Step Up！舞出你的科學研究——2021 Dance Your Ph.D.得獎作品簡介

橡膠對現代人的重要性

如果沒了這種物質，世界會是什麼樣子？試想沒有輪胎的汽車、沒有奶嘴的奶瓶、沒有腳蹼和潛水服的潛水器材、沒有橡皮擦的鉛筆、沒有黃色小鴨的童年⋯⋯

這種質地特殊的材質便是橡膠。橡膠來自原生於亞馬遜叢林、名為「巴西橡膠樹」的樹木（Hevea brasiliensis，命名來源就是因為這種植物生長於巴西）。

不過，歐洲人首次注意到的橡膠樹其實是圭亞那橡膠樹（Hevea guianensis）。樹如其名，這種橡膠樹生長於圭亞那。

在歐洲人「發現」橡膠樹的時代（印第安人當然很早就認識了這種植物），圭亞那是個鮮為人知的蠻荒之地，沒有火箭發射場也沒有淘金客。

當時也不流行生態旅遊、T 潘趣酒（ti-punch，一種蘭姆酒的調酒）或卡宴辣椒。當時的人也從未想到，這種看似平凡的熱帶樹木即將引發高潮迭起的植物和經濟熱潮⋯⋯偶爾還有些悲壯。

有位巧手的工程師正在尋找會哭泣的樹木

第一位對橡膠產生興趣的人，是胥修德里領主、加陶迪耶的弗朗索瓦．弗雷諾（François Fresneau de la Gataudière, 1703–1770），他在 1703 年生於牡蠣的原鄉、法國西南部的馬雷訥。他的全名看起來充滿上流社會的氣息，我們在這本書中稱呼他為弗雷諾就好。

弗雷諾本人似乎遭到歷史遺忘，但他的發現和成就改變了世界。就如同法國歌曲〈塑膠超讚〉的歌詞：「塑膠超讚，橡膠超柔軟」！今日的人類已經可以羅列出超過 25,000 種不同的橡膠用途。

路易十五的海軍大臣莫爾帕伯爵菲利波（Jean-Frédéric Phélypeaux de Maurepas, 1701–1781）任命弗雷諾為圭亞那首府開雲的皇家工程師。弗雷諾當年29歲，而且熱情滿滿。

弗雷諾的第一份工作便是研究新堡壘如何搭建。他也需要採收植物，以便充實皇家花園。他對當時圭亞那的可可園十分感興趣。工程師弗雷諾的得意作品中，最令他得意的發明作品是⋯⋯蟻巢毀滅器！果真是自由奔放的年輕人。

發明蟻巢毀滅器的天才：弗雷諾

當時，可可園遭受紅螞蟻入侵，而充滿創意與膽識、彷彿十八世紀馬蓋先（譯註 美國冒險影集《百戰天龍》主角）一般的弗雷諾便發明了可以將硫磺吹進蟻巢的機器。

螞蟻因此蒙受苦難。他持續搭建非常實用的引擎：將溝渠斜坡上的泥土提起並移走的起重機、磨碎木薯或小米的手磨機、從木薯根部榨出水分的壓縮機。他還策畫了奧亞波克河新哨所的防禦工事。

弗雷諾被自己的成功沖昏了頭，希望加官晉祿，要求升任上尉。當時的圭亞那監察專員也認為弗雷諾「熱情澎湃，宛如英雄」。

然而，他卻受到其他殖民地老長官和開雲教士社群的忌妒，升官之路受阻。於是，弗雷諾前往鄉間，僱用 八名「黑人」（請記得，當時的法國人仍使用「黑人」、「野蠻人」、「生番」等稱謂來稱呼和殖民者長相不相似的族群⋯⋯），並種植甘蔗、木藍等植物。

他也持續發展自己的防禦工事專長，發明了一種可以用來製磚的泥沙混和物。真是位天賦異稟的工程師啊！

——本文摘自《植物遷徙的非凡冒險》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）自 2019 年底至今，已邁入第四年，全世界至少有 6500 萬人患有長新冠（Long COVID），有時稱為「COVID-19 的急性後遺症（post-acute sequelae of COVID-19）」；至少在 10% 的新冠病毒（SARS-CoV-2）感染中可能發生，影響包括 200 多種症狀與多重器官系統的健康。

根據今年（2023）1 月《自然評論微生物學》（Nature Reviews Microbiology），由漢娜·大衛斯（Hannah E. Davis）與艾力克·白楊（Eric J. Topol）等人的論文指出，目前長新冠發病機制至少有五至六種假設，新冠病毒持續殘留在人體組織中，包括免疫失調、微生物群破壞、自體免疫、血栓和內皮異常、以及神經信號傳導功能失調等，目前尚無經過驗證的有效治療方法。

大衛斯與白楊等人發現，長新冠與所有年齡和急性期疾病嚴重程度相關，36～50 歲之間的診斷比例最高，大多數長新冠發生在「輕度」、「急性」的「非住院」患者中。此研究綜合整理了目前科學對長新冠認知的主要進展：包括免疫學和病毒學、血管問題和器官損傷、神經和認知系統、肌痛性腦脊髓炎（也稱為慢性疲勞綜合症，ME／CFS）和自主神經功能障礙與相關疾病、生殖系統、呼吸系統以及胃腸道系統。其中對生殖系統的影響分析指出，此類病徵在長新冠中經常出現報告，但卻很少有研究來記錄影響的程度，以及性別特異性的病理生理學。

新冠對生殖系統的影響

大衛斯與白楊等人的研究進一步探究長新冠對生殖系統的影響。

在男性方面，生殖器官組織中存在病毒會增加勃起功能障礙的風險，這可能是由內皮功能障礙所引起；而長新冠患者的精子數量、精液量、活力、精子形態和精子濃度會受損，這些現象和 扮演細胞訊號傳導的細胞激素（cytokines）水準升高、以及精液中觀察到與細胞凋亡有關的凋亡蛋白酶（或稱胱天蛋白酶，caspase） 相關。 

在女性方面，目前已知受新冠病毒的影響包括：月經和月經前一周是觸發長新冠的因素、卵巢中卵泡的庫存量（ovarian reserve）下降、以及生殖內分泌紊亂等。新冠病毒感染亦會影響卵巢激素的產生和（或）子宮內膜反應，同時患有新冠和月經不正常的人更容易出現疲勞、頭痛、身體疼痛和呼吸急促。

最常見的月經變化包括月經不調、經前症狀增加和月經不頻繁等。研究也顯示，ME／CFS 與經前期焦慮障礙、多囊卵巢綜合症、月經週期異常、卵巢囊腫、絕經提前和子宮內膜異位症有關。此外，妊娠、產後變化、絕經期和月經週期波動亦會影響 ME／CFS，並影響代謝和免疫系統變化。

經期相關的症狀 發炎反應可能扮演關鍵角色

而美國《時代》週刊（Time）則於今年四月，綜合報導了新冠病毒和長新冠對於男女生殖健康的影響，報導分別分析了最新醫學研究、案例以及後續影響人們的生育選擇。

《時代》指出，根據美國人口普查局的最新數據（2023／3／22），在生育年齡（18～39 歲）患有新冠的成年人中，約有 25% 的症狀持續至少三個月，且女性得到長新冠的風險高於男性。《時代》訪問了長新冠的女性患者，並讓她們描述自己的情況，比如因為極度疲勞而使得原先的神經系統疾病惡化、大多數的時候只有走出家門走一小段路的力氣、或是每週只有足夠的精力洗一次澡。她們說她們很難想像要照顧寵物，更不用說照顧孩子了。

另一方面，長新冠可能影響成人的生育選擇，這個結果可以從另一個問題來觀察。報導中再次強調新冠確診後，對男性而言，新冠病毒可能會損害男性精子數量和品質、睾丸功能和激素水平，短期內也可能會降低生育能力、出現勃起功能障礙，使女性更難懷孕。就女性而言，某些生育指標在確診後至少幾個月內較低，而懷孕期間確診的婦女可能會影響月經週期，增加子癎前症（preeclampsia）與早產等併發症發生的機會。對於患有子宮內膜異位症者來說，除了會增加長新冠的風險外，妊娠和 ME／CFS 亦可能互有關聯。

伊利諾伊大學厄巴納——香檳分校的教授凱特克蘭西（Kate Clancy），在接受時代訪問時說明，長新冠、經期變化和經期症狀發作之間彼此的連結，可能和「發炎反應（inflammation）」有關，因為「子宮在很大程度上是一個免疫器官」，它阻止病原體進入，同時讓胚胎安全生長，並定期脫落和修復組織，因此子宮對發炎和其他免疫反應高度敏感。

因此這也引發另一個問題：在婦女懷孕期間確診新冠，是否會對胎兒造成影響？

長新冠對懷孕婦女的胎兒有何影響？

根據發表在 JAMA Network Open 的研究（2023／3／23），研究人員發現，懷孕期間感染新冠病毒的母親所生的男嬰，更有可能在出生後引發神經發育障礙，增加患自閉症風險。

在早期的研究已經確定，「懷孕期間的其他感染」與「兒童神經發育障礙」之間有關聯。但有關新冠病毒的部分，則是在此新研究中更進一步確認。馬薩諸塞州總醫院和哈佛醫學院論文共同主要作者 安德利亞愛德洛（Andrea Edlow），在接受訪問時說：「與母體新冠感染相關的神經發育風險在男嬰中不成比例地高，這與男性在面對產前不良暴露時已知的脆弱性增加一致。」

加劇的挑戰

另一位共同主要作者洛伊佩利（Roy Perlis）則指出，對於長新冠，有必要透過更大規模的研究和擴展長期監測，來進一步調查、評估這種潛在風險。此外，人們普遍缺乏新冠病毒染疫後的知識，亦存在許多錯誤資訊，對此，大衛斯與白楊等人在研究的最後呼籲，長新冠長期研究和護理知識的不足，是目前亟需解決的迫切問題。研究也呼籲，長新冠對生殖系統的影響，尤其在子宮內膜異位症等發炎性疾病間的機制研究尤其不足，應該要予以重視；除了向生物醫學界提供有關長新冠的教育外，更需要展開大眾宣傳活動、向公眾宣傳長新冠的風險和結果。

長新冠患者的臨床需求不斷增加，研究、評估和治療缺一不可；對於許多患者來說，長新冠不僅僅是一個醫療問題，它還會影響工作、人際關係和生活計劃，包括何時、如何以及是否生育孩子。長新冠不僅加劇醫病關係的挑戰，同時也影響未來世代的健康。

參考文獻

• Davis, H. E., McCorkell, L., Vogel, J. M., & Topol, E. J. (2023). Long COVID: major findings, mechanisms and recommendations. Nature Reviews Microbiology, 1-14.
• Jamie Ducharme, Long COVID Is Making Some People Choose Not to Have Kids, Time, 2023/04/04. https://time.com/6268429/long-covid-reproductive-health/ 
• SciTechDaily, COVID-19 Infection During Pregnancy Linked to Higher Risk of Neurodevelopmental Disorders. 2023/03/27. https://scitechdaily.com/covid-19-infection-during-pregnancy-linked-to-higher-risk-of-neurodevelopmental-disorders/ 

• 作者／王潔、許惠晴

• 作者簡介
  • 王潔／麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系，研究領域為生物可降解高分子的開發與應用。
  • 許惠晴／清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理。

• Take Home Message
  • 聚乳酸（PLA）為生物可分解塑膠，在高溫與高濕度的堆肥環境下 PLA 能被微生物分解並轉換成二氧化碳。
  • 目前臺灣並未將 PLA 的回收和堆肥機制立法，即使業者能回收、製作堆肥，也不能合法販售，無法使金錢流與物質流一同循環。
  • PLA 屬於塑膠回收分類的第七類，但臺灣民眾認識不足、政策與回收物末端處理也未做好準備，因此自今（2023）年8月起將禁用 PLA 免洗餐具。

在日常生活中購買商品時，常會看到商品標榜使用生物可分解塑膠（biodegradable plastics）作為盛裝容器，而聚乳酸（polylactide，PLA）則是許多人耳熟能詳的種類之一。自臺灣 2002 年實施限塑政策以來，PLA 逐漸被業者所採用，但在今（2023）年8月卻又將被政府修法禁用。

為什麼 PLA 過去能在塑膠市場中嶄露頭角？如今又為何被禁用？

來自可再生資源的PLA

雖然 PLA 的耐受溫度受限在 50℃ 以下，但它的外觀或材料強度，與日常可見的傳統塑膠如聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚丙烯（polypropylene，PP）等十分相近。如果我們在生活中特別留意，可以發現生鮮托盤、雞蛋盒、冷飲杯、餐具等都可能是 PLA 製品。因此在拋棄時需要特別注意，將它與傳統塑膠區分開來，歸在塑膠回收分類的第七類（即其他類）。相較於傳統塑膠，PLA 除了號稱生物可分解之外，原料與製程也與傳統塑膠大有不同——PLA 的原料來自植物澱粉，例如玉米、馬鈴薯等，也就是所謂的生物基（biobased）。

澱粉經加熱或酵素分解成葡萄糖後，再藉由特定菌種的糖解（glycolysis）與發酵（fermentation）作用，成為聚合前的乳酸（lactic acid）單體，隨後再經由一連串加熱、脫水、聚合成為最終的高分子成品—— PLA。由於 PLA 的原料來自於可再生的植物資源，並非不可再生的石油，且植物在種植過程會吸收大氣中的二氧化碳，也能對溫室氣體的減量做出貢獻。因此在世界各國強調減碳的趨勢之下，PLA 確實是十分優秀的替代物。

可堆肥塑膠的生物分解過程

既然被稱為生物可分解塑膠，PLA 究竟如何被生物分解呢？PLA 屬於聚酯類（polyester），聚酯中的酯鍵較能被環境中的水分或生物水解酵素分解，可說是生物可分解塑膠類別裡的大宗。此外，在學術期刊中也能找到 PLA 藉由生物酵素、菌種或堆肥分解的資料。

不過在現實生活裡，處於「生物分解」過程中的塑膠會是什麼模樣呢？若以歐洲的可堆肥塑膠認證標準（EN 13432）為例，通過重金屬檢測的塑膠材料在「控制環境條件的堆肥」中存放三個月後，必須有90％ 崩解成小於兩毫米（mm）的碎塊；塑膠中 90％ 的有機質在六個月內能被轉換成二氧化碳；最後則是將此堆肥用於生物毒性測試，確認植物是否能於其中生長良好。

筆者團隊參考生物分解性試驗（ISO 14855-1 / ASTM D5338）的國際標準，透過控制環境條件的小型堆肥，實證 PLA 塑膠片的生物分解性（圖一）。在實驗中僅使用一般市售腐植質培養土作為資材，其中的菌類活躍程度應不如發酵中的堆肥，但依然能在兩個月內看見塑膠片碎裂、消失（圖二）。此外，含有PLA 塑膠片的堆肥相較於無添加 PLA 的堆肥，也被偵測到有較多的二氧化碳產出，透過計算可得出約有60％ 的 PLA 已被轉換成二氧化碳。然而，這些堆肥的「控制環境條件」特殊，溫度除了必須設定在50℃ 以上之外，還需要維持在高濕度。

PLA 堆肥實況與臺灣現況

如果在實驗室外、變動因素較多的環境下，PLA 塑膠也能如此順利地被分解嗎？對於這點，臺灣其實已有業者實做出 PLA 塑膠袋的回收與大型堆肥（圖三），並將熟成後的肥料實際用在自家農園中。然而這些堆肥其實也不僅是混合植物資材、動物糞便等有機質及 PLA 而已，堆肥中的各個資材種類需有特殊配比，才能讓堆肥在發酵至腐熟的過程中可以發熱至一定的高溫。此外，溫控設備需要將堆肥的溫度穩定控制在 60℃；還需要定期灑水與自動曝氣，幫助維持堆肥中微生物的生存條件。雖然號稱為生物可分解塑膠，但要讓 PLA 回歸大自然似乎不是件輕而易舉的事。

透過堆肥的方式使生物分解後繼續作為農用肥料，或是回收再製成二次塑膠，其實都是讓 PLA 留在物質循環裡的方式，也切中了近年來許多單位提倡的「循環經濟」（circular economy）。以現今的堆肥技術而言，PLA 堆肥已能夠穩定熟成並有所產出，在塑膠回收再製方面也有一定程度的技術，因此「效益」便是選擇做與不做的關鍵。

至今為止，臺灣對於制定可堆肥塑膠的相關政策仍未臻完善，並未立法建立回收機制讓 PLA 廢棄物能進入堆肥中。即使業者自行將塑膠獨立回收進行後續的堆肥處理，完成後的肥料也不能合法販售，無法形成完整的金錢流與物質流一同循環。

最後，PLA 在臺灣的普及度相較於傳統塑膠來說本來就不高，回收率又十分低迷：根據 2021 年環保署回收基管會的統計數據，PLA 在臺灣的回收率僅有5～6％。除了市場流通量小，再加上因為制度與民眾教育不足所導致的低回收率，使得 PLA 廢棄物的處理缺乏效益。沒有經濟誘因，何來循環？

歐盟政策推動塑膠永續的做法

歐洲對於塑膠永續的推動，在國際上可說是領先的角色。歐盟（European Union，EU）更是持續支持生物可分解塑膠或可堆肥塑膠的發展，並在去（2022）年11月底提出了《生物基、生物可分解與可堆肥塑膠政策框架》（EU policy framework on biobased, biodegradable and compostable plastics），聲明生物基、生物可分解與可堆肥塑膠在汙染議題中的目標、應用價值及適當的使用方式，進而引導往後的立法，以及永續的塑膠市場。

首先，以 PLA 的材料本質來說，它的原料來自於玉米、馬鈴薯等植物，雖然能夠減少消耗石油資源，但仍應當兼顧生態多樣性、土地與水源利用。畢竟種植經濟作物的同時，勢必得開發自然土地、占用部分水源，甚至不可避免地需要使用化學肥料或農藥，進而危害到原始生態系。另外，為了生產塑膠影響到糧食供應也可能是個隱憂，若能優先使用回收塑膠、有機廢棄物或副產物作為塑膠原料，將能夠降低為了生產 PLA 對生態系與糧食的影響。

歐盟的政策框架對於「生物可分解」塑膠的性質，則認為「廢棄物管理不周」的問題不應該以生物可分解塑膠作為解方。生物可分解塑膠常被應用在消耗快、難以資源循環、生命週期短的產品上，雖然容易被丟棄但仍有它的特定分解環境與分解時間需求。像是需要在高溫、高濕環境才能分解的 PLA 就是很貼切的實例，它需要搭配消費者正確的認知、使用與回收習慣，才不會和傳統塑膠一樣累積在環境中造成汙染。

總結來說，歐盟對於生物基、生物可分解與可堆肥塑膠的運用，希望以減量、再利用及回收，也就是「3R」（reduce、reuse、recycle）為優先原則，並達成資源循環、資源利用效率、氣候中和、零汙染、生態多樣性維持等永續目標。

PLA 的未來

雖然本意是為改善傳統塑膠汙染問題並因應限塑政策，但臺灣卻在立法、回收機制、廢棄物後端處理，以及民眾教育均尚未準備好的情況下就讓 PLA 進入市場。傳統塑膠回收分類中的六大類已經夠讓人眼花撩亂，再多一項 PLA 加入第七類，更會增加人們拋棄塑膠時的困擾。

也由於民眾尚未建立完整的回收概念、後端堆肥處理機制也未完善，導致 PLA 被使用後的去處如同沒被回收的傳統塑膠般，變成了垃圾；即使 PLA 被正確回收，也沒有廠商能二次使用或再製成堆肥。這兩項原因最終都可能讓 PLA 進入到焚化爐、掩埋場或流向大自然。

還有一種情形是民眾落實了塑膠回收，但卻將 PLA 與傳統塑膠歸在同一類，使 PLA 混入傳統塑膠的再製過程，影響了它二次塑膠的性質。美國知名速食業者在臺灣也曾以含有開口的 PLA 杯蓋取代傳統塑膠吸管的使用、冷飲杯與沙拉碗同樣使用 PLA 材質，但也因為察覺到消費者回收上的不便，以及質疑 PLA 的最終流向，令他們在 2020 年停用了 PLA 材質包裝。臺灣也終於要修法，即將於今年8月禁止使用生物可分解塑膠免洗餐具。

面對塑膠汙染議題，其實從來就不只是「塑膠材質是否為環境友善」單方面的責任。PLA 在來源以及生物可分解方面確實相較於傳統塑膠有它的優勢，但卻也需要使用者正確的觀念配合及政策支持才能完整達到環保的目的。最後，「塑膠減量與再利用」也是緩解塑膠汙染重要的一環。透過綠色塑膠材質與減量雙管齊下，才能讓塑膠發展平衡地邁向永續。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
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