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打造大地的排毒系統:從車諾比到福島的綠色淨化挑戰

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1986 年 04 月 26 日,位於當今烏克蘭境內的前蘇聯車諾比核能發電廠,在執行冷卻設備斷電演練的過程中失誤造成核反應失控,隨後的水氣爆炸和火災釋放了大量放射性物質,散布在歐洲數萬平方公里的土地上。直到今日,在車諾比反應爐30公里方圓的限制區內仍有相當高的輻射量,以致維護核反應爐密封工程的人員每天僅能工作 5 小時,工作一個月後也得連續休息 15 天才能再上工

2011 年 03 月 11 日,位於日本福島縣的福島第一核能發電廠因為芮氏規模 9.0 的強烈地震所引起之 15 公尺高海嘯,冷卻設備全數遭到破壞而引起核反應失控和氫氣爆炸,大量放射性物質覆蓋約半個福島縣面積 (大概 6,000 平方公里) 並於災後沖入海中。目前電廠內和周邊區域的輻射量仍相當高,達到數分鐘曝露即可致人於死的程度,甚至機器人和攝影機也只能運作數小時就會遭放射線破壞。

日本福島核災後廠內與周邊區域仍有高輻射量。來源:https://www.flickr.com/photos/iaea_imagebank/8657963646/

日本福島核災後廠內與周邊區域仍有高輻射量。來源:https://www.flickr.com/photos/iaea_imagebank/8657963646/

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上述事件固然是比較極端而嚴重的污染案例,但其實全球有許多地方因為核試、核能研究、礦業、工業、石化業、運輸業、農業等活動而成為人類無法再踏入或使用的禁區,污染種類包含放射性物質、重金屬、化學毒物、油料、農藥等等。現行做法是將污染的表層泥土挖掘並另外封存,或是直接將該區域封鎖,但這些都不是長遠之計,污染物也不會因此而消失。不過,近年興起的生物復育 (bioremediation) 研究提供一線曙光,這種技術利用微生物或植物將土壤的污染物吸收集中或直接分解,有機會讓大地排毒並恢復原始環境。而農業基因科技在植物復育 (phytoremediation) 方面近年發展迅速也開始投入商業應用;舉例來說,在美國首都華盛頓 DC 的 Spring Valley 社區近年被發現土壤中含有足以危害人體的砷,主要是該區在第一次世界大戰作為彈藥測試中心的後遺症。砷濃度太高的表土依傳統方法挖掘封存,而在砷濃度相對較低的地方,則是種植美國 Edenspace 公司生產的 Edenfern 蕨類。這種蕨類天生具有從土壤吸收砷的能力,經過基因改造後可加強吸收能力。種植 Edenfern 的家戶中,有 72% 經過一季生長和採收就達安全砷濃度標準,整個社區也在 5 年內成功解決砷的問題。

目前 Edenspace 公司正在積極建置另種可吸收鉛的基因改造蕨類,希望改善在美國廣泛禁用含鉛漆料、汽油、與農藥之前所遭到污染的社區和果園。而近期最收到關注的植物復育物種為基改大麻和菸草,這兩種作物的發展先驅 – 22nd Century 公司,最近宣布將與美國維基尼亞大學合作測試一種基改大麻的重金屬吸收能力。而美國 Balmori 設計公司最近也在紐約惡名昭彰的 Gowanus 運河,測試由多種天然與基改植物組成的植物復育浮島,期能對運河內的綜合毒物 (目前有偵測到多氯聯苯、氰化物、以及砷和其他重金屬) 進行吸收和排除。至於針對輻射污染地區的復育工作,車諾比周邊的植物復育工作從90年代就已經開始,先後使用十字花科植物、玉米、向日葵、和大麻吸收帶有輻射及衰變後的重金屬原子,如碘、銫、鉻、鍶、鈽、鉛等等。目前車諾比周邊的植物復育工作以多品種的大麻為主力,這些經過篩選的品種吸收效率高、生長不會受到輻射所影響、且採收後可用來產生生質燃料。日本的福島核能電廠附近則是種植超過八百萬株的向日葵,而儘管其採收後的運用可能不如大麻多元,但在民風較保守而排斥基改作物的日本,向日葵是有效而療癒的選擇。

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植物復育基因研究現在共有三大方向在較勁:第一種篩選法選擇深入受污染的土地採集生長在上面的植物,或是將帶有各種基因突變的大麻、玉米、向日葵、波菜等作物種植在受污染的實驗區,再定期採收與分析。篩選法希望藉由污染物吸收程度和基因表現的比對,找出因天生或突變而帶有超級吸收基因的植物,再將此基因篩選出來並轉殖到其他植物、微生物、藻類、或真菌。第二種微生物基因植入法恰取其反,是將細菌或藻類投入污染環境篩選出可表現分解酵素或結合蛋白的基因後,再將此基因轉殖到體積較大的植物進行植物復育;這種好處是細菌生長期短、基因篩選也比較方便快速,但缺點就是無法預測轉殖基因在植物表現後能發揮多少作用,後續測試和調整工作較繁雜。第三種則是細菌共生法,就是將植物搭配微生物夥伴,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體內儲存,進而達到淨化土壤的作用。近期一項研究嘗試利用白楊樹搭配益生菌處理受到三氯乙烯 (TCE) 污染的閒置工業園區,就是先將白楊樹種植在污染的土地,再從樹本身採集超過一百種共同生長的微生物,然後獨立測試各微生物對 TCE 的分解能力。研究人員將分解能力最佳的一支微生物大量繁殖,再注入一部分新種植白楊樹的根部附近。經過一年追蹤,有搭配微生物的白楊樹生長較茂盛而健康,三年後仍保持生長優勢,顯示此法可有效延長復育用植物的生長時間和工作壽命。細菌共生法可望用在數十年前即進行植物復育,但是復育植物生長不佳且缺乏經費改種新型基因改造植物的污染之地,因此有一定的商機存在;而未來若能利用農業基因科技的技術將基改植物和基改微生物進行搭配,應該會有助提升植物復育的效率並降低單位面積復育所需的植物和價格,實現另類的綠色革命。

首圖:前蘇聯車諾比核能發電廠限制區內空蕩 30 年的建築。

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