2

5
5

文字

分享

2
5
5

真菌與藻類的共生體,有著「陸上的珊瑚」之稱——地衣

許阿鳥_96
・2022/03/23 ・2967字 ・閱讀時間約 6 分鐘

地衣是可以作為空汙指標的生物

爬山的時候,路邊的石頭上、樹皮上,常常可以見到一層有點粉粉的、很像青苔的小生物。它們有綠色、灰色、黃色、紅色,呈現殼狀、葉狀、枝狀等各種形狀。它們的名字叫「地衣」,雖然常常與苔蘚混淆,不過它們並不是植物,而是真菌和藻類的共生體:真菌形成外殼,提供藻類保護;藻類行光合作用,提供真菌養分。科學家稱呼地衣時習慣以真菌的名稱來代表。由於它們也是靠共生藻提供養分,又有多變、多彩的外形,所以有「陸上的珊瑚」之稱。

地衣對空氣中的化學成分很敏感,可以作為空氣汙染的指標。因此,如果你家附近的路邊、行道樹上出現地衣,那代表你家附近的空氣很乾淨喔!除此之外,由於地衣的生命力強韌,它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅,在植物長出來之前,地衣就會先一步到達,把岩石分解成土壤,為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地,冬季寸草不生,只有地衣可以生長。因此,地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

地衣可以做成染劑,而大家熟悉的石蕊試紙當中使顏色變化的成分,也是從地衣中提煉出來的。以下,就讓我們來認識一些美麗的地衣吧。

石蕊

石蕊屬於石蕊科(Cladoniaceae)、石蕊屬(Cladonia),屬於枝狀地衣,形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭,生長在中高海拔向陽的岩石上。

攝影:Cleyera Chou

地衣的繁殖構造稱為子囊果(ascocarp),有些種類的石蕊在小喇叭的邊上會長出鮮紅色的子囊果,像不像帶著紅色帽子的英國士兵呢?因此,這些地衣又被稱為「英國士兵地衣(British Soldier Lichen)」。

攝影:Cleyera Chou

地卷

地卷屬於地卷科(Peltigeraceae),地卷屬(Peltigera),屬於葉狀地衣,形狀就像一個黑色的手掌,有尖尖的橘色指甲。其實,「指甲」的部分是它的子囊果,由於形狀扁平,又稱為子囊盤(apothecium)。生長在山區潮濕的土壤、岩石和樹皮上。因為它們的形狀很像狗的牙齒,在英文中被稱為「狗地衣(dog lichen)」。在中世紀的歐洲,由於形狀很像狗牙的緣故,地卷被認為可以治療狂犬病。人們會把地卷磨成粉末,加入胡椒和熱牛奶,作為治療狂犬病的偏方。

攝影:Cleyera Chou

裸緣梅衣

梅衣科(Parmeliaceae)是目前已知最大的一個地衣科,有 77 屬 2765 種,形態、生長環境各有不同。其中,裸緣梅衣屬(Parmotrema)是很大的一個屬,包含了多種十分常見的地衣。圖中的大裸緣梅衣(Parmotrema tinctorum)就是最常見的地衣之一。

它們是葉狀地衣,顏色從灰綠到灰白,形狀有點像嚼過的口香糖,壓扁後黏在樹皮上的樣子。它們生長在中低海拔的樹皮上,經常出現在都市的行道樹幹上。下回,仔細觀察住家附近的行道樹,或許可以發現它們的蹤跡喔!

一張含有 真菌, 樹, 室外, 岩石 的圖片

自動產生的描述
攝影:許翠庭

絨衣

你是否見過山壁上、岩石上、樹皮上長出黃綠、褐綠色的絨毛呢?它們不是青苔,而是絨衣屬(Coenogonium)的地衣。絨衣是一類很特別的地衣,大部分的地衣都是由真菌外殼決定形狀,但絨衣卻是由絲狀的共生藻——橘色藻屬(Trentepohlia)構成主要的形狀,這也是為什麼絨衣摸起來毛茸茸的原因。翻起一片片絨衣,有時可以看到點狀的子囊盤長在絨毛的背面。

一張含有 魚 的圖片

自動產生的描述
攝影:許翠庭

松蘿

和上述的裸緣梅衣一樣,松蘿屬(Usnea)也是屬於梅衣科,形態卻大不相同。它們是枝狀地衣,長得像淺綠色的頭髮,和園藝店常見的空氣鳳梨十分相似。其實,空氣鳳梨是被子植物中的鳳梨科(bromeliaceae) 鐵蘭屬(Tillandsia),松蘿是真菌、藻類共生而成的地衣,兩者是完全不一樣的。松蘿生長在中、高海拔霧氣豐富的森林中,常常與下面會提到的樹花(Ramalina)一起出現在樹枝、樹幹上。

攝影:Cleyera Chou

樹花

樹花屬於樹花科(Ramalinaceae)樹花屬(Ramalina),形態和松蘿有點相似,都是淺綠色的枝狀地衣,差別在於樹花比較短,呈現一束束的簇生狀態;松蘿則長了許多,垂掛在樹枝上。圖中的圓盤狀構造,是樹花的子囊盤。

樹花和松蘿是好朋友,常常一起出現在中、高海拔雲霧森林的樹枝和樹幹上,喜歡生長在樹的向陽面。樹花含有一種稱為松蘿酸(Usnic acid)的化學物質,是製做抗生素的重要原料。

攝影:Cleyera Chou

膠衣

膠衣屬於膠衣科(collemataceae)。膠衣科的地衣有一個特徵:大部分的地衣主要的共生藻類都是綠藻(chlorophyta),但膠衣科地衣主要的共生藻類都是藍綠細菌(cyanobacteria),因此,膠衣科的地衣形態成膠狀,有點像橡皮的質感,和其他地衣很不一樣。圖中的地衣屬於膠衣科的貓耳衣屬(Leptogium),生長在低海拔的森林中,樹幹的陰涼面。粉紅色圓盤狀構造是它的子囊盤。

攝影:Cleyera Chou

肺衣

肺衣屬於肺衣科(lobariaceae)肺衣屬(Lobaria),同時含有綠藻與藍綠細菌兩種共生藻類。它們有皮革的質感,葉面上有許多凸起的脈和凹下的凹槽,背面則有肺泡一般隆起的小包,裡面含有共生的藍綠細菌。由於形態很像肺臟,有肺泡般的構造,因此被稱為「肺衣」。

在許多文化中,肺衣都具有藥用的功能。例如在中醫的系統裡,肺衣被稱為「老龍皮」,有消食健脾,利水消腫,祛風止癢的效果,在印度、義大利等地也有藥用的紀錄。此外,肺衣中也可以提煉出松蘿酸,作為抗生素使用。

攝影:Cleyera Chou

赤星衣

赤星衣屬於赤星衣科(haematommataceae)赤星衣屬(Haematomma),屬於殼狀地衣,生長在樹皮表面。赤星衣有鮮紅色的子囊盤,非常醒目。

攝影:Cleyera Chou

盤腎衣

盤腎衣屬於盤腎衣科(nephromataceae)盤腎衣屬(Nephroma),形狀像一片一片的小蚌殼,生長在樹皮上。

攝影:Cleyara Chou

地衣雖然不起眼,仔細看卻擁有各異其趣的美麗。下次爬山時不妨放慢腳步,仔細看看這些小生命,將會發現許多驚奇唷!

參考資料:

文章難易度
所有討論 2
許阿鳥_96
2 篇文章 ・ 5 位粉絲
台大生態學與演化生物學研究所畢業。火星上的人類學家。

0

5
1

文字

分享

0
5
1
植物口渴就喊:「啵、啵、啵~」
胡中行_96
・2023/04/06 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

久旱不雨,植物悲鳴,[1, 2]類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」(khàu-iau)。[3]別問為何沒聽過,也不怪天地寡情,人類無義,從來漠不關心。植物叫那種超音波,傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙,轉換到常人的聽覺範圍,並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》(Cell)期刊,才廣為周知。[1]

轉換到人類聽力範圍的番茄「叫聲」。音/參考資料 1,Audio S1(CC BY 4.0)

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅,植物會做出多種反應,例如:改變外貌,或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。[1]過去的文獻指出,缺水引發空蝕現象(cavitation),使植物負責輸送水份的木質部,因氣泡形成、擴張和破裂而震動。[1, 4]現在科學家想知道,這是否也會產生在特定距離內,能被其他物種聽見的聲音。[1]

受試的對象是番茄菸草,分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器,以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段:首先,在隔音箱裡,距離每個受試對象 10 公分處,各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後,拿去進行機器學習。接著移駕溫室,讓訓練好的模型,分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來,觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後,也測試其他的植物和狀態。[1]

麥克風對著乾旱、修剪和對照組的植物收音。圖/參考資料 1,Graphical Abstract局部(CC BY 4.0)

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物,每小時平均發聲少於一次;而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地,遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物,反應則十分劇烈:[1]

 平均值(單位)番茄菸草
乾旱發聲頻率(次/小時)35.4 ± 6.111.0 ± 1.4
 音量(聲壓分貝;dBSPL)61.6 ± 0.165.6 ± 0.4
 聲波頻率(千赫茲;kHz)49.6 ± 0.454.8 ± 1.1
修剪發聲頻率(次/小時)25.2 ± 3.215.2 ± 2.6
 音量(聲壓分貝;dBSPL)65.6 ± 0.263.3 ± 0.2
 聲波頻率(千赫茲;kHz)57.3 ± 0.757.8 ± 0.7

隔音箱中實驗組的錄音,被依照植物品種以及所受的待遇,歸納為 4 個組別,各組別再彼此配對比較,例如:乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型,判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行,自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音,來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後,令其區別乾旱與對照組番茄的聲音,結果 84% 正確。[1]既然能聽得出基本的差別,下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量(volumetric water content,縮寫VWC),即水份與泥土體積的比值或百分比,[1, 5]科學家狠下心,連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化;一邊錄下它們的聲音。起先水份充足,番茄不太吵鬧;4、5 天下來,發聲的次數逐漸增加至高峰;然後應該是快渴死了,有氣無力,所以次數又開始減少。此外,番茄通常都在早上 8 點(圖表較像 7 點)到中午 12 點,以及下午 4 點至晚上 7 點,這兩個時段出聲。[1]科學家覺得這般作息,可能與規律的氣孔導度(stomatal conductance),也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發,兩個透過氣孔進行的動作有關。[1, 6]

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現;當 VWC > 0.1,水份還足夠,就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05,以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來,都有七、八成的準確率。[1]

縱軸為每日發聲次數;橫軸為缺乏灌溉的天數。圖/參考資料 1,Figure 3A(CC BY 4.0)
乾旱狀態下,番茄發聲的時段。縱軸為每小時發聲次數;橫軸為 24 小時制的時間。圖/參考資料 1,Figure 3B(CC BY 4.0)

植物發聲的原理

實驗觀察所得,都將植物發聲的機制,指向木質部導管中氣體的運動,也就是科學家先前預期的空蝕現象[1]下面為支持這項推論的理由:

  1. 木質部導管的口徑,與植物被錄到的聲波頻率相關:寬的低;而窄的高。[1]
  2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同:在木質部導管中,前者氣泡形成緩慢,發聲時數較長;而後者則相當迅速,時數較短。[1]
  3. 聲音是由植物的莖,向四面八方傳播。[1]
  4. 空蝕現象造成的震動,跟記錄到的超音波,部份頻率重疊;而沒有重疊的,其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。[1]
葡萄、菸草和番茄木質部導管的水平橫截面。圖/參考資料 1,Figure S4B(CC BY 4.0)
葡萄(綠色)、菸草(灰色)和番茄(橙色)的差異:縱軸為聲波頻率;橫軸是木質部導管的平均口徑。圖/參考資料 1,Figure S4A(CC BY 4.0)

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後,科學家不禁好奇,別的植物是否也會為自己的處境發聲?還是它們都默默受苦,無聲地承擔?研究團隊拿小麥玉米卡本內蘇維濃葡萄(Cabernet Sauvignon grapevine)、奇隆丸仙人掌(Mammillaria spinosissima)與寶蓋草(henbit)來測試,發現它們果然有聲音。不過,像杏仁樹之類的木本植物,還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外,科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒(tobacco mosaic virus)的番茄,並錄到它們的病中呻吟。[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出,海邊月見草(Oenothera drummondii)暴露於蜜蜂的聲音時,會產出較甜的花蜜。[2]若將角色對調過來:植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波,頻率約在 20 至 100 kHz 之間,理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲,例如:蝙蝠、老鼠和飛蛾,應該聽得到。[1, 2]以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾,或許能辨識植物的聲波,並做出某些反應。同理,人類可以用機器學習模型,分辨農作物的聲音,再給予相應的照顧。如此不僅節省水源,精準培育,還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。[1]

  

備註

本文最後兩個子標題,借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。[7]

參考資料

  1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
  2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
  3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 01 APR 2023)
  4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
  5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
  6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
  7. FireRock Music.(16 JUN 2019)「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.
胡中行_96
116 篇文章 ・ 39 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

1

2
0

文字

分享

1
2
0
如何養出活體真菌智慧鞋墊?
胡中行_96
・2023/04/03 ・2335字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「我要謝謝 Pleurotus ostreatus [註]在研究中的配合。」2018 年非常運算實驗室(Unconventional Computing Laboratory)主持人 Andrew Adamatzky 教授,於英國皇家學會(the Royal Society)的《介面聚焦》(Interface Focus)期刊上,介紹如何用真菌天然的電力活動,來運作電腦。[1, 2]文末還真情流露地,感恩「它們」對研究的貢獻。[1]2023 年 3 月,他的寶貝真菌 P. ostreatus 又來了!這次改由該實驗室的另一位科學家 Anna Nikolaidou 領軍,於《科學報告》(Scientific Reports)期刊,教大家怎麼養出智慧鞋墊。[3]

Pleurotus ostreatus。圖/Maja Dumat on Flickr(CC BY 2.0)

智慧感測鞋墊

智慧感測鞋墊(intelligent sensing insoles),簡稱「智慧鞋墊」(smart insoles)。理想上,不僅要偵測步態、平衡、姿勢和肌肉力量等,以診斷並治療疾病;最好還能兼顧經濟、美觀、電力持久等諸多需求。依照其功能,大致分為三類:[3]

  1. 被動智慧鞋墊(passive smart insoles):能感應負重、地貌,以及揮發性有機化合物等。[3]
  2. 主動或互動智慧鞋墊(active or reactive smart insoles):可以在感測後,做出反應。[3]
  3. 先進智慧鞋墊(advanced smart insoles):除了感測和反應,還能因應使用的環境,進行適切的調整。[3]

智慧鞋墊運用的範圍,包括:運動訓練,以及監測身障、癡呆或年長者的行動安全等。被寄予厚望的同時,難免大量耗電。要嘛電池體積龐大,塞不進設計的造型;要嘛削足適履,導致續航力不足。再加上高昂的售價,以及有限的鞋款和尺寸選擇,都令智慧鞋墊普及不易。[3]於是,英國非常運算實驗室的團隊,就捧著 P. ostreatus 向世人宣告,潛力解方在此!

製作鞋墊

研究初期,實驗團隊選了三種材質的墊子,試著在上面養 P. ostreatus:[3]

  1. 麻質鞋墊(hemp insoles):買來幾個牌子的產品,都不容易養出真菌。科學家懷疑廠商為防細菌造成臭味,做過化學處理,結果意外害到真菌。[3]
  2. 麻纖不織布墊(non-woven hemp matting):養得出真菌,但其自然產生的電力活動,似乎因為布料含水量易變,而不太穩定。此外,結構比較不結實。[3]
  3. 毛細作用墊(capillary matting):其特質最適合實驗的要求,因此雀屏中選。[3]

決定之後,就可以正式開始養鞋墊了~

材料與設備

  1. 好培育又易收成,以黑麥為主的雜糧養出來的真菌 P. ostreatus[3]
  2. 由羊毛與壓克力複合的3毫米厚毛細作用墊,剪成的英制女鞋 10 號鞋墊(下圖a)。[3]
  3. 28 × 14.5 × 11 公分的 5 公升裝無菌塑膠容器[3]
  4. 49.5 × 32公分的聚丙烯(PP)塑膠袋[3]
  5. 0.5 微米空氣過濾貼片[3]
  6. 食品保鮮用的封口夾[3]
  7. 經過去離子處理的純水[3]
  8. 有 Mylar 不透光塑膠內裡的水耕栽培帳篷[3]
圖/參考資料 3,Figure 1(CC BY 4.0)

培養步驟

  1. 在裝有黑麥等雜糧的塑膠容器底部養 P. ostreatus。[3]
  2. 將噴灑過純水的鞋墊放在上面。[3]
  3. 拿黏著空氣過濾貼片的塑膠袋罩起來,再以封口夾密封。[3]
  4. 送進置於陰暗處的水耕栽培帳篷,維持內部溫度約 18 至 22°C。[3]
  5. 每 3 天檢查 1 次,不時補充純水。[3]
  6. 約 3 週後,成長茁壯的菌絲,均勻分佈在整個鞋墊上(上圖 b),便小心取出,進行測試。[3]

觀察鞋墊的突波

實驗團隊用 ABS 樹脂,3D 列印出底面積等大的假腳,來踩踏鞋墊。下方擺的布料,尾端伸入一盒純水,隨時將水吸去給鞋墊,避免真菌在實驗中渴死。他們在鞋墊上裝了 8 對電極,並連接電線與數據記錄器等器材,以利觀察。結果一如預期:P. ostreatus 受到外力,電壓短暫飆升的「突波」(spikes),次數明顯增加;而且在壓力施加和移除時,做出不同反應。[3, 4]另外,依照電極安裝的位置,可以清楚分辨腳趾、腳跟等,各部位受力的差異[3]

紅色假腳踩在白色鞋墊上;下面的綠色布料從塑膠盒吸收純水。圖/參考資料 3,Figure 2(CC BY 4.0)
縱軸是電壓;橫軸為時間;不同顏色的線條,代表鞋墊各處的電極。中央為鞋墊承載35公斤時,真菌明顯變多的突波。圖/參考資料 3,Figure 4(CC BY 4.0)

菌絲複合材料

這種結合真菌和其他東西養出來的菌絲複合材料(mycelium bound composites),不只成本低廉,會自己成長、組裝、修復、發電,以及感測壓力變化,廢棄後絕大部份還能生物降解,相當符合永續精神。唯一的問題是,使用期間要維持它健康地活著。為了營養充足,就讓鞋墊夾帶黑麥等穀物;外面若密封起來,則可避免細菌感染與水份流失。[3]不過,論文沒有說明改良後能撐上多久,不曉得未來實際運用時,是否得定時幫鞋墊餵食澆水…

  

備註

根據國立自然科學博物館「數位典藏國家型科技計劃」,Pleurotus ostreatus英文俗稱oyster mushroom;中文叫做蠔菇、側耳、平菇、秀珍菇、北風菌、鮑魚菇或天喜菇等。[5]在繁多的譯名之中,有些又與同為側耳屬(Pleurotus)的夏季鮑魚菇(Pleurotus cystidiosus)和杏鮑菇(Pleurotus eryngii)等,用字雷同。故本文採英文學名,以避免混淆。[6]

參考資料

  1. Adamatzky A. (2018) ‘Towards fungal computer’. Interface Focus, 8(6).
  2. Professor Andrew Adamatzky’. University of the West of England. (Accessed on 24 MAR 2023)
  3. Nikolaidou, A., Phillips, N., Tsompanas, MA. et al. (2023) ‘Responsive fungal insoles for pressure detection’. Scientific Reports, 13, 4595.
  4. The Trustees of Indiana University. (18 JAN 2018) ‘ARCHIVED: What are blackouts, brownouts, spikes, surges, and sags?’. University Information Technology Services.
  5. 王伯徹「秀珍菇-Oyster Mushroom國立自然科學博物館,數位典藏國家型科技計劃(Accessed on 24 MAR 2023)
  6. 王伯徹「夏季鮑魚菇」國立自然科學博物館,數位典藏國家型科技計劃(Accessed on 25 MAR 2023)
所有討論 1
胡中行_96
116 篇文章 ・ 39 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

2

3
1

文字

分享

2
3
1
核二退場,核廢料還要放 20 年!又該何去何從?
PanSci_96
・2023/03/28 ・2622字 ・閱讀時間約 5 分鐘

核二廠已經在 3 月 14 日正式退役,完成 40 年的發電任務;但你知道嗎?還得要再花 25 年,才能完成全部的退役工作。

而高階核廢料 -9620 束的核燃料棒,依照國際原子能總署(IAEA)建議,需要在遠離人類的地方儲存 20 萬年,然而它們至今仍留存在核二廠內,無處可去。

核廢料該何去何從? 安全嗎?其他國家又是怎麼處理的呢?再者,難道核廢料不能再利用嗎?

核廢料該去何處

相比於其他發電方式,核能發電要退場可不簡單;未來 25 年的旅程中,包含 8 年的停機觀察、12 年的拆除,以及 5 年的觀察及復原階段。在漫長的退役過程中,除了審慎評估核污染的狀況以外,衍生出的核廢料去留,更是大家最關心的事情。

核能發電過程中,所產生的放射性廢棄物主要分兩種:半衰期長,以鈾、鈽、超鈾元素為主的燃料棒,屬於高階核廢料;其餘的核廢料,都屬於低階核廢料,像是發電廠使用的機具和產生的廢液,廠區內受污染的衣物、手套、紙張等。

而存放在蘭嶼「低放射性核廢料貯存場」的,並非是那些處理起來最棘手的燃料棒。實際上,不論是核一廠還是核二廠,真正的高階核廢料現在都正躺在燃料池內。當然,那裡不會是高階核廢料最後該待的地方,只是因為種種因素,導致下一階段的乾式儲存場遲遲未能啟用;核二廠甚至在 1991 年和 2003 年調整、擴充核電廠內的燃料池,才勉強塞進所有燃料棒。現在燃料池內擁擠的情況,一號機最後一批燃料棒甚至因為燃料池空間不足,至今仍卡在反應爐內,無法退出。

蘭嶼貯存場是臺灣唯一的核廢料貯存場。圖/維基百科

雖然不會爆炸,但是放在地表的核燃料棒,真的沒有輻射的風險嗎?在討論輻射量時,除了半衰期外,還要考慮不同元素在衰變時產生的能量大小。高階核廢料中,大約有 95% 是輻射量低,半衰期 45 億年的鈾 -238 與鈾 -235,而在剩餘材料中輻射較強的,是大部分不存在於自然界,因為核反應才誕生的人工產品超鈾元素。例如錼 -237、鈽 -239、鋂 -243 與鋦 -247,這些超鈾元素衰變時產生的輻射能量較大,半衰期也較長,是比較需要警戒的對象。

那這些高階核廢料究竟該到哪呢?根據國際原子能總署(IAEA)對於核廢棄物的管理規範,儲存核廢料時不只應考慮到對人類,還要同時考慮對環境的影響,盡可能減少廢棄物的總量,並確保最終處置場所的安全性。

台灣參考其他國家作法,燃料棒首先會在燃料池內以濕式儲存的方式繼續待數年,確定降溫、反應下降後,轉移到能讓核廢料存放超過 40 年的「乾式儲存場」,再來則是要能建立一個遠離所有生物生存環境的「最終處置場」。

乾式儲存場與最終處置場

這邊我們要先搞清楚,在反應爐中,鈾 235 是因為吸收中子才變得不穩定,進而引發一系列的連鎖反應;當我們拿掉這些亂源中子,鈾 235 是相對穩定的,半衰期甚至長達 7 億年,這也是為什麼鈾 235 能在大自然中存在,至今而沒有因為衰變而消失。

在核廢料儲存階段,還會通過放置大量的中子吸收材料在燃料棒之間,確保高階核廢料產生的中子不會引發連鎖反應。實際上,到了乾式儲存階段,僅有微弱的連鎖反應和自身衰變產生的過程會產生熱量,產生熱的速度光靠空氣的自然流動就能維持穩定。

整個乾式儲存場的設計,在經過層層阻絕後,廠區邊界的輻射標準值為每年 0.05 毫西弗。台灣人平均每年接受的背景輻射劑量約為 1.6 毫西弗,扣掉背景輻射,每年因為醫療、搭飛機所接受的背景輻射建議值建議不超過 1 毫西弗;以乾式儲存場的設計標準來說,其實不需要恐慌。另外,美國核能設備和系統供應商 Holtec 甚至做過時速 965 公里的火箭撞擊試驗,證實自家乾式儲存槽的安全性。

即便如此,有人還是會擔心天災等意外產生不可預期的後果。為了安心,我們是否能找個遠離人類的地方,永遠將這些核廢料藏起來,眼不見為淨呢?

目前國際上普遍認為,核廢料的最終去處將採用深層地質處置;將核廢料埋進 300 公尺以上的深度,數萬年甚至數十萬年。

從 1980 年代就開始,就有不少的地下示範場域進行相關研究;直到現在,預計於明年啟用、位於芬蘭地底 430 公尺的深層地質處置場 Onkalo(芬蘭語中的意思為空腔之意),最有望成為大家參考的對象。為了減少容器的腐蝕現象,核廢料會被裝在含硼的鋼罐中,外面再套一層銅膠囊,並使用膨潤土妥善密封;整座如蟻穴般的儲存場預計可以收納上方核電廠 100 年份的核廢料,並在被塞滿後,將剩餘的通道與設施重新填平。

核二廠還得要再花 25 年,才能完成全部的退役工作。圖/維基百科

至於台灣核廢料的最終處置場該設在哪呢?專家評估,核一、核二廠靠近第二類斷層山腳斷層,不適合作為核廢料的最終儲存場所;目前原能會還在調查適合的地點,預計 2038 年才會選定最終場所。

第四代核反應爐

核廢料這個棘手問題,除了封存以外,我們有沒有從根本解決,減少「量」的方法呢?可能還真的有,比爾蓋茲投資開發的第四代核反應爐——行波反應爐有可能可以解決這個問題。

為有效解決核廢料問題,在這個反應爐中,將過去無法作為發電原料的鈾 238 與其他核廢料作為原料。這對核分裂發電廠來說絕對是個好消息!現在的核燃料棒中能參與反應的鈾 235 僅佔 3~5%,其他 95% 都是鮮少參與反應的鈾 238,在自然界中鈾 238 的占比更高達 99.3%,如果行波反應爐可使用鈾 238 作為原料,絕對能大幅減少核廢料與需開採的鈾原料。

除了行波反應爐外,還有許多不需要持續添加核燃料、能循環發電的第四代核反應爐也正在研發當中,像是熔鹽反應爐,以及鈉冷快中子反應爐。

芬蘭深層地質處置場 Onkalo 也引出不同的聲音,畢竟如果未來第四代核電廠真的能將高階核廢料循環再使用,我們現在真的應該將之徹底封死嗎?

最後,我們還是要強調,台灣核一、核二、核三廠最後留下總計約 5000 噸的高階核廢料問題,仍不會改變。但將核廢料埋起來眼不見為淨,真的是最好的辦法嗎?你覺得這些高階核廢料又該如何處理呢?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

所有討論 2