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動物與我:野生動物哪有這麼可愛!

Gilver
・2015/01/29 ・5187字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 493 ・六年級
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在森林、在海洋、在草原沙漠裡,存在與人類社會迥然不同的野生動物生態圈。人類亟欲窺伺動物們的日常生活,駐足於動物園以及電視播放的動物特輯前,卻難得有機會能夠真正一探究竟。實際與野生動物們相處是什麼感覺?有什麼樣的撇步?如果短期內無法親身參與,那麼就來本次的M.I.C.,讓長期與野生動物相處的生態攝影導演許鴻龍,以及曾在南非擔任獸醫志工的胡雁宜,一同分享與動物親密接觸的每一瞬間!

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要存活,得是行家

《動物魔法師》為視群傳播公司所發行的節目,由許鴻龍先生擔任製作人兼導演,偶爾也參加編劇和攝影的工作。今天許鴻龍先生來與大家介紹這個節目的的企畫內容,也分享一些他對節目拍攝的心得。

「為什麼現生的生物會留存下來?為什麼其他的生物就這麼不見了?留下來的生物一定有過人之處!」這個點子,是許鴻龍先生在拍攝動物生態影片過程中的啟發,因此企劃中統整了現今生物的「生存密技」,分成六大類:「捕食」、「擬態」、「生殖交配」、「築巢」、「親代照顧」、「遷徙」,各配上一段演化學之父·達爾文的格言詮釋,並將每個單元冠以行家之名串聯成系列節目。

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( 動物魔法師節目預告 )

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影片中最後出現的鏡頭是台灣夜鷹的夜空飛行,一面發出「錐—錐—」的聲音,很是響亮。至於破蛋而出的鏡頭是在臺中旱溪的河床拍攝,當時氣溫超過三十五度,母鳥會沾濕牠的身體、再用羽毛來替牠的蛋降溫。那時,我們從早上一路拍到下午四點多,蛋就在面前孵化了。老實說,要捕捉珍貴的生態畫面,有時身處的環境條件其實是還蠻惡劣的,但生命誕生的悸動真的會將身上的辛勞感一掃而空,讓你願意用一輩子來投入。

生存原則:「能量經濟學」

在第一集《超級策略家》,我們探討的主題是野生動物的覓食行為。牠們得從生存的環境裡找到足以維生的食物,不過得遵守一個原則—「能量經濟學」:收入必須大於支出。如果一趟覓食之旅耗費的能量超過獲得的報酬,這樣子的動物就會滅絕掉。在這集的內容裡,動物的覓食行為分成兩種類型,一種是像蜘蛛一樣結網、守網待蟲,一種是像石虎主動出擊、打獵食物,但無論是哪種策略都必須斤斤計較著能量的收支平衡。

灰面鵟鷹 )

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灰面鵟鷹(灰面鷲)有許多別名,像是國慶鳥、掃墓鳥、南路鷹,這些別名都和牠們十月南下墾丁、四月飛返北上的習性有關。對牠們來說,台灣是短暫的居所,牠們繁殖的地點主要在北亞,如日本、中國大陸、西伯利亞。當牠們群起南下避冬時,在極盛期甚至可以在墾丁上空看見盤旋的「鷹柱」,吸引賞鳥者雲集。而在牠們要飛回北方繁殖前,會在台灣中部的八卦山地區稍作停留,此時正好是三、四月的清明時節,台灣人掃墓時所放的火將蛇、蜥蜴、昆蟲驅出草堆,正好讓鷹群飽餐一頓。如果哪一年開始我們不再掃墓,灰面鷲就會失去一個重要的棲地了。要想保育一個物種,尤其是季節性候鳥的保育,經常不只是保護單一一個地區,而是得將繁殖地、過境區、度冬地三個地區一起保護。

攝影的技法

拍攝這些生態影像時,有所謂六大常用的技法—空中攝影、水底攝影、望遠攝影、近攝攝影、顯微攝影、曠時攝影。空中攝影如模擬灰面鷲的視角,俯瞰墓園;水底攝影,如記錄奧氏後相手蟹(一種陸蟹)在水中釋幼的畫面;望遠攝影,如利用望遠鏡頭,觀察只可遠觀、不可靠近的灰面鷲;近攝攝影,用來特寫容易靠近的昆蟲等,拍下台灣大蝗的臉譜;顯微攝影,用來精準描繪陸蟹的大眼幼蟲形態;曠時攝影,則可以用來呈現植物幼苗在一段時間裡生長的動態。

15643023126_356d4957dc_z前輩有言:「攝影,就是用光(Photo)來畫畫(graphy)。」掌握環境的光、所打的光不衝擊到攝影對象,再控制質與量,你就能拍出好的生態作品。甚至,攝影工作者能和科學家合作,一起將珍貴的生物生態介紹給大家,例如這支介紹墾丁陸蟹產卵艱辛過程的《月光海岸》

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http://youtu.be/DYADV9Hij2g


 

跟著南非大個子獸醫出診去

就讀台大獸醫四年級的胡雁宜,在大三升大四的暑假去南非的野生動物農場實習,今天她要來和我們分享她的農場實習甘苦談。

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南非的動物農場是片只有藍天、沒有白雲、一望無際的原野,而視野所及之處盡是「農場」,草原上那些我們所認知的野生動物,在這裡都成為「農場動物」。一般的動物若是要看獸醫,只要飼主把動物帶去給獸醫看就好,但在這裡,只要一通來電,我們就必須開兩三個小時的車趕去農場,有時候甚至還要用直升機來做地毯式搜索,找出行蹤不定又善於躲藏的動物。

醫療對象都不是些小動物,都是像羚羊、獅子、長頸鹿這種我們不能直接去抓牠的動物。如果服務對象是獅子農場,我們就還要坐有籠子保護的越野車,把我們自己關起來,有時候運氣不好,獅子還會把你的車子給弄翻,但至少不會被咬啦!這時候就要用無線電、手機向其他工人求救。

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我們會使用麻醉槍來麻醉牠們,而且射出去的麻醉針還得盡早回收,不然可能會造成感染,甚至可能被誤食,那樣子就糟了。我們的治療對象有像是非洲水牛,蛇(比較少)、獅子、長頸鹿、羚羊、大象。比較特別的是,獅子農場要單獨經營,不可以跟其他動物混養,不然其他動物可能就會越來越少~至於獅子以外的動物就比較沒有這種被吃掉的問題,牠們頂多就打打架。

南非的冬天氣候乾旱,一場草原大火兩小時之內就可以燒掉三分之一的農場,造成巨大損失,就得花大筆錢去買牧草給動物吃。為避免火勢蔓延到自家,農場之間會互助合作通報火訊。南非的植物無論是樹叢或樹,常常上面都長滿尖刺,一不小心就會被扎到流血。

仰賴團結合作的動物運輸

15480596908_9023e5c5cd_z我們最常做的事情,是在譬如買賣時需要的動物運輸。像是一隻水牛,就會需要五到八名人力來搬運。野生動物要比較麻醉比較困難,因此一旦完成麻醉,就要出動所有人力盡快完成所有能趁此時作的工作,比如說適孕能力的評估,還有動物軀體部分的測量。有些測量項目會影響到這隻動物販售的價格,例如角越長能賣到越高的價格,同時也能推測動物的年齡和生長狀況。另外,我們的工作環境不像獸醫院那麼完善,有時候動物在樹叢裡被麻倒,我們就得衝到樹叢去做測量。

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有些動物實在太大,或是具有危險性,我們就有需要在麻倒動物後,綁住牠們的肢體、蒙住眼耳,等事情做完以後再用回復藥處理。比如說長頸鹿,我們用繩子綁著牠,這時候牠的臉和眼耳都被遮住,還用馭馬的轡頭來控制牠的方向。長頸鹿真的非常高,而且脖子肌肉很有力,需要三四個人來拉繩、謹慎地控制,不然有時候長頸鹿脖子一甩,拉繩的人就飛起來了。長頸鹿每次的跌倒都可能會摔斷脖子,牠也是一種容易緊迫而死亡的動物,我們必須要確保行動能將牠擋下來,還要確定倒下的位置是能夠迅速進行處理的地方。等到控制就緒,就可以開始遛長頸鹿了~

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獅子的處理比較特別。為了就近觀察,我們必須要把獅子移到某個小小的園區。不過,釋放獅子後我們必須要處除掉所有人為可能留下的痕跡或氣味,不然下次行動時,牠們可能就會查覺到,到時候要捕捉就沒那麼容易了。順帶一提,雖然這些動物體型都算大,但保護色讓尋找牠們變成難事。當沒有直升機的時候,我們就會築起高台,利用偵測器和發號台來偵測牠們的行蹤。

野生動物的醫護任務非常需要大家的團結合作。即使是其他較小的動物,像是驢子、牛、馬,為了減少緊迫,必須有很多個人一起幫忙固定動物,以順利在原地完成產檢、結紮、甚至處理死胎。有時候甚至不戴手套,整隻手就伸進動物的身體裡!也有時候,你得用手電筒、簡易的手術器材,以彆扭的姿勢完成手術。手術用具可能也有消毒問題,你可能不知道上次消毒是什麼時候,就必須緊急使用手術器具幫動物開刀。若到現場時動物已經不幸死亡,就需要進行屍解分析死因、是否有傳染病。

盜獵與動物買賣

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在台灣,我們偶爾會聽到犀牛或大象的盜獵事件。在當地,我們若聽到犀牛被盜獵的消息,就得火速趕往現場,並將犀牛去角、盡快用抗生素和醫藥處理,以消除盜獵的誘因。犀牛角的價格比整隻犀牛還高,獵殺犀牛是非法行為,甚至連持有犀角都要有證照。由於犀牛角就算只留下五公分也會受盜獵者覬覦,因此去角必須去得非常徹底。當地非常痛恨盜獵行為,甚至有盜獵者的睪丸可以治療HIV的宣稱。(小犀牛畫面)順帶一提,去角行動通常是區域性的,一次就要去除整個區域的犀牛角,而且不分公、母,避免整個犀牛族群的角變得越來越短。

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動物運送的時候,我們就在貨車後座跟動物待在一起,偶爾也會有狀況,像是被弄到懸空在車外。在南非的農場一年二次的動物拍賣會,會有像獅子、水牛、長頸鹿的拍賣。動物們關在圍籬中,買家們會從縫隙評估動物商品的狀況。在拍賣會上,大家透過監視器螢幕評估貨況後開始出價。這時候,我們偶爾也幫忙動物餵食。

除了犀牛以外,在當地打獵野生動物的行為是合法的,有人會付錢進農場打獵並把獵物帶走。在那邊,我們也可以吃到各種動物的肉干,像是一種叫英文叫Impala的羚羊(中譯:水羚)。

再來是非洲漂亮的動物們,可以從牠們的屁股辨認,像是數目很多的平原斑馬,或是屁股有一圈馬桶蓋的水羚(Waterbuck),還有黑斑羚(Impala)。其他像是非洲牛羚,要認牛角的方向;還有瀕臨絕種的大犀鳥,和不怕人的網紋長頸鹿。此外,當地還有一種觀光目的的Predator park,在裡面你可以看到老虎、山貓、獅子這些貓科的狩獵者們,牠們很多不是當地的動物,是被進口來展示的。幼獅這裡甚至還像貓一樣,吵著要被撫摸。

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http://youtu.be/Nm6CthipdFU


 

Q&A時間

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Q: 為什麼還是有人要養犀牛?

A: 有些人養犀牛的原因是在等待它的買賣變得合法,例如在當地象牙是可以販賣的。另外的原因可能是因為農場有時也會成為犀牛的收容所。南非也有些區域是為了主動保護犀牛而去養犀牛。

Q: 養完之後動物的買家有哪些?

A: 買賣者和農場主人許多都是白人,農場管理者可能多是黑人。有些農場是開放打獵的,有些是為了賣動物而養的,那些動物甚至還有保險、落實檢疫。

Q: 想請問許鴻龍先生使用的攝影器材? 影片或攝影的選擇?

A: 常使用的像是Sony FS 700和GH4。其實硬體門檻比起過去已經大大下降,找好主題和好故事反而比較需要花心力。過去從4K到8K的年代,未來數位將會把底片給淘汰……

Q: 許先生在公司裡接的業務案哪些類型比較多?

A: 人和土地間的關係、紀錄片、霧林、生態等,還有HD紀錄補助案。在國內要走得長久,要盡量讓影片和題材傳播到國際,才能吸引投資。

Q: 拍攝台灣生態的過程,是否能喚醒對環境議題的重視?

A: 生態記錄只是一種媒介,守護則是主要的目標。我們做的影片都會在片末呼籲一起守護我們的環境。無論故事怎麼有趣,教育對環境友善都是最終的目的。環境的破壞很快,重建很難,還要多花好幾倍的力氣。

Q: 生態拍攝過程中有沒有跟當地居民或跟其他人有過印象深刻的互動?曾有在螃蟹觀察的過程中聽聞螃蟹保護者和當地支持開發的居民起衝突?

A: 有,像是研究陸蟹的劉烘昌老師在後灣飯店開發案的過程中,在後面幾次開商討會時就不再以委員的身分被邀請…..就算是專家有時也無法抵抗。但還是有逆轉成功的例子,像是七星潭、美麗灣,因此不要放棄希望。我們至少目前還沒有遇到暴力衝突、摔機器啦。

Q: 台灣在國際生態攝影市場上還有沒有要突破的地方?

A: 台灣算是野生動物生態紀錄的天堂,珍貴的拍攝地點之間都不算太遠,自然生態資源又充沛,人的心力跟攝影器材也漸漸足夠。不過,說故事的能力和觀點則是相對比較不足一點,編劇和導演有時還是要請國外的來撰寫。期望國內的科普和文字撰寫能夠有所進展突破。


【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

「M.I.C. x 民視科學再發現」系列活動指導單位為科技部,協辦單位為民視文化、PanSci 泛科學。

有任何疑問,歡迎透過聯絡表單電子郵件、或於上班時段撥打 (02)3322-1768(台灣數位文化協會)聯繫。

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Gilver
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畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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臺灣的水真的沒辦法生飲嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/13 ・6474字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。 

根據衛福部建議,我國成人每天應該飲用約1500至2000 c.c. 的水,但在日本與歐美許多國家,只要一打開水龍頭,就能馬上擁有一杯能喝下肚的水。臺灣自詡為科技大國,為什麼卻無法擁有讓人安心的 Tap water?

冤有頭債有主,造成我們不敢生飲水的最大原因,其實不在自來水廠。從自來水廠出來的自來水,早已去除水源中的化學有機污染物、有害重金屬及致病性微生物,完全符合「飲用水水質標準」。在非常嚴密的檢驗和監控下,照理來說,你我都能夠非常安心的直接飲用這些自來水。然而,就連對水質信心滿滿的自來水廠,也大力呼籲民眾「不要直接飲用自來水」,這是怎麼一回事?

圖片來源:shutterstock

從水廠到家裡的自來水會經過哪些污染源?

首先,是管線老舊。不只是老舊管線內壁會積聚沉澱物和生物膜,管線本身若有生鏽、腐蝕的情形,還會在水中增加的鐵鏽和金屬離子。

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臺灣管線老舊的程度到底有多嚴重呢?根據台水公司108年的資料顯示,我國自來水管線長度超過6萬3千公里,其中超過48%的管線已經超過使用年限。再加上施工、地震、車輛超載等原因,使得管線容易破裂、漏水,進而影響水質。

除了管線品質外,蓄水池與水塔的清潔和維護也是影響自來水品質的重要因素。根據環境部指出,有高達7成以上的自來水污染事件,都是因為住戶疏忽清洗水塔的重要性,導致細菌和泥沙在儲水設施中繁衍和沉積。然而,超過45%的台灣民眾沒有定期清洗蓄水池和水塔的習慣。

這邊也要特別提醒,管線破損與蓄水池的污染,不只會讓飲用水再次受到重金屬與細菌的污染,更讓我們需要當心「新興污染物」的威脅。

什麼是「新興污染物」?

所謂新興污染物,指的是那些對環境有潛在威脅,但還沒有受到國家或國際法律廣泛監管的化學物質總稱。他們來自各種日常化工用品,並且透過城市、工業、家庭廢水進入河川與水體中。

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根據聯合國環境署的說明,「符合新興污染物資格的化合物清單很長,而且越來越長」。這些污染物其實離我們並不遠,是我們周遭常見的物質,例如抗生素、止痛藥、消炎藥、類固醇和荷爾蒙等藥物類,驅蟲劑、微塑膠、防腐劑、殺蟲劑、除草劑等環境荷爾蒙類,還有工業化學類的界面活性劑、火焰阻燃劑、工業添加劑、汽油添加劑、PFAS、鐵氟龍等等。

其中的全氟及多氟烷基物質PFAS,因為耐腐蝕、抗高溫,在自然環境中幾乎無法分解,又被稱為「永久性化學物質」。容易在環境及人體內累積,具有生物累積和生物放大性。而且PFAS衍伸的化合物超過一萬種,在防水、防油的紙袋、紡織品、化妝品中都很常看到。

PFAS成員全氟辛酸PFOA在2023年,被聯合國的國際癌症研究機構IARC,從2B級「可能對人類致癌」提升為一級「充分證據顯示對人類致癌」。另一個成員全氟辛烷磺酸PFOS則列為2B級致癌物。而環境部也在2024年,更針對PFOA、PFOS訂定飲用水濃度指引值。

PFOA 已被列入 IARC 第1類致癌物質,圖:Wikipedia

麻煩的是,這些新興污染物在都市中大多還未納入常規監測項目,我們對於他們對環境與人體的影響也還未全盤了解。甚至很多污染物,可能是十年前都還沒出現的。我們也不知道十年後,新興污染物的名單上,還會增加哪些名字。我們能做的事,就是盡量避免再避免。而徹底解決管線破損,與城市污水滲入蓄水池的可能性,我們才能避免這些新興污染物,進入到我們的飲用水中。

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使用淨水器過濾,會是淨化水質更好的方法嗎?

淨水器比起單純加熱煮沸,裡面包含了許多科技結晶,確實可以一口氣解決所有問題。但相對的,材料的選用與設計,就會更直接影響水質的好壞。

例如今天要介紹的eSpring益之源淨水器Pro,裡面用的濾材,是很常聽見的「活性碳」。

活性碳的作用是「過濾」,就像麵粉通過篩網,可以篩掉較大的顆粒。活性碳的製備,很多來自木材、椰子殼等高碳含量的原料。在經過高溫碳化,並通過活化劑或化學藥劑處理之後,會形成多孔結構,這些不規則的微小孔隙可以有效過濾水中的污染物。然而,活性碳的作用遠不止如此!其實,活性碳的過濾原理是「吸附」雜質。

活性碳是常見的濾材,圖:Wikipedia

有研究透過光譜和密度泛函理論(DFT)分析顯示,活性碳表面的含氧官能團,如羧基(carboxyl groups)和酚基(phenol groups),能夠與鉛離子(Pb(II))形成穩定的化合物,達到淨水的效果。這意味著活性碳能有效吸附和去除水中的重金屬,如鉛、銅、汞等重金屬,從而保證飲用水的安全性。

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也就是說,活性碳不僅通過物理吸附去除水中的懸浮物和大分子,還可以通過化學吸附來處理更複雜的污染物。除了重金屬以外,眾多的有機物、臭味分子甚至是餘氯,也都在活性碳的守備範圍內。一篇發表在《Reviews in Chemical Engineering》的論文也指出,面對日益增加的新興污染物,活性碳也正是一種具有前景的選擇之一,尤其農藥、個人保健與衛生藥(PPCPs)以及內分泌干擾物質(EDC)與活性碳有很強的吸附性,能有效的過濾這些新興污染物。

更進一步,科學家們正在研究各種農業廢棄物和不同的活化方式。他們發現,透過不同的原料和活化方式,活性碳表面官能基和結構的差異可以提高對不同污染物的吸附能力。例如,當使用鷹嘴豆、甜菜甘蔗渣或咖啡渣作為前驅物時,這些活性碳材料展現出對銅離子、鉻離子、染料及其他重金屬和有機污染物的優異吸附能力。

接下來,如果你的淨水器功能只有過濾,能確保的只有有機物與重金屬的去除,細菌可能還是存在。

當我們談論淨水器的功能時,許多人誤以為只要經過過濾就能確保水質的安全。實際上,這樣的理解並不全面。如果淨水器的功能僅限於過濾,它能確保的只有去除水中的有機物質和重金屬,然而,過濾並不能消除所有細菌,因此水中的微生物仍然可能殘留。這就是為什麼,即便過濾器

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之外,還需要強效殺菌來進一步保證水質。

紫外線是我們日常生活中常見且高效的殺菌工具,從居家用的烘碗機到手術室、圖書館的空氣或表面消毒,紫外線技術的應用無所不在。在淨水系統中,特別是UV-C 紫外線(波長範圍100-280nm)被證明能夠有效殺滅水中的微生物。許多先進的淨水器配備 UV-C LED ,這種燈能夠針對細菌、病毒進行消毒。

圖片來源:Amway

怎樣算是一個合格的淨水器?

美國國家衛生基金會(NSF)制定了一系列針對淨水器的性能、安全性和耐用性的標準,稱為NSF/ANSI標準。

針對台灣飲用水可能遇到的問題:細菌、重金屬、新興污染物、餘氯,各有專門的訂定標準。

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NSF/ANSI 標準指的是美國國家科學基金會下美國國家標準協會的所訂定的標準,

eSpring益之源淨水器Pro通過的第一跟二項標準是NSF/ANSI 53和401標準,53項針對的是健康相關的污染物,包含重金屬如鉛、銅、汞等有害金屬離子,還包括一些有機污染物如揮發性有機化合物(VOCs)。401項則是針對來自農藥、藥物等新興的有機污染物,因為在傳統的水處理過程中難以去除,因此特別訂定。

第三項,則是針對UV-C LED紫外線滅菌艙殺菌效果的NSF/ANSI 55標準。這個標準不僅規定了紫外線強度,還包括了水流量和微生物減少效果的測試與持久性,確保淨水器具有足夠的殺菌消毒能力。根據實驗數據,UV-C  LED紫外線能夠有效消滅高達99.9999% 的細菌,99.99% 的病毒,以及99.9% 的囊胞菌,為飲用水提供極高的安全保障。

最後一項標準是NSF/ANSI 42,他針對的餘氯和其他會影響味道與氣味的雜質。也就是像eSpring益之源淨水器Pro有通過第42項標準的,在確保飲用安全的標準之上,還能讓你的水更好喝哦。

這邊也要補充,除了第42、53、以及401項規定的標準,eSpring益之源淨水器Pro還請NSF做了標準之外的各項過濾性能檢測,總共有超過170種污染物的過濾符合標準,包含各種化學物質、重金屬、生物性、農藥、藥物、甚至是近年大家關注的石綿、氡氣與塑膠微粒,都在可被有效過濾的列表之中。這真的很重要,如同一開始我們講的,隨著工業文明的發展,新興污染物的名單只會越來越長而不會減少,多做幾項檢測,絕對是更安心的。如果你的淨水器已經用了很久,但擔心新興污染物沒有在獵捕名單內,可以考慮換成有通過更高標準的淨水器哦。

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另外,一些品牌雖然也有NSF認證,但很多都只有零件認證。eSpring益之源淨水器Pro不只針對濾心,還通過「全機認證」,確保從淨水器流出來的每一滴水都符合標準。

進一步了解商品: eSpring益之源淨水器Pro

參考資料:

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RESI : 基礎儀器定位奈米世界
顯微觀點_96
・2024/09/14 ・3117字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

Abstract Of Digital DNA Construction.
圖/顯微觀點

電腦運算是近 20 年來生物影像突破繞射極限的可靠工具,例如 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy), PALM(Photo-Activated Localization Microscopy),以電腦記憶、疊合,將多次拍攝的零散螢光重建成完整輿圖,解析度極限可接近 10 奈米。

現在,透過電腦輔助的序列成像解析度增強術(RESI, Resolution Enhancement by Sequential Imaging),科學家能將細胞內分子的定位解析度大幅提升到埃(Ångström, Å.等於1/10奈米)的尺度,清晰定位緊鄰的分子、觀察它們在細胞內的變化。

RESI 定位可呈現 DNA 相鄰鹼基間距,超越超解析顯微鏡,達到與電子顯微鏡同等的解析度,而且只需基本的細胞固定,近乎完全保持樣本原貌。

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在德國馬克斯.普朗克生化研究所率領團隊研發 RESI 的榮曼(Ralf Jungmann)認為,RESI 能填補介於光學顯微術與結構生物學之間的資訊空白,揭露更多複雜生命系統的真相,為分子生物學與藥物動力學開闢道路。

「發光順序」成為解析度新要素

使 RESI 成為「超級超解析」定位術(super-super resolution)的核心概念,是以不同 DNA 螢光探針對目標進行多次標記定位,定位過程由電腦為目標編上號碼(DNA-barcoding),使「發光順序」成為分辨目標的新維度,並以「定位次數」來大幅提升解析度、為量化分析提供充沛樣本。

Cd20
CD20 的分布在 RESI 定位下一覽無遺,透過 RESI 定位可發現,標靶藥物 RTX 使癌細胞表面的 CD20 聚集成鍊狀。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

例如,淋巴癌與自體免疫疾病的關鍵標靶:B 細胞表面 CD20 蛋白﹐雖然早已發現是重要的癌細胞特徵,也確認有效藥物,但其結構與分子動力學依然曖昧不明,學界對它的了解還不足以研發進一步療法。

儘管 CD20 蛋白的結構已被電子顯微鏡呈現,但電子顯微鏡的拍攝條件會破壞細胞膜結構,導致 CD20 變形、偏移。現在透過 RESI 進行定位,CD20 的構造、藥物效果,都可以在接近生理狀態下一探究竟。

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在 RES I分析下,榮曼等學者發現 CD20 總是成對出現(as dimers),並且在關鍵藥物 RTX(一種抗 B 細胞的單株抗體)加入後,會在細胞膜上聚集成緊密的長鏈。這些資訊是過往電子顯微鏡與超解析光學顯微鏡都未曾展現的。

序列成像:以次序換取空間

各種超解析單分子定位術的共同難題,是兩個目標分子過於接近,連電腦運算也無法辨別。假使兩個距離 1 至 2 奈米的相同分子輪流被激發,PALM, STORM 等仰賴隨機放光的超解析定位術即使分別收到兩個光源的螢光訊號,重建時也容易將緊密的兩者混為一點。

榮曼也強調,當兩個螢光團的距離小於 10 奈米,近場光學效應會大幅影響光調控螢光染色分子(photoswitchable fluorescent dyes)的表現。分辨兩個距離數奈米甚至數埃(Å)的分子,是單分子定位技術的最後關卡。

面對諾貝爾級超解析技術也無法克服的障礙,RESI 巧妙地以「標記」技術避開了光學難關。RESI 採用進化版本的 DNA-PAINT,螢光探針與目標結合轉瞬即脫落,並能使相鄰的目標結合不同探針,避免兩者同時發光,兩個緊密的分子幾乎不會干擾彼此成像。

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奠基於隨機放光的單分子定位術(SMLM),序列成像(Sequential Imaging)用不同顏色、不同激發光譜的 DNA 螢光探針,標記鄰近的兩個目標,使兩者輪流發光。如此一來,發光順序便成為辨別螢光標記的新方法:兩個目標距離僅 1 奈米左右,但因為發光順序、螢光顏色不同,在重建過程中能夠被電腦清楚區分。

在真實的細胞中,若想以不同嵌合片段(docking strands)標記鄰近的相同蛋白(例如Nup96 dimer, CD20 dimer),則多少需要仰賴運氣。目前的 RESI 使用隨機標記(stochastically labelling),而非直接指定標記種類與位置。

Image 1
以 RESI 定位核孔複合體的 Nup96 蛋白(圖d.),可以達到電子顯微鏡的解析度(圖 b.)。本實驗對同一個核孔進行 4 輪標記定位(圖d.),每次得到的定位資訊將重建疊合成最終定位圖。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

定位 Nup96 的實驗就是一個例子,榮曼團隊的4種嵌合片段中,需要有 2 種分別標記相鄰的 Nup96 蛋白,才能夠使兩個相鄰蛋白分別依序發光。榮曼強調,得到理想標記的機率,會隨著嵌合片段的種類提升。在榮曼團隊的定位實驗中,RESI 對 Nup96 的定位達到和掃描式電子顯微鏡同等精密的解析度。

榮曼認為:「理論上,透過發光順序的差異,RESI 技術可以分辨無限接近的兩點。」

定位次數帶來解析度新境界

基於光波繞射的性質,點光源的光線不會透過顯微鏡聚焦為理想的一點,而是呈現一個立體球狀照射範圍。這個讓科學家困擾一個半世紀的照射範圍,就是此光學系統的點擴散函數(PSF, Point Spread Function)。

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在顯微鏡焦平面上,PSF 會形成一個中心最亮、四周漸黯的圓形光斑(艾里斑,Airy Disk),若兩個光點的光斑大幅重疊,就會難以辨別。這也就是遠場光學顯微鏡的最大天然障礙:阿貝繞射極限的由來。

包含 PALM, STORM 等超解析技術的單分子定位顯微術(SMLM, Single-Molecule Localization Microscopy)也必須考慮 PSF。它們定位解析度(也稱定位精準度,σSMLM),接近點擴散函數的標準差(σDiff)除以每次定位偵測光子數(N)的平方根:

 σSMLM  σDiff / N1/2

解析度數值愈小,代表辨別極限的距離愈近,定位結果愈清晰。超解析定位技術不斷追求的,就是縮小 σSMLM。

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在點擴散函數標準差(σDiff)隨儀器性能固定的情況下,每次定位偵測的光子數 N 就是定位解析度的主要變數。多數單分子定位技術,都需要設法提升偵測光子數以看得更清晰。

與其他單分子定位術不同的是,RESI 採用的 DNA-PAINT 探針對目標分子反覆結合、脫落,不斷有新的螢光探針前仆後繼,迅速與目標短暫結合,可以對每個目標累積多次定位。

Image
DNA-PAINT 技術可達到小於繞射極限的解析度,但 10 奈米內的構造依然難以辨識。加上 RESI 以定位順序進行輔助,可以將解析度提升近百倍,達到 10 埃的尺度。圖片出處:S. C. M. Reinhardt et al., Nature 617, 711 (2023)

因此目標的「定位次數」(K)進入解析度數值核心。每個目標定位的解析度由單次定位的點擴散函數標準差(σSMLM),轉變為多次放光定位的平均值標準誤差(SEM, Standard Error of the Mean),其大小和定位次數(k)的平方根成反比。

SEM σSMLM / k1/2 ≈  Diff / N1/2) / k1/2

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此時只要提升定位次數(k),就可以得到更精密的定位(σRESI),毋須追求更強或更漫長的螢光來增加每次偵測的光子數(N)。再搭配以定位順序區分鄰近分子,RESI 就能得到近乎無限小的解析度。這種靈活的反覆定位模式,有賴 DNA-PAINT 技術奇特的「不牢固」結合(transient binding)搭配榮曼團隊研發的開源影像處理軟體Picasso 合力實現。

(DNA-PAINT 技術介紹請見:DNA-PAINT:短暫標記 奈米解析

參考資料

  • Reinhardt, S.C.M., Masullo, L.A., Baudrexel, I. et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).
  • Max-Planck-Gesellshft. Ångström-resolution fluorescence microscopy. (2023)
  • Agasti SS, Wang Y, et al. DNA-barcoded labeling probes for highly multiplexed Exchange-PAINT imaging. Chem Sci. 2017 Apr 1;8(4):3080-3091.
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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電腦運算是近 20 年來生物影像突破繞射極限的可靠工具,例如 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy), PALM(Photo-Activated Localization Microscopy),以電腦記憶、疊合,將多次拍攝的零散螢光重建成完整輿圖,解析度極限可接近 10 奈米。

現在,透過電腦輔助的序列成像解析度增強術(RESI, Resolution Enhancement by Sequential Imaging),科學家能將細胞內分子的定位解析度大幅提升到埃(Ångström, Å.等於1/10奈米)的尺度,清晰定位緊鄰的分子、觀察它們在細胞內的變化。

RESI 定位可呈現 DNA 相鄰鹼基間距,超越超解析顯微鏡,達到與電子顯微鏡同等的解析度,而且只需基本的細胞固定,近乎完全保持樣本原貌。

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「發光順序」成為解析度新要素

使 RESI 成為「超級超解析」定位術(super-super resolution)的核心概念,是以不同 DNA 螢光探針對目標進行多次標記定位,定位過程由電腦為目標編上號碼(DNA-barcoding),使「發光順序」成為分辨目標的新維度,並以「定位次數」來大幅提升解析度、為量化分析提供充沛樣本。

Cd20
CD20 的分布在 RESI 定位下一覽無遺,透過 RESI 定位可發現,標靶藥物 RTX 使癌細胞表面的 CD20 聚集成鍊狀。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

例如,淋巴癌與自體免疫疾病的關鍵標靶:B 細胞表面 CD20 蛋白﹐雖然早已發現是重要的癌細胞特徵,也確認有效藥物,但其結構與分子動力學依然曖昧不明,學界對它的了解還不足以研發進一步療法。

儘管 CD20 蛋白的結構已被電子顯微鏡呈現,但電子顯微鏡的拍攝條件會破壞細胞膜結構,導致 CD20 變形、偏移。現在透過 RESI 進行定位,CD20 的構造、藥物效果,都可以在接近生理狀態下一探究竟。

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序列成像:以次序換取空間

各種超解析單分子定位術的共同難題,是兩個目標分子過於接近,連電腦運算也無法辨別。假使兩個距離 1 至 2 奈米的相同分子輪流被激發,PALM, STORM 等仰賴隨機放光的超解析定位術即使分別收到兩個光源的螢光訊號,重建時也容易將緊密的兩者混為一點。

榮曼也強調,當兩個螢光團的距離小於 10 奈米,近場光學效應會大幅影響光調控螢光染色分子(photoswitchable fluorescent dyes)的表現。分辨兩個距離數奈米甚至數埃(Å)的分子,是單分子定位技術的最後關卡。

面對諾貝爾級超解析技術也無法克服的障礙,RESI 巧妙地以「標記」技術避開了光學難關。RESI 採用進化版本的 DNA-PAINT,螢光探針與目標結合轉瞬即脫落,並能使相鄰的目標結合不同探針,避免兩者同時發光,兩個緊密的分子幾乎不會干擾彼此成像。

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在真實的細胞中,若想以不同嵌合片段(docking strands)標記鄰近的相同蛋白(例如Nup96 dimer, CD20 dimer),則多少需要仰賴運氣。目前的 RESI 使用隨機標記(stochastically labelling),而非直接指定標記種類與位置。

Image 1
以 RESI 定位核孔複合體的 Nup96 蛋白(圖d.),可以達到電子顯微鏡的解析度(圖 b.)。本實驗對同一個核孔進行 4 輪標記定位(圖d.),每次得到的定位資訊將重建疊合成最終定位圖。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

定位 Nup96 的實驗就是一個例子,榮曼團隊的4種嵌合片段中,需要有 2 種分別標記相鄰的 Nup96 蛋白,才能夠使兩個相鄰蛋白分別依序發光。榮曼強調,得到理想標記的機率,會隨著嵌合片段的種類提升。在榮曼團隊的定位實驗中,RESI 對 Nup96 的定位達到和掃描式電子顯微鏡同等精密的解析度。

榮曼認為:「理論上,透過發光順序的差異,RESI 技術可以分辨無限接近的兩點。」

定位次數帶來解析度新境界

基於光波繞射的性質,點光源的光線不會透過顯微鏡聚焦為理想的一點,而是呈現一個立體球狀照射範圍。這個讓科學家困擾一個半世紀的照射範圍,就是此光學系統的點擴散函數(PSF, Point Spread Function)。

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包含 PALM, STORM 等超解析技術的單分子定位顯微術(SMLM, Single-Molecule Localization Microscopy)也必須考慮 PSF。它們定位解析度(也稱定位精準度,σSMLM),接近點擴散函數的標準差(σDiff)除以每次定位偵測光子數(N)的平方根:

 σSMLM  σDiff / N1/2

解析度數值愈小,代表辨別極限的距離愈近,定位結果愈清晰。超解析定位技術不斷追求的,就是縮小 σSMLM。

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與其他單分子定位術不同的是,RESI 採用的 DNA-PAINT 探針對目標分子反覆結合、脫落,不斷有新的螢光探針前仆後繼,迅速與目標短暫結合,可以對每個目標累積多次定位。

Image
DNA-PAINT 技術可達到小於繞射極限的解析度,但 10 奈米內的構造依然難以辨識。加上 RESI 以定位順序進行輔助,可以將解析度提升近百倍,達到 10 埃的尺度。圖片出處:S. C. M. Reinhardt et al., Nature 617, 711 (2023)

因此目標的「定位次數」(K)進入解析度數值核心。每個目標定位的解析度由單次定位的點擴散函數標準差(σSMLM),轉變為多次放光定位的平均值標準誤差(SEM, Standard Error of the Mean),其大小和定位次數(k)的平方根成反比。

SEM σSMLM / k1/2 ≈  Diff / N1/2) / k1/2

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參考資料

  • Reinhardt, S.C.M., Masullo, L.A., Baudrexel, I. et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).
  • Max-Planck-Gesellshft. Ångström-resolution fluorescence microscopy. (2023)
  • Agasti SS, Wang Y, et al. DNA-barcoded labeling probes for highly multiplexed Exchange-PAINT imaging. Chem Sci. 2017 Apr 1;8(4):3080-3091.
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。