清洁地球的神奇小分子

撰文 特伦斯.J.柯林斯(Terrence J.Collins)
  奇普.沃尔特(Chip Walter)            

阿纳卡斯蒂亚河从华盛顿特区中心地带流过,河中的鱼却无法享受畅游的乐趣,因为阿纳卡斯蒂亚河已被染料、塑料、沥青和农药的分子残留物所污染。最近的检测表明,河中超过68%的褐色大头鲶(brown bullhead catfish)都患上了肝癌。一些野生动物协会官员建议,凡是从该河中捕获的鱼,都应投回河中,不可食用,并且禁止人们在河中游泳。

阿纳卡斯蒂亚河只是美国数十条受严重污染河流中的一条。单是纺织业每年排入这些河流中的废水就达530亿加仑(2006亿升),这些废水中充满了活性染料和其他有害化学物质。目前,在美国饮用水中也发现了一些新种类的污染物:微量药物、除草剂、化妆品和避孕激素。这些污染物的数量常常微不足道――含量为十亿分之几或万亿分之几(十亿分之一大约相当于将一克盐溶解于一游泳池的水中)。然而,科学家们认的,有些污染物的含量哪怕微乎其微,也可能破坏人类发育过程中的生理生化状态,而这种生化状态与人类的行为、智力、免疫力和生殖能力有着密切的关系。

值得庆幸的是,问题有了解决的希望。在过去10年间,新兴绿色化学领域的研究人员,在开始设计化工产品和工艺流程时就将危险物质排除在外。这些科学家已经研制出更安全的替代物,取代有害的涂料和塑料,并且开发了一些新的制造技术,以减少进入环境的污染物。正如美国化学学会绿色化学研究所介绍的那样,该所的基本原则是:“与其亡羊补牢,不如防患于未然。”然而,作为这种努力的一部分,科研人员也找到了一些经济有效的方法,有望清除废水中的许多持久性污染物。

作为这种努力的一个实例,美国卡内基-梅隆大学绿色氧化物化学研究所(本文作者之一柯林斯是该研究所的董事)的科研人员,已经研制出一组设计的催化剂分子,称为TAML――四氨基大环配位体。TAML能与过氧化氢和其他氧化剂一道协同作战,强效分解各种各样难于处理的污染物。TAML通过模仿人体内的酶来完成这一任务,这些酶经过长时间的演变已能清除一些有毒化合物。在实验室和现场试验中,TAML已被证明能够清除危险的农药、染料和其他污染物,极大消除造纸厂排放废水的臭味和颜色,并可消灭类似于致命的炭疽菌株的细菌芽孢。如果广泛采用TAML,就能节省数百万美元的净化费用。此外,这一研究表明,绿色化学能够减少传统化学造成的环境损害。

绿色化学能够减少传统化学对环境造成的损害

迫切需要绿色化学

我们的环境问题变得日益严重的一个根本原因,在于人类对化学的使用方式在许多方面都与自然的化学过程大相径庭。千万年以来,生物化学过程从未停止过,通过利用含量丰富和便于利用的元素,包括有碳、氢、氧、氮、硫、钙和铁等,创造出了从草履虫到红杉、从小丑鱼到人类的万事万物。相比之下,我们的企业却几乎搜遍了地球的每一个角落,开采资源,并将它们以自然过程永远无法实现的方式加以配置。例如,在过去,铅基本上都存在于矿床之中,而这些矿床远离尘世、与世隔绝,所以自然界从未将铅融进生物机体中,但现在铅却无处不在,主要是由于我们的涂料、汽车和电脑将它散布于各处所致。如果铅进入小孩体内,那么哪怕很小一点剂量,也具有极大的毒性。镉、汞、铀和钚的情况也与铅类似。这些元素是持久性污染物,它们在动物体内或周围环境中不会降解,因而迫切需要寻找更安全的替代物。

药品、塑料和农药中的一些新型合成分子与天然化工产品极为不同,仿佛来自于外星球。许多这类分子都不容易降解,甚至有些可生物降解的化合物,由于我们过量地使用,它们已变得无处不在。最近的研究表明,一些这类物质可能会影响与男性生殖系统发育有关的基因的正常表达。几年前科学家就已经知道,产前接触邻苯二甲酸盐(用于制造塑料和化妆品的化合物),可能会改变啮齿动物新生雄性幼崽的生殖器官。2005年,罗彻斯特大学医学与牙科学院尚纳•H•斯旺(Shanna H. Swan)报告了这种物质给男婴也会带来一些类似的改变。由斯旺主持的另一项研究发现,在密苏里州的一个农田耕作区,精子存活率低的男子,其尿液中的除草剂(如甲草胺和莠去津)含量也偏高。从我们的工厂、农场和下水道开始,一些持久性污染物能原封不动地通过空气、水,沿着食物链四处“旅行”,常常正好又回到我们身边。

面对这一挑战,一些大学和公司的绿色化学家正在研究,是否能够用更为环保的可选方案来替代一些毒性极大的产品和制造工艺。卡内基-梅隆大学的柯林斯研究小组从20世纪80年代便开始这样的研究工作,当时人们对涉及氯的公共健康问题的关注正日益增加。从当时直到现在,氯经常用于制造业的大规模净化和灭菌,以及处理饮用水。虽然氯处理这个方法经济有效,却可能产生一些难以处理的污染物。直到2001年美国环境保护局禁止使用这一工艺流程为止,造纸厂使用氯元素来漂白木(纸)浆,一直是致癌物二恶英的一个主要来源。(目前大多数造纸厂都使用二氧化氯漂白木(纸)浆,这样虽然减少了二恶英的产生但却不能消除它。)饮用水氯化处理所产生的副产物也一直与某些癌症有关。氯的普通自然形态――氯离子或溶解于水中的盐―― 并没有毒性,但是当元素氯与其他分子发生反应时,就可能产生一些化合物,使活体动物的生化状态出现异常。例如,二恶英会影响调控关键性蛋白质生成的受体系统,从而破坏细胞发育。

与其依赖氯,不如考虑将自然界自己的清洁剂――过氧化氢和氧――用于净化水和减少工业废料的工作中。这些清洁剂能安全有效地清除许多污染物,但是在自然界中,这一清除过程通常需要一种酶――一种能大幅度提高反应速度的生物化学催化剂。无论是天然的还是人造的,催化剂都扮演着老式媒人的角色,但它们是将一些特定分子结合在一起而不只是介绍它们相互“认识”,除此之外,它们还能启动和加速这些特定分子之间的化学反应。一些天然催化剂还能将化学反应速度提升10亿倍。如果没有在我们的唾液中所发现的唾液淀粉酶,那么在我们体内可能要花上好几周的时间,才能将糊状物分解为它的糖组分。没有酶,生化反应就只能以一种无法觉察到的缓慢速度进行,而且我们所了解的生命也将不复存在。

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环球科学
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