|
|
|
|
控制污染情形：TAML(綠色)是一種催化劑，搭配著過氧化氫(藍色)，可以破壞氯酚(棕色)這種常見於工業廢水的污染物。
|
安納柯斯蒂亞河流經美國華府中心，但河裡的魚兒不太喜歡這條河的水質。安納柯斯蒂亞河受到染料、塑膠、瀝青和殺蟲劑等分子殘餘物的污染，近來的檢驗結果更顯示，河裡有高達68%的雲紋鯰都患有肝癌。因此，野生物局的官員向民眾建議，如果捉到河裡的魚，最好丟回去不要吃，同時這條河也禁止游泳。
美國有許多河川受到嚴重污染，安納柯斯蒂亞河只是其一。光是紡織業，每年就排放了超過2000億公升的廢水流進河川與溪流，廢水中滿是具活性的染料與其他有害的化學物質。目前美國的飲用水已出現過去未見的污染物質，包括微量的藥物、殺蟲劑以及化妝品等，甚至連避孕用荷爾蒙也出現其中。通常這些物質都極為微量，測得的結果只有10億分之幾或兆分之幾（10億分之一的含量相當於一粒鹽溶解在游泳池的水中）。但科學家認為，有些污染物質即使很微量，都會干擾人類發育過程的生物化學反應，導致行為、智力、免疫力和生殖能力受到影響。
幸虧我們已經找到幫手了。過去10年來，綠色化學領域蓬勃發展，研究人員已著手設計無害的化學產物與製程。為了取代有害的油漆類與塑膠類製品，這些科學家已調製出較安全的替代用品，並發展出全新的製造技術，可減少污染物流入環境的情況。根據美國化學學會的綠色化學協會所描繪的願景，這個領域的首要原則便是：「與其製造出污染物才想辦法處理或清除，不如避免製造污染物。」而研究人員在進行這項努力的同時，也發展出比較經濟的方法，以便清除廢水中既有的持久性污染物。
試舉一例，美國卡內基美倫大學「綠色氧化化學研究所」（本文作者之一柯林斯便是該所所長）的研究人員已設計發展出一類催化劑分子，叫做四胺基巨環配位子（TAML），這類活化劑搭配過氧化氫和其他氧化劑，可以把許多頑固的污染物質分解掉。TAML的作用方式類似早已演化出來、存在我們體內的解毒酵素。根據實驗室內與實際測試的結果，已證明TAML可將危險的殺蟲劑、染料與其他污染物質分解掉，大幅降低紙業廢水的惡臭與顏色，更可殺死如致命炭疽桿菌之類細菌的孢子。廣泛採用TAML後，估計可省下數百萬美元的淨水費用。不僅如此，這項研究更證明綠色化學確實能減少傳統化學產業對環境所帶來的一些傷害。
為何要發展綠色化學？
要說環境不斷惡化的根本原因，就在於人們運用化學的方法與大自然完全不同。在漫長的演化過程中，生化反應基本上都是取用為數眾多、唾手可得的化學元素，諸如碳、氫、氧、氮、硫、鈣、鐵等，來製造世上萬千生物，從草履蟲到紅杉、從小丑魚到人類皆是如此。反之，我們發展的工業則是從地球各個角落收集各種化學元素，更以自然力量不可能達成的方法使用之。舉例來說，鉛原本多半分佈於獨立且遙遠的沉積地層，因此自然界從未將之收納到生物體內；但如今鉛卻無所不在，主要是因為油漆、汽車和電腦廣泛運用的關係。鉛一旦進入兒童體內，即使劑量極其微小，都會產生嚴重的毒害；同樣的情況也見諸於砷、鎘、汞、鈾和鈽。這些元素在動物體內或周圍環境都不會降解掉，屬於持久性污染物，因此亟需找到比較安全的替代品。
此外，醫藥界、塑膠業與殺蟲劑業合成的一些新分子，與天然化學產物的差異實在太大，簡直像從外太空掉下來似的。這些分子很多都不易降解；就算能在生物體內降解，也還是無所不在，因為使用量太大了。最近有研究指出，這類物質有的會干擾與男性生殖系統發育有關的基因表現。科學家早在數年前便已知悉，齧齒動物的胎兒若接觸到常見於塑膠與美容產品的鄰苯二甲酸類化合物，將會影響雄性生殖道的發育。美國羅徹斯特大學醫學暨牙醫學院的史萬於2005年發表的報告也指出，類似的效應也出現在男嬰身上。史萬還有另一項研究，她在美國密蘇里州的農村地區發現，精蟲數目較少的男性，其尿液含有較多的除草劑，例如拉草和草脫淨。這些持久性污染物從工廠、農場或下水道展開旅程，一路上不受空氣、水和食物鏈的影響，通常很快又回到我們身上。
面對這樣的挑戰，各個大學與企業的綠色化學家紛紛研究比較安全的環保替代物，希望能夠優先取代一些最具毒性的產品與製程。在卡內基美倫大學，柯林斯小組的研究工作可以回溯到1980年代，當時社會大眾非常關心氯對健康的危害。在當年（其實到現在還是一樣），製造業中常以氯做為大量洗滌與消毒之用，甚至飲用水也免不了用氯來處理。雖然氯既經濟又有效，卻會產生一些可怕的污染物，例如過去紙廠常用氯元素來漂白原木紙漿，一直到2001年美國環保署明令禁止之前，這個製程一直是戴奧辛這種致癌物的主要來源。（如今多數紙廠改用二氧化氯來漂白原木紙漿，雖可減少產生戴奧辛，但仍無法完全避免。）此外，飲用水加氯消毒的副產物也與某些癌症有關。在自然狀況下，氯是以氯離子或溶解在水中的氯鹽形式存在，並無毒性，然而一旦氯元素與其他分子發生反應，所產生的化合物卻可以改變活體動物的生化反應。例如戴奧辛會干擾一種受器系統，使之無法調節某些重要蛋白質的製造過程，而使細胞發育的過程停頓下來。
如果不想一直仰賴氯，我們則很想知道，是否可以請出自然界所用的「清潔劑」，即過氧化氫和氧，來淨化水質並減少工業污染物？這兩種清潔劑能以安全且強力的方式消滅許多污染物，不過自然界進行這些反應通常需要酵素的幫忙；所謂酵素是生化反應所用的催化劑，可大幅提升反應速率。不管是天然或人工的催化劑，其所扮演的角色就像是傳統時代的媒婆，只不過並非撮合兩個人，而是使特定幾個分子組合起來，引發並加速它們之間的化學反應；有些天然催化劑甚至可使反應速率加快10億倍之多。舉例來說，若非有一種名為唾液澱粉的酵素，我們的身體可能要花上好幾星期，才能把義大利麵分解成基本的糖分子。若無酵素可用，生化反應可能像龜步一般，我們所知道的生命形式也絕不會存在。
自然界有一類酵素叫做過氧化，負責催化過氧化氫參與的反應。我們在家裡也常用到過氧化氫，用來使髮色變淡、去除地毯污漬等；而在森林裡，生長於腐木的蕈類也會利用過氧化，促使過氧化氫把木頭裡的木質素這種聚合物分解掉，也就是把大分子切成小分子，變成蕈類可以攝取的食物。還有一類酵素叫做細胞色素p450，負責催化氧所參與的反應（也稱氧化反應），例如肝臟的細胞色素p450，能使氧把我們吸入或吞入的許多有毒物質有效地分解掉。
數十年來，化學家一直想製造出能夠比擬這些大型酵素的小型人造分子；一旦設計出催化能力如此強大的分子，則原本運用到氯和金屬的氧化方法便可功成身退，免得產生更多的污染物。然而在1980年代初期，大家的運氣不夠好，沒能在試管裡做出那樣的酵素。自然界可是演化了數十億年，方才編導出如此美妙優雅且極端複雜的催化之舞，相較之下，我們在實驗室的艱苦奮鬥就顯得笨拙多了。而我們心裡明白，除非想方設法模擬這支分子之舞，否則「消除污染」的遠大目標終究遙不可及。
改變世界的催化劑
此外，人工合成的酵素也要以堅固耐用為目標，要能耐得住其所催化的破壞性反應。任何與氧有關的化學反應都很具破壞性，因為氧與其他元素（特別是氫）形成的鍵結非常強；而由於每個過氧化氫（H2O2）分子都是介於水分子（H2O）和氧分子（O2）之間的中間狀態，因此也有相當強的氧化能力，它在水中就彷彿是個液態燃燒劑，能將圍繞在附近的有機分子（即含碳分子）都破壞掉。此外，酵素也為我們上了一課，就是催化劑若要發揮作用，多半需要一個鐵原子，放在有機基團的分子構造內部，所以這類基團的分子結構必須加以強化，才能耐得住過氧化氫活化之後所形成的液態燃燒劑。
繼續再借用大自然的設計，則徹底解決問題的方法是這樣的：我們所設計的催化劑，是把四個氮原子分別擺在正方形的頂點，正中間則嵌入一個鐵原子。鐵原子比氮原子大很多，它們之間是以「共價鍵」產生連結，意思是說氮原子與鐵原子共用一對電子；在這種結構中，中央是金屬原子（鐵），四周的較小原子（氮）和伴隨的分子基團則稱為配位基。接下來我們又把幾個配位基連接起來，做成一個大型的外環結構，稱為巨環。我們花了很多時間才設計出夠堅固的配位基與連接系統，能夠耐得住TAML所引發的激烈反應，最後設計出來的配位基就像一道防火牆，足以抵抗液態燃燒劑的威力；催化劑撐的時間越久，用處就越大。不過，我們也不想做出難以摧毀的催化劑，否則等到一連串反應結束後，它自己反倒製造出其他的污染問題了。目前我們設計出來的Fe-TAML催化劑（以鐵做為TAML的中央金屬原子），全都能在幾分鐘到幾小時之內分解破壞掉。……
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年4月號】
|
