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奈米零價鐵用於水汙染處理的生態毒性

奈米零價鐵進入水體後,很快便會氧化成奈米氧化鐵,或解離成二價鐵離子。其中,奈米零價鐵的毒性最強,在低濃度溶液中會導致青鱂魚胚胎死亡,並會對青鱂魚胚胎造成生長發育毒性。
 
 
 
高科技產業及工業蓬勃發展,但所產生的汙染物也帶來嚴重的環境問題,特別是製程或清洗劑中大量使用含氯有機化合物,具有高溶解度、親脂性、生物性降解速率緩慢以及致癌的可能性,一旦隨著廢水進入地下水或土壤中,會造成嚴重的汙染。此外,含氯有機化合物所形成的液體,比重高於水,隨著廢水排放後會滲入地下含水層,導致更大範圍的土壤及地下水汙染。

有鑑於此,汙染處理技術因應而生。隨著奈米科技的發展,水汙染處理也把奈米技術融入,又以奈米零價鐵(nanoscale zero-valent iron, nZVI)的使用範圍最廣。奈米零價鐵粒徑小,在同樣體積下,表面積總和大,反應速度快,又具高氧化還原力,能有效催化分解汙水或土壤中的毒性物質。且成本較低,使用方式單純,可以直接注入汙染的水區或土壤中。

此外,許多人認為奈米零價鐵不易產生二次汙染,因此大量使用在汙水整治、土壤復育及廢水處理上。然而,奈米零價鐵本身的高氧化還原力是否會對水或土壤中的生態環境造成衝擊,始終沒有詳細的研究。

為了釐清這個問題,臺灣大學農業化學系陳佩貞教授的研究團隊利用青鱂魚建立動物模式,評估奈米零價鐵對水生生物是否有潛在的毒性。青鱂魚(Oryzias latipes, medaka)是溪流或稻田中常見的魚類,性成熟快、產卵量多、發育速度快,在水域中屬於高階生物,不僅具有生態代表性,也易於觀察研究。

實驗所觀察的溶液共有3種,其一是羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose, CMC)所修飾的奈米零價鐵(CMC-nZVI)。羧甲基纖維素是常用的表面修飾劑,可防止奈米零價鐵聚集在一起形成較大的顆粒,而失去奈米粒子特有的物化特性。由於奈米零價鐵進入表面水體中,很快便會氧化成奈米氧化鐵(nFe3O4),或解離成二價鐵離子(Fe2+),因此實驗中也評估這兩種物質的毒性,以和奈米零價鐵的毒性比較。

陳教授讓青鱂魚的胚胎分別暴露在有這3種鐵物質的溶液中7日,發現

奈米零價鐵的毒性最強,即使在低濃度的奈米零價鐵溶液中,也會導致青鱂魚胚胎死亡。此外,奈米零價鐵會對青鱂魚胚胎造成生長發育毒性,例如眼睛發育缺陷、循環速率降低、胚胎孵化率降低、孵化時間較長等。

陳教授解釋,當奈米零價鐵進入含氧水體時,在其快速的氧化還原過程中會消耗大量的氧氣,並且產生活性氧化物質(reactive oxygen species, ROS),這可能是毒性的主要來源之一。此外,由於奈米零價鐵很快就會氧化成二價鐵離子,高濃度的二價鐵離子對水生生物也會造成不同程度的毒性效應。

這項研究最大的價值在於模擬了生態中奈米零價鐵存在的可能情境與宿命,以及其可能產生的毒性效應。往後若要大量使用奈米零價鐵做為汙染復育的材料,應注意其使用量及施用方式,以避免讓其流布至環境中,造成生物毒性效應,影響生態平衡。
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