利用微藻移除水體中塑膠微粒

 

刊登日期:2021/6/5
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王翔郁/清華大學工程與系統科學系
 
海洋中超量的塑膠微粒是當前最嚴重的環境議題之一,利用微藻移除水體中塑膠微粒與其他技術比較,是相對低耗能及低碳排的技術。近年研究發現,藻種以及塑膠微粒成分是影響微粒移除效率的關鍵因素,本研究室與工研院的合作研究亦發現塑膠粒子的親疏水性與表面ζ電位是影響微藻與塑膠微粒形成異相團聚的主因,且塑膠微粒可刺激微藻釋出胞外聚合物,使塑膠微粒黏附固體表面而更容易移除。但塑膠微粒與微藻之間互動的詳細機制仍不明朗,未來仍須進一步的研究,才能大規模應用微藻來有效地去除水體中的塑膠微粒。
 
【內文精選】
前 言
海洋中超量的塑膠微粒(Microplastics)已經被證實造成許多負面環境衝擊,如何減少流入海洋的塑膠微粒,或是回收已經存在海洋中的塑膠微粒,是當前刻不容緩的科學議題。海洋中塑膠微粒的來源可分為兩類,一類是原本就為微粒型態的工業或民生產品添加物(作為清潔用途),另一類則是大型塑膠廢棄物在海中被分解後產出的小型殘骸。不論來源為何,依據美國國家海洋暨大氣總署的規範,只要是水力直徑小於5 mm的塑膠物體,都可定義為塑膠微粒。根據報導,過去30年間海洋中的塑膠微粒數量持續增加,至2015年估計全球約有51兆個塑膠微粒存在海洋中;在瑞典海域中,濃度甚至可高達每立方公尺10萬個塑膠微粒。
 
依據塑膠微粒的物理化學特性不同,其分布的垂直區域也不相同,例如:密度比海水低的塑膠微粒通常漂浮於海面,而具疏水性官能基的塑膠微粒通常能附著於其他大型廢棄物表面而隨之沉降海床,也因此從海面到海底沉積物,甚至是深達4,800 m的豪豬深海平原(Porcupine Abyssal Plain)都可以觀測到塑膠微粒的存在。隨著洋流的驅動,塑膠微粒的地理分布已遍布全球,其對海洋生態系造成的危害也遍布食物鏈。食物鏈底端的小型生物可能因攝食含有有毒酚類的塑膠微粒而死亡,食物鏈頂端的大型生物也會在體內累積比海洋中濃度更高的塑膠微粒,對其健康造成影響。此外,塑膠微粒上可附著微生物,這些附著在微粒上的微生物隨著洋流飄送,可以傳播到離原生地數百公里外,造成全球性的生態系改變甚或崩壞。除了海洋之外,全球的淡水水體亦都發現超量的塑膠微粒,但目前尚缺乏系統性的研究。
 
藻種對於移除塑膠微粒效率的影響
雖然每年流入海洋的塑膠微粒不斷增加,但在海面觀測到的塑膠微粒數目卻不增反減,因此科學家提出了海洋中微生物可與塑膠微粒生成異相團聚(Heteroaggregation)並沈降至海床的假說,並在近年得到證實。最早觀測到微藻(Microalgae)可吸附塑膠微粒的研究發表在2010年,研究中使用的兩種淡水藻(小球藻、柵藻)可吸附奈米尺寸的聚苯乙烯微粒子,吸附量約為0.3 mg/mL,但這項研究並沒有激起太大的迴響,一直到2015年後,才有較多的團隊發表利用微藻移除塑膠微粒的研究 (研究結果統整於表一)。各研究團隊使用的微藻包含海水藻以及淡水藻,測試的塑膠微粒材料包含聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯,以及高密度聚乙烯。從這些研究中可以發現,微藻可分泌具有黏性的胞外聚合物(EPS)黏附塑膠微粒形成異相團聚,不同的藻種能夠與塑膠微粒形成異相團聚的能力不同,且不同的塑膠原料也會影響異相團聚的形成。
 
表一、近年微藻與塑膠微粒相互作用的相關研究
表一、近年微藻與塑膠微粒相互作用的相關研究
 
塑膠微粒成分對於移除效率的影響
除了藻種的影響之外,不同材質的塑膠微粒也會影響形成異相團聚的能力,聚苯乙烯是最常見的塑膠成分,在研究中發現能與多種海水藻與淡水藻形成異相團聚。聚氯乙烯以及聚丙烯成分的微粒,分別在文獻中被報導可與中肋骨條藻 (Skeletonema costatum,矽藻的一種)或萊茵衣藻(Chlamydomas reinhardtii)形成異相團聚,但高密度聚乙烯粒子並無法與萊茵衣藻形成團聚。目前相關文獻數量不多,並未能解釋塑膠成分如何影響異相團聚的形成,本研究室與工研院材料與化工研究所在2020年的合作研究首次發現,塑膠粒子的親疏水性與表面ζ電位是影響異相團聚形成的重要變因。研究中使用了…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》414期,更多資料請見下方附檔。

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