹。攪凍完成後,立刻降低溫度至攝氏-18 度以下以硬化組織,就可以拿去販售囉!而霜淇淋與冰淇淋最大的差異,就是它省略了「硬化」這個步驟,所以質地相對比較柔軟。

此外製作冰淇淋最重要的是,要避免形成「大冰晶」生成,因為它是造成沙沙不良口感的主要來源。而牛乳是冰淇淋最重要的原料之一,其富含的乳脂肪可提供乳香味,使冰淇淋保有滑順的口感,也能夠干擾小冰晶結合形成大冰晶。

安定劑就是指膠體,一般常用植物膠(如刺槐豆膠)或羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose;CMC),可防止大冰晶形成,增加冰淇淋黏度、硬度並保持形狀;乳化劑如脂肪酸甘油酯(Mono-and Diglycerides;MDG),則有安定脂肪小球,使氣泡穩定的作用。

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或是直接使用乳化安定劑(或稱穩定劑),就是膠體和乳化劑按冰淇淋適用的比例配製好的複方食品添加物。這些食品添加物可避免製作時出現油水分離的情況發生,使終產品的狀態更穩定,在室溫下也不會那麼快融化。

故從微觀的角度來看,冰淇淋是個很複雜的系統,有氣泡、冰晶、蛋白、膠體、乳化劑和脂肪球等,相輔相成結合在一起。 

冰淇淋攪凍前後的微觀結構示意圖。
左圖為尚未攪凍的冰淇淋,乳清蛋白、酪蛋白膠束和乳化安定劑皆會競爭吸附在結冰晶的脂肪球上,且脂肪球大小不一。右方為經過攪凍打入空氣的冰淇淋,除了出現分佈均勻的氣泡外,冰晶與脂肪球已分開,且皆變細小、大小均一。部分聚集的脂肪球、蛋白質和乳化劑皆吸附在氣泡的表面,氣泡透過它們而連接在一起,以產生滑順、蓬鬆的口感。

殘留在刺槐豆膠的環氧乙烷,製作到冰淇淋的時候還剩多少?

回過頭來看,冰淇淋之所以要加安定劑刺槐豆膠(locust bean gum),就是避免冰淇淋在冷凍的期間產生冰晶或乳糖結晶,維持冰淇淋形狀,還能提供蓬鬆、綿密的口感,添加量多在 0.1~0.5%。

刺槐豆膠是由 Ceratonia silqua 種子的胚乳抽取精製而成的水溶性植物膠,在食品業中常作為一種天然的增稠劑使用,還很常用在糖果、巧克力、加工肉品(熱狗、香腸)、調味奶、果凍或蛋糕等。

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根據歐盟法規規定,刺槐豆膠的環氧乙烷殘留量標準是訂「最大殘留容許量」 (maximal residue level; MRL) 0.1 mg/kg,是指人在吃這個劑量下,該食品即使吃一輩子也都不會造成健康問題。

而這次歐盟在刺槐豆膠中檢測到的環氧乙烷殘留量大多落在 0.4~1.1 mg/kg,換算至最終的冰淇淋產品,環氧乙烷頂多只有 0.005 mg/kg,也就是十億分之五,以一杯 GODIVA 冰淇淋有 80 g 重換算,一杯冰最多含 0.0004 mg 的環氧乙烷,且這還沒有把加工過程中的耗損算進去。

雖然環氧乙烷是第 1 級致癌物,但如此趨近於零的劑量,對我們人體產生危害的機率微乎其微,所以即使你今天是不小心吃到有問題的冰淇淋消費者,也不需要擔憂會致癌喔!

註解

註 1:IARC 將致癌物分為四個等級,分別為第 1 級、2 級(又細分為 2A 及 2B 級)、3 級和 4 級致癌物,其中第 1 級代表確認為人類致癌物。

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註 2:陳化(aging),在低於攝氏 5 度環境下放置 4~28 小時,使脂肪固化,安定劑充分吸收水分,增加霜料的黏性及平順感,讓口感更細緻。

參考資料

  1. 衛生福利部食品藥物管理署,2021。有關歐盟食品和飼料快速預警系統(RASFF)通報,自法國輸入「黑巧克力碎牛奶巧克力冰淇淋」、「比利時黑巧克力冰淇淋」、「黑巧克力草莓冰淇淋」、「香草味可可冰淇淋」、「黑巧克力碎焦糖咖啡冰淇淋」及「巧克力起司蛋糕冰淇淋」六項產品,使用之穩定劑(刺槐豆膠)檢出含環氧乙烷(ethylene oxide)殘留不符合歐盟標準。食品藥物消費者專區。
  2. 香港商歌帝梵亞洲有限公司台灣分公司,2021。關於 GODIVA 杯裝冰淇淋進一步聲明。 GODIVA Chocolatier(Asia) Facebook 粉絲專頁。
  3. 徐如欣,2021。環氧乙烷。國家環境毒物研究中心。
  4. 行政院環境保護署毒物及化學物質局,2021。環氧乙烷。毒災防救管理資訊系統。
  5. 食力 foodNEXT,2021。Godiva 六品項冰淇淋因含「環氧乙烷 」而下架回收!推測可能因用於滅菌導致殘留
  6. Bessaire, T., Stroheker, T., Eriksen, B., Mujahid, C., Hammel, Y. A., Varela, J., Delatour, T., Panchaud, A., Mottier, P. and Stadler, R. H. 2021. Analysis of ethylene oxide in ice creams manufactured with contaminated carob bean gum (E410). Food Additives & Contaminants: Part A, 38: 2116-2127.
  7. Hayley, Halpin. 2021. Batches of Nestlé Milkybar and Nuii ice creams recalled over presence of unauthorised pesticide.
  8. Goff, H. D. 2016. Milk proteins in ice cream. Advanced Dairy Chemistry. New York: Springer.
  9. 陳建元,2018。食用食物添加物 (五版)。臺中市:華格那出版有限公司。
  10. 黃國青,2012。「殘留容許量」(MRL)與「安全攝取量」(ADI)指標不同結果方向一致。行政院農業委員會動植物防疫檢疫局。
  11. 陳永煌,2016。環氧乙烷(Ethylene Oxide)中毒之認定基準。勞動部職業安全衛生署。
Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw

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沒看過打不壞的木製球棒?最新「加工法」讓木材硬度堪比金屬!
Rock Sun
・2021/11/19 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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如果今天你想要好好的切食物,該用什麼樣的刀呢?

大家馬上想到的,應該不外乎就是金屬或是陶瓷吧?自古以來要製作工具,這兩個材料一定是首選,直到當代貪圖方便而使用的塑膠刀叉之外,好像想找不太到其他更好的替代方案了。

但是最近,有一群研究人員打破了大眾的想法和材料科學的界線——用木頭製作的刀來取代金屬。

10 月 20 號,這一群來自馬里蘭大學的材料科學家們在期刊《Matter》上發表了一種全新的加工方法,可以把跟木材大幅強化,製作成餐刀等工具。這把刀的硬度不只跟一般的牛排刀不相上下,可以輕鬆地切開 8 分熟的牛排,還可以多次使用、洗滌、有效的回收再利用,整個產品製造過程的能源消耗也比金屬或陶瓷低非常的多,有望在未來取代這類餐具。

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經過最新加工方法製成的木材,所製作出的餐刀可比不鏽鋼材質的更加鋒利。圖/Pixabay

比金屬和陶瓷更環保的選擇:木材

當你環顧生活周遭需要以「堅硬」為訴求的材料,你會發現它們大部分都是人造或經過加工的,因為想製作堅硬的物品,最怕的就是整個物理結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,只要有以上任何一種,工具的耐久度就無法維持多久,然而天然材料通常都有這種缺陷,例如木頭內部會有中空導管,石頭內則會有導致它容易剝落或裂開的天然紋理。

所以物質多半都都需要經過高溫冶煉才能夠成為堅硬的材料,例如光是製造陶瓷,就需要將陶土加熱到幾千度的高溫,而在這個講求環保的時代,有時候又要考慮產品的碳足跡……不用說,從地球土壤中開採鐵礦和陶土所耗費的能源,絕對與使用天然材質相對多很多。

所以這群研究人員把腦筋動到了陪伴原始人類到現在、樸實無華的木頭身上,他們覺得人類還沒發揮木頭 100% 的能力。

一般的木材在結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,無法加工成非常堅硬的工具。圖/Pixabay

請給我木材!人類尚未 100% 發揮它

好幾千年來,人類就不斷地想在木頭身上動手腳,但是在工具和建築上,木頭的加工通常只限於蒸氣曲木和壓縮法,用這種方法處理的木頭都會有個問題,在一段時間過後,木頭本身會有些許的回彈(定型)。

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要知道為什麼就得先了解木頭!

木頭最主要的成分是纖維素,雖然平常可能無感,但纖維素其實有相當高的強度與密度比,表面上看起來是一個輕量又堅固的超理想材質,只看數字的話,甚至凌駕於大部分的高密度建築材料如水泥、金屬等等。但是我們目前加工木頭的方式,都無法把木材的材料潛力發揮到極致,部分是因為纖維素其實只佔了木材的 50%,除此之外還包含半纖維素、木質素等物質,這些聚合物主要是作為介質,而非提供強度,但如果將這些東西去除掉,整個木頭結構會變得容易崩壞。

所以研究團隊找到了方法,移除木頭內比較脆弱的物質,但是仍保留纖維素的結構,這個技術可以把原本木材的硬度整整強化 23 倍,並打造出比不銹鋼刀還鋒利 3 倍的餐刀。

蒸氣曲木加工法,將木材放在充滿蒸氣的箱子內彎曲,能加工出優美的弧線。圖/WIKIPEDIA

兩步驟加工:讓「普通木材」變「超硬木材」

第一步是將木頭浸泡在添加了特定化學物質的水中,並加熱到攝氏 100 度,以去除部分木質素。失去木質素的木材會變得較為柔軟、具有彈性甚至還會黏稠;以往的木材加工通常不會將這個方法用在木材上,除了如上述提到的結構問題外,還會有使用溶劑的毒性問題,但研究人員研發出了毒性較低、還能重複使用的溶劑。

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第二步是對木頭進行高溫加壓,去除水分並讓其材質更為緻密,確保不會有結構上的缺陷,連樹木中原本被導管佔用的空間都能夠去除。

藉由這兩個步驟,他們有辦法去除木頭原本的結構問題,而經過這樣處理後的木頭還可以裁切成想要的形狀,然後再塗抹礦物油延長壽命、也隔絕水分讓纖維素不要再吸水,以免洗滌餐具降低刀子的鋒利程度。

將木材加工為「超硬木材」的實驗步驟。圖/參考資料 1

木材應用百百種!「五金材料」的新未來?

同樣的手法可以用來製作其他工具,例如和金屬釘子一樣堅硬的木頭釘子,一樣可以釘穿 3 塊木板,但是好處是木頭釘子不會有生鏽的問題,除了釘子之外,還有很多東西可以用這種木頭材質製作,例如更耐用的木頭地板。

儘管目前這個技術的使用還只是存在於實驗室環境中,但是不可否認的是,我們還沒有發揮木頭百分之百的實力,只要這個技術成熟,加上樹木可以種植並回收的特性,在未來每個人都可以分配到的超級強化木材資源或許可以凌駕於金屬,或只是打造出打不壞的木製球棒、堅不可摧的小木屋、輕量化的木頭汽車和飛機、或者是一把堪比鋼刀的超強木刀。

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阿銀,你的木刀原來是這麼來的啊 ?

參考資料

2021,《Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic

Rock Sun
64 篇文章 ・ 895 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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福島核災十年後,當地的野生動物還健在嗎?
羅夏_96
・2021/11/09 ・3255字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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2011 年 3 月,一場大地震和隨之而來的海嘯,對日本東北部造成巨大的損害,但災難可遠遠不僅如此。地震與海嘯也侵襲了福島第一核電站,在各種天災與人禍下,最終發展成近年來最大的核事故。為了避免民眾受到核輻射的傷害,日本政府撤離了約 15 萬居民。雖然在後續幾年,部分地區因輻射量大幅降低,已陸續有民眾返回,但不少區域至今仍無人居住。人們撤離是要免受輻射的傷害,不過野生動物可無法撤離,因此這就讓科學家們好奇,這些核輻射究竟對牠們有怎樣的影響。由美國科羅拉多州立大學、喬治亞大學和日本的福島大學所組成的國際聯合團隊,近期發表在 Environment International 上的研究顯示,這些野生動物在核災後,長期暴露在輻射環境中,並沒有出現任何明顯的不良健康影響[1]

核電廠周邊地區的輻射影響和核廢料污染,是不少科學家和民眾長期關注的話題。圖/Pixabay

輻射究竟是什麼?

在福島核災之後,大眾普遍對「輻射」一詞充滿恐懼。但在我們害怕輻射以前,勢必得先了解輻射是甚麼,這樣才不會陷入不必要的恐懼之中。

輻射其實是很常見的現象。輻射是一種從中心點將能量向四面八方送出的方式,而這種方式可透過粒子或電磁波的形式。舉例來說,太陽所發出的太陽光是一種輻射、蠟燭的火光所發出的光與熱也是輻射,甚至手機與電腦螢幕發出的光也是輻射,因此講到這邊你應該就知道,輻射是稀鬆平常的事。

不是所有輻射都會造成危害

既然輻射很常見,那麼為何有些輻射對人體會有危害?這就與輻射的能量有關了。

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前面提到,輻射是能量傳送的方式。若今天發出的輻射能量不高,那自然對人體不會有甚麼傷害。但如果發出的輻射能量極高,能改變甚至破壞如蛋白質和 DNA 等生物分子,這就會傷害人體了。在科學上,這種高能量且會傷害生物體的輻射被稱為「游離輻射」,而那些低能量也不會傷害生物體的輻射,則被稱為「非游離輻射」。因此輻射並非都是不好的,首先要明確知道所談的輻射種類為何,而我們在報章雜誌、社群媒體和科學文獻中看到,會傷害人體的輻射,指的都是游離輻射。在後面的文章中,我會用輻射一詞替代游離輻射,以方便閱讀。

輻射種類。圖/行政院原子能委員會

輻射會改變與破壞生物分子,若輻射強度夠高,是能直接讓細胞死亡的。就算輻射強度沒那麼高,也足以改變細胞內部的構造,使其突變與癌化的機率大幅提高。而人們所懼怕的輻射傷害,很大程度就是後者的狀況。

輻射傷害可分為污染和暴露兩種。輻射暴露指身體直接受到外在輻射線之照射,會傷害人體但不會傳染影響他人;輻射污染是指身體內外留有會發出輻射之物質(又稱放射性物質),不僅會持續危害自身健康,也會導致接觸者被輻射污染物所傷害。而在福島第一核電廠發生爆炸後,大量的放射性物質便隨著爆炸散佈到空氣中。這些在空氣中的放射性物質,會隨著重力沉降或降雨等方式回到地表,沉降累積在土壤、河川或海洋中,讓環境被放射性物質所污染。

當生物處在被放射性物質所污染的環境中,就會持續被輻射所傷害。這也是為什麼在福島第一核電廠爆炸後,日本政府會撤離大量的居民。人類雖然撤離了,但許多野生動物仍繼續在輻射污染區生活,而這就讓科學家們好奇,在這樣的環境中,持續接收輻射是否會對這些動物們產生不良的影響?

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野豬與鼠蛇作為觀察指標

由美國科羅拉多州立大學、喬治亞大學和日本的福島大學所組成的國際聯合團隊,於 2016 年至 2018 年研究福島的野豬和鼠蛇在一系列輻射暴露中的生理情況。以往用來模擬輻射傷害的生物是小鼠,為何研究團隊會選擇這兩個物種做為觀察對象呢?

首先是在生理上,野豬比起小鼠更接近人類,因此是更適合研究輻射傷害的動物。選擇鼠蛇的原因在於,它們的生活型態是貼近地面的。而地面累積不少放射性物質,這使牠們會長期接觸到大量的輻射,受到輻射的傷害也更明顯。而研究團隊選定的觀察生理指標為端粒的長短壓力賀爾蒙的量

端粒是位於染色體兩側的保護性結構,當生物體的 DNA 有損傷或受到持續的壓力,端粒的長度會縮短。研究團隊本來猜測,這些長期生活在輻射污染區的野豬和鼠蛇,會因 DNA 損傷而有端粒縮短的現象。但研究結果顯示,這些生活在污染區的動物,其端粒長度與生活在非污染區的動物沒有區別,另外,端粒的長度與動物生存環境中的輻射量高低沒有關聯。研究團隊也檢測部分與 DNA 損傷相關的指標,但結果和端粒的長度類似。也就是說,環境中的輻射並不會對野生動物的 DNA 造成危害性損傷。

雖然輻射對野生動物所造成的 DNA 損傷影響不大,但在壓力賀爾蒙上卻有所影響。研究顯示,野豬體內的壓力賀爾蒙的量,會隨著環境中的輻射量升高而降低。研究團隊認為持續的輻射傷害,會干擾動物體內壓力賀爾蒙的分泌,進而使壓力賀爾蒙的量降低。

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正常來說,若遇高壓環境(此研究中為輻射傷害),動物會分泌更多壓力賀爾蒙來維持體內平衡,然而壓力賀爾蒙對身體是種負擔,為了讓身體適應高壓環境,壓力荷爾蒙的分泌量反而會減少,這在生理學上稱為「負回饋機制」,當壓力賀爾蒙分泌量減少後,也可能會出現一系列不良的生理反應。(想想那些長期處在高壓環境且賀爾蒙失調的人)

不過雖然壓力賀爾蒙的量有下降,但動物們卻沒有出現任何不良的生理反應。而且野生動物群的數量在這些年來是越來越多。

綜合以上的結果,研究團隊認為目前在輻射污染區中的輻射量,不會對生活在此的野生動物群造成不良的健康影響。

動物沒事,代表人類也能沒事嗎?

看到這兒,想必一些讀者會想:既然野生動物們在輻射污染區中,不僅沒受到致命影響,還欣欣向榮,是否表示人在這些污染區中也沒事呢?答案是不知道。

首先,不同物種對於輻射的耐受度都不盡相同,例如人類能承受的最高輻射量,對於野豬而言,可能只是低劑量。另外,目前生活在污染區的動物們都受到輻射的長年洗禮,或許已發展出應對輻射的生理能力,而這些能力可能是人類不具有的。因此,野豬和鼠蛇在這樣的環境雖沒受到影響,但該環境對人體可能仍有一定的影響。

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其二是在測量環境輻射量上的困難。目前我們對於輻射對生物體的傷害,絕大多數是在實驗以定量的放射性物質進行的研究。在實驗環境中,我們能清楚地控制與計算動物究竟會接受到多少的輻射。但在自然環境中,輻射量會隨著環境的改變而有所變動,因此我們無法知道野生動物所接受的確切輻射量。事實上,我們對於放射性物質在自然環境中會如何改變,是不清楚的。因此,在實驗室中會對動物產生不良影響的輻射劑量,在自然環境中可能不會產生問題。

雖然這篇研究的結果顯示在福島核災後,野生動物在污染區內沒有產生不良影響。但這個結果,長期來看是否仍是如此,仍有待持續觀察(雖然車諾比核災的案例已告訴我們:野生動物長期在污染區內生活,反而欣欣向榮)。當然,我不認為這個研究是要說輻射污染已不是問題,而是提出一個較為客觀的觀察。福島核災後,社會對於輻射的恐懼已到不理性的地步。輻射使用不當確實很可怕,但我們生活中的很多方面,其實都受益於輻射。與其一股腦地恐懼輻射,不如好好地認識輻射,或許才是面對輻射更好的態度。

車諾比核災於 1986 年發生於烏克蘭境內,是人類史上最嚴重的核電廠事故。圖/Pexels

參考資料

  1. Cunningham K et al. Evaluation of DNA damage and stress in wildlife chronically exposed to low-dose, low-dose rate radiation from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident. Environ Int. 2021 Oct; 155:106675. 
  2. Radiation: Effects and Sources
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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟