打造大地的排毒系统:从车诺比到福岛的绿色净化挑战

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1986 年 04 月 26 日,位于当今乌克兰境内的前苏联车诺比核能发电厂,在执行冷却设备断电演练的过程中失误造成核反应失控,随后的水气爆炸和火灾释放了大量放射性物质,散布在欧洲数万平方公里的土地上。直到今日,在车诺比反应炉30公里方圆的限制区内仍有相当高的辐射量,以致维护核反应炉密封工程的人员每天仅能工作 5 小时,工作一个月后也得连续休息 15 天才能再上工

2011 年 03 月 11 日,位于日本福岛县的福岛第一核能发电厂因为芮氏规模 9.0 的强烈地震所引起之 15 公尺高海啸,冷却设备全数遭到破坏而引起核反应失控和氢气爆炸,大量放射性物质覆蓋约半个福岛县面积 (大概 6,000 平方公里) 并于灾后冲入海中。目前电厂内和周边区域的辐射量仍相当高,达到数分钟曝露即可致人于死的程度,甚至机器人和摄影机也只能运作数小时就会遭放射线破坏。

日本福岛核灾后厂内与周边区域仍有高辐射量。来源:https://www.flickr.com/photos/iaea_imagebank/8657963646/

日本福岛核灾后厂内与周边区域仍有高辐射量。来源:https://www.flickr.com/photos/iaea_imagebank/8657963646/

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上述事件固然是比较极端而严重的污染案例,但其实全球有许多地方因为核试、核能研究、矿业、工业、石化业、运输业、农业等活动而成为人类无法再踏入或使用的禁区,污染种类包含放射性物质、重金属、化学毒物、油料、农药等等。现行做法是将污染的表层泥土挖掘并另外封存,或是直接将该区域封锁,但这些都不是长远之计,污染物也不会因此而消失。不过,近年兴起的生物复育 (bioremediation) 研究提供一线曙光,这种技术利用微生物或植物将土壤的污染物吸收集中或直接分解,有机会让大地排毒并恢复原始环境。而农业基因科技在植物复育 (phytoremediation) 方面近年发展迅速也开始投入商业应用;举例来说,在美国首都华盛顿 DC 的 Spring Valley 社区近年被发现土壤中含有足以危害人体的砷,主要是该区在第一次世界大战作为弹药测试中心的后遗症。砷浓度太高的表土依传统方法挖掘封存,而在砷浓度相对较低的地方,则是种植美国 Edenspace 公司生产的 Edenfern 蕨类。这种蕨类天生具有从土壤吸收砷的能力,经过基因改造后可加强吸收能力。种植 Edenfern 的家户中,有 72% 经过一季生长和采收就达安全砷浓度标准,整个社区也在 5 年内成功解决砷的问题。

目前 Edenspace 公司正在积极建置另种可吸收铅的基因改造蕨类,希望改善在美国广泛禁用含铅漆料、汽油、与农药之前所遭到污染的社区和果园。而近期最收到关注的植物复育物种为基改大麻和菸草,这两种作物的发展先驱 – 22nd Century 公司,最近宣布将与美国维基尼亚大学合作测试一种基改大麻的重金属吸收能力。而美国 Balmori 设计公司最近也在纽约恶名昭彰的 Gowanus 运河,测试由多种天然与基改植物组成的植物复育浮岛,期能对运河内的综合毒物 (目前有侦测到多氯联苯、氰化物、以及砷和其他重金属) 进行吸收和排除。至于针对辐射污染地区的复育工作,车诺比周边的植物复育工作从90年代就已经开始,先后使用十字花科植物、玉米、向日葵、和大麻吸收带有辐射及衰变后的重金属原子,如碘、铯、铬、锶、钸、铅等等。目前车诺比周边的植物复育工作以多品种的大麻为主力,这些经过筛选的品种吸收效率高、生长不会受到辐射所影响、且采收后可用来产生生质燃料。日本的福岛核能电厂附近则是种植超过八百万株的向日葵,而尽管其采收后的运用可能不如大麻多元,但在民风较保守而排斥基改作物的日本,向日葵是有效而疗愈的选择。

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植物复育基因研究现在共有三大方向在较劲:第一种筛选法选择深入受污染的土地采集生长在上面的植物,或是将带有各种基因突变的大麻、玉米、向日葵、波菜等作物种植在受污染的实验区,再定期采收与分析。筛选法希望借由污染物吸收程度和基因表现的比对,找出因天生或突变而带有超级吸收基因的植物,再将此基因筛选出来并转殖到其他植物、微生物、藻类、或真菌。第二种微生物基因植入法恰取其反,是将细菌或藻类投入污染环境筛选出可表现分解酵素或结合蛋白的基因后,再将此基因转殖到体积较大的植物进行植物复育;这种好处是细菌生长期短、基因筛选也比较方便快速,但缺点就是无法预测转殖基因在植物表现后能发挥多少作用,后续测试和调整工作较繁杂。第三种则是细菌共生法,就是将植物搭配微生物伙伴,先由微生物分解或降低污染物的毒性,再由植物移出土壤吸收至体内储存,进而达到净化土壤的作用。近期一项研究尝试利用白杨树搭配益生菌处理受到三氯乙烯 (TCE) 污染的闲置工业园区,就是先将白杨树种植在污染的土地,再从树本身采集超过一百种共同生长的微生物,然后独立测试各微生物对 TCE 的分解能力。研究人员将分解能力最佳的一支微生物大量繁殖,再注入一部分新种植白杨树的根部附近。经过一年追踪,有搭配微生物的白杨树生长较茂盛而健康,三年后仍保持生长优势,显示此法可有效延长复育用植物的生长时间和工作寿命。细菌共生法可望用在数十年前即进行植物复育,但是复育植物生长不佳且缺乏经费改种新型基因改造植物的污染之地,因此有一定的商机存在;而未来若能利用农业基因科技的技术将基改植物和基改微生物进行搭配,应该会有助提升植物复育的效率并降低单位面积复育所需的植物和价格,实现另类的绿色革命。

首图:前苏联车诺比核能发电厂限制区内空荡 30 年的建筑。

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