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Nov. 19 2021

RDX炸藥的有毒物質該怎麼處理?

  • 第二次世界大戰中使用的空襲炸彈,鋼瓶上印有RDX/TNT的字樣,為RDX與TNT混合物。圖/wikipedia

    第二次世界大戰中使用的空襲炸彈,鋼瓶上印有RDX/TNT的字樣,為RDX與TNT混合物。圖/wikipedia

  • RDX分子模型。圖/wikipedia

    RDX分子模型。圖/wikipedia

  • Rhodococcus 屬細菌於光學顯微鏡(左)與電子顯微鏡(右)下的成像。圖/microbewiki

    Rhodococcus 屬細菌於光學顯微鏡(左)與電子顯微鏡(右)下的成像。圖/microbewiki

  • 柳枝稷 Panicum virgatum 。圖/wikipedia

    柳枝稷 Panicum virgatum 。圖/wikipedia

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曾繁安|科技大觀園特約編輯

一般說到炸藥,大家可能都會想到化學課聽過的「黃色炸藥 TNT 」,而同樣有硝基的常見爆炸物 RDX(Research Department eXplosive),爆炸強度是 TNT 的1.5 倍,是目前美國軍事上製造炸藥必須的化學藥品,然而,這些爆炸物容易造成令人頭痛的環境汙染,目前許多研究試圖尋找降解此種汙染的方法,但一直沒有找到有效經濟又可以持續使用的辦法。今年發表於《自然生物科技》(Nature Biotechology)的一篇新研究發現,一種在北美草原上常見的植物,透過基因轉殖後可以吸收和分解 RDX!

第二次世界大戰中使用的空襲炸彈,鋼瓶上印有RDX/TNT的字樣,為RDX與TNT混合物。圖/wikipedia

第二次世界大戰中使用的空襲炸彈,鋼瓶上印有RDX/TNT的字樣,為RDX與TNT混合物。圖/wikipedia

到底是怎麼做到的呢?在了解這個新穎的解決方案之前,我們先來聊聊 RDX到底是什麼?又是怎麼造成環境汙染的?

RDX 的化學式是 (CH2NNO2)3 ,環三亞甲基三硝胺,中文別稱黑索金、海掃更、T4炸藥、炫風炸藥等。如前面所說,RDX 廣用於軍事用途,是二次世界大戰時最常被使用的爆炸物,目前軍用市場上有超過 4000 種彈藥都含有 RDX,通常和其他物質混合作為軍事彈藥,但事實上,RDX 在一開始並不是被用來作為武器,西元 1899 年德國化學家首次合成 RDX 並申請專利,當時主要描述的是 RDX 的醫藥用途,後來,隨著二次大戰開打,由於 RDX 的爆炸力比第一次世界大戰的 TNT 還強,RDX 被雙方軍隊注意到,便被廣泛作為炸藥的材料。

RDX分子模型。圖/wikipedia

RDX分子模型。圖/wikipedia

 那 RDX 會對我們造成什麼影響呢?

事實上,在彈藥發射、丟棄槍械,或是製造彈藥的過程中都可能會釋放 RDX 至周圍環境,例如軍事基地、手榴彈丟擲場、彈藥工廠等場所,受汙染較嚴重的以土壤和地下水為主,當 RDX 被釋放到土壤後,會進一步滲透至地下水系統,也就是說,RDX的影響可能會蔓延到日常飲用水,而且因為 RDX 流動性高又不易降解,不僅會對土壤生態造成影響,若人類攝入過量會有暈眩、嘔吐等症狀,也可能會引起癲癇發作。

此外,RDX 也是一種可能的致癌物,在美國大約有1萬公頃的射擊場用地已經被 RDX 滲透,因此被美國環境保護署 (Environmental Protection Agency,EPA) 列為飲用水汙染物之一,並設立飲用水中的含量標準。

在西元 2012 年時,臺灣也增修了環境標準管制草案,因火炸藥屬於管制用品,通常只有軍事用地能夠生產及銷毀,而根據環保署過去的調查計畫也顯示,臺灣多處軍事場址內確實有火炸藥類物質的汙染,若未來軍事用地轉為公共用途後,使用者受到危害的可能性將會提高。環保署逐年檢測國有地、軍事用地土壤與地下水的相關汙染。為了避免 RDX 汙染造成環境及健康的威脅,探討 RDX 在土壤及地下水中的特性、機制,並找到整治的方法,便成為研究的一大重點,例如,國內曾有研究利用表面改質奈米零價鐵顆粒,處理受 TNT、RDX 的汙染地下水體。

而這次由美國約克大學研究團隊發表的研究,是利用基因轉殖,讓植物能夠降解並吸收 RDX,前面有提過,美國受 RDX 的土地面積非常大,若利用傳統方法,像是填埋、焚燒、氧化等,較適合用於高汙染但面積小的土地,根據美國國防部的估計,成本效益不符比例。

事實上,研究團隊在先前就已經分離出一種具有降解 RDX 能力的細菌 Rhodococcus rhodochrous 11Y,能夠在有氧及無氧條件下催化 RDX 還原脫硝,然而,細菌分解的速度不夠快,沒辦法防止 RDX 滲入地下水層。因此,科學家將清除汙染的責任放到植物身上,使用植物有許多好處,例如破壞性較小、能幫助土地恢復生機,社會層面上則是具有美感、大眾接受程度也較高,且長期而言,維護植物的生長所需成本較低。 

Rhodococcus 屬細菌於光學顯微鏡(左)與電子顯微鏡(右)下的成像。圖/microbewiki

Rhodococcus 屬細菌於光學顯微鏡(左)與電子顯微鏡(右)下的成像。圖/microbewiki

但是,植物並不具備降解 RDX 的能力,因此,科學家便將與降解能力有關的細菌基因,轉殖至植物的基因裡。在之前的實驗中,他們發現被轉殖過的阿拉伯芥 Arabidopsis thaliana 能夠將 RDX 分解,然後被植物吸收並代謝,不需要收割植物便可以清除汙染物。

在實驗室裡成功後,能否在真實環境實行這個方法才是接下來的重頭戲,但這並不是一件容易的事,首先,只有少數幾種適合的植物可以進行基因轉殖,再來,種植基因轉殖作物需要申請大量的文件許可,並且,大面積種植可能需要花上好幾年的時間,而且野外實驗容易受到天氣因素影響,大規模的實驗可能會耗費昂貴的成本及時間,最可怕的是,仍然無法保證會有明確的結果。

後來研究團隊選用一種叫做「柳枝稷」(學名 Panicum virgatum )的植物進行基因轉殖,這是北美洲原生種、多年生的草本植物,接著團隊在紐約洲的一個軍事訓練場進行野外實驗。他們將 27 塊含有 RDX的土地分成三組不同的種植條件,分別為:沒有植物、未轉殖基因的柳枝稷、已轉殖基因的柳枝稷,三年之後,結果顯示,種植轉殖基因柳枝稷的土地流出的水有較低濃度的 RDX,此外,和未轉殖基因的柳枝稷相比,已進行基因轉殖的植物組織內幾乎沒有 RDX,代表這些植物正在吸收和代謝這種化學物質。

柳枝稷 Panicum virgatum 。圖/wikipedia

柳枝稷 Panicum virgatum 。圖/wikipedia

研究者表示,受較高汙染的土地可能需要花幾年種植,但汙染較少的地方可以恢復的比較快,與先前的方法相比,使用基因轉殖作物整治的方式經濟實惠許多。當然,在將這個方法運用在土地之前,需要先進行生物安全檢測,確認基因轉殖作物會如何影響當地的植物。最近,研究團隊試著將基因轉殖到另一種原產於美國許多地區的小麥草 Pascopyrum smithii ,希望未來這項技術能用於更多不同地區的受汙染土地。

本文轉載自《科技大觀園》,一個由科技部建置的科普數位整合平臺。

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