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靠細菌運作的生物電池

國科會 國際合作簡訊網
・2012/03/17 ・896字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

位於法國雷恩(Renne)的實驗室開發能夠清理廢水並產生電力的生物電池

Frederic Barriere在雷恩第一大學實驗室的一角,利用小植物和細菌的共生關係,進行小電池供電示範。一個連接到設備兩端的小型光電二極管亮起來,證明該系統能產生電力。

雷恩一大化學實驗室是法國國家科學研究中心(CNRS)最大的化學混和研究單位之一。其研究員暨雷恩一大講師Frederic Barriere表示,「這種電池的發電量雖然很微小,但與生物體一起運作非常容易。我不會騙你,也不會說你的汽車可以靠這種電池發動,但它的確存在著令人興奮的產電潛力」。該系統目前在污水處理廠進行測試,在清理污水的同時,也能產生電力。

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Barriere與一名年輕博士正在研發的微生物電池,是燃料電池發展史上的驚人進展。燃料電池的發展已經超過一世紀,這種電池利用浸在氫及氧氣中的電極來運作。「正規」電池得使用非常昂貴的催化劑,例如鉑,才能在電極表面進行化學反應,但是生物電池使用的則是「細菌」這種不貴的活體材料。Barriere表示:「我們使用的微生物不會吸入空氣中的氧氣,而是直接吸入電極金屬,並將之轉化為電子,在電池中流動並產生電流。而最令人驚訝的是,如果我們將這些品質良好的細菌放置在無氧環境中,它們會透過自然選擇的程序,自行抓住電極。」

應用在污水處理廠
只要培養一層細菌薄層,就能使電池運作並產生電力。這些「燃料」可以是污水中的有機化合物混合體。澳大利亞已經利用酒館流出的廢水進行相關裝置的實驗。該系統有利於污水處理廠,因為處理污水通常非常消耗電力。該裝置能與進行光合作用的植物根部接觸,讓生物電池更有效率及環保,因為植物的根可以捕獲細菌排放的二氧化碳,同時提供細菌所需的碳水化合物。

該團隊的部份研究經費由歐洲植物電力研究計畫(Plant Power)提供,研究重點是電極表面,旨在改善與細菌的交互作用與增加電力產量。雖然某些金屬會毒害微生物而無法使用,但是電極可以採用其它價格低廉兼具生物相容性的導電材料來製造,例如石墨。

資料來源:法國費加洛報 (Le Figaro)

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轉載自國科會國際合作簡訊網

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檢驗口罩不測阻擋病毒效率有搞錯些什麼嗎?關於醫用口罩規範的迷思
活躍星系核
・2020/10/07 ・3312字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

文 / 粒腺體、亞坦尼斯

近日社群上出現了違法進口中國製口罩,和台灣製口罩的送檢報告,引起了一番「 CNS14775 不是醫療級口罩的標準!」、「為什麼不測阻擋病毒的效率?」的論戰

BUT 這其中的觀點充滿了迷思,恐怕只會越吵越混亂。那麼,這些爭論中有那些迷思呢?

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我們先把結果摘要在這裡:

  • 迷思 1:「口罩應該測阻擋病毒的效率,而不是阻擋細菌的效率!?
  • 回應:
  1. 臺灣醫用口罩規範 (CNS14774) 中,對所有等級的醫用口罩都不用針對阻擋病毒的效率進行評估。為什麼呢?我們下一點說明。
  2. 因為病毒會附著在口水、飛沫上,所以實務上應該要量測阻擋該類型粒子的能力,而非病毒本體;所以口罩其實不需要測阻擋病毒的效率。
  • 迷思 2:「CNS14775 不是醫療級口罩的標準,CNS14774 才是?
  • 回應: CNS14774 是醫用口罩標準的總綱,等同於一篇文章的摘要,其中包含實驗方法、細項分類等。而 CNS14775 是其中一項實驗方法。換言之, CNS14774 是評斷醫用口罩的摘要、開場白; CNS14775 是教導廠商如何評斷醫用口罩的實驗方法; CNS14774、CNS14775 都可算是醫用口罩的標準文件。
引起論戰的兩張檢驗報告,據稱為違法從中國進口的口罩,和台灣製口罩的檢驗報告。

那到底醫用口罩的規範是什麼?明明也需要阻擋病毒的口罩為何不測病毒阻擋效率呢?除了過濾效率,你知道一片合格的口罩還需要注意哪些事嗎?看到這裡還沒離開相信你是很有耐心的智人,那就聽我們娓娓道來吧!

口罩檢驗怎麼做?

臺灣對於醫用口罩的規範說明文件是什麼?答案是 CNS14774(醫用面(口)罩 Medical face masks),其中提及合格的醫用面(口)罩,須通過:

  • 抗合成血液穿透性(阻擋血液噴濺,沾染到口、鼻腔等)
  • 細菌過濾效率(阻擋細菌等)
  • 次微米粒子防護效率 (阻擋比細菌更小的東西,如氣溶膠等)
  • 壓差(測量流體在口罩兩側的流通性;換言之,確保戴了口罩後,還能呼吸)
  • 防焰性
CNS14774(醫用面(口)罩 Medical face masks)內對各等級醫用口罩的標準。圖/經濟部標準檢驗局

當然,檢驗也不能亂做,經濟部標檢局也附了各項檢驗的操作 SOP ,如:細菌過濾效率須遵循 CNS14775 的步驟。

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CNS14774(醫用面(口)罩 Medical face masks)內,對內容中提及的標準試驗法的延伸說明。圖/經濟部標準檢驗局

CNS14775 是醫用口罩的實驗方法之一,該文件將說明實驗該如何操作、使用什麼菌株、器材該如何架設等,以確保合格的廠商都用相同的實驗進行評估。

CNS14775 (醫用面罩材料過濾效率試驗法)。圖/經濟部標準檢驗局

換言之,依台灣的標準 (CNS14774) ,合格的一般醫用面(口)罩,僅要求:

  • 細菌過濾效率
  • 壓差

若是更高等級的外科手術用(口)罩,還會加上阻擋血液噴濺等要求。

BUT,此時也許你的心中會有個小疑問——怎麼沒有阻擋病毒的評估呢?因為病毒的傳播,是靠口水噴濺的啊!

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防細菌,不防病毒?

為什麼口罩的標準中,未撰明須檢測「阻擋病毒」的能力呢?生活場景中,我們臉上的口罩是直接擋住病毒、還是含有病毒的口水?

其實就呼吸道疾病傳染的角度來看:幾乎都是透過帶有病毒的口水飛沫,噴濺到物品或健康人的身上,他們再觸摸口鼻而感染。

換言之,阻擋口水大小的顆粒,是較符合真實世界的需求。而2009年在美國就實際量測人體產生的飛沫顆粒發現,絕大多數的飛沫都大於1微米 (μm)(大於 4μm 佔 46% 、 1~4μm 佔 49% )[感染控制雜誌,2009]。

現行口罩的規範已足以抵禦透過飛沫傳染的疾病。圖/Pexels

而針對現在流行的冠狀病毒瘟疫 (COVID-19) 或過往的流行性感冒,科學界都普遍認可配戴口罩能阻擋口水飛沫的傳播 [Fennelly, K. P., 2020]。

換言之,不論從科學的推論,或是真實感染控制的層面裡,現行口罩的規範(主要針對微米 (μm) 等級的過濾能力)已足以抵禦透過飛沫傳染的疾病(現行的冠狀病毒瘟疫 (COVID-19) 或流行性感冒傳染);無須強調冠狀病毒的顆粒尺寸來要求口罩的規範。

題外話,倘若要抵禦的是血/體液傳播的傳染病,如:伊波拉出血熱,那麼醫用口罩的規範可能要特別針對血液的防浸透能力了。

口罩只要注意過濾效率就好了嗎?

當然不是。

如果阻擋能力高到連呼吸都有困難,那擋住病毒前,不就悶死了嗎?

所以合格的醫用口罩,不是只看微生物的過濾效率,也要看透氣的能力!所以單就過濾效率來評斷某廠牌的口罩較佳或較差,證據上恐怕不足。

一般而言,阻擋外物的效果越強,口罩兩側的壓力差距越大,口罩的通氣性也越差。如前述圖 (CNS14774) 的敘述中可看到,台灣標檢局對於「壓差」都有規範,其須維持在一定的範圍內,以確保口罩能阻擋外物之餘,使用者仍可正常呼吸。

數字的背後,科學的極限

回顧本次議題在輿論上的爭議,有人看到進口口罩的過濾率比國產口罩高,而認為更應該要買進口口罩;有人看到進口口罩的細菌過濾率較高,而質疑應該要檢驗病毒而非細菌。

經過上述研究與法規的整理回顧,我們認為這次送檢的兩份口罩,確實因進口口罩的過濾率較高,有可能帶來更好的防護效果,但兩則口罩的檢驗結果均符合我國國家標準CNS的要求,足以達到醫用口罩必須有的防護效果。

儘管如此,在此例中網友自發性的送檢口罩,仍須留意取樣偏差的問題。在工業製程上,生產線的可靠度,往往就是取決於良率高低與品質是否一致,若要判斷產線優劣,應基於具統計意義的隨機抽樣調查。

自發性送檢口罩仍須注意取樣偏差的問題。圖/Pexels

因此縱然網友送檢的口罩有過濾率的高下之分,基於單一個案的檢驗結果的證據力,也遠不足以能推估到整體國家或公司生產口罩品質的優劣,而認定進口口罩的品質較好而值得購買。

然而網友自行送檢的結果,也並非毫不可取而無法採信。許多促成社會變遷的「公民科學」發展,常始於少數熱心公民自發性地發起科學研究、量測環境數值、自費檢驗有興趣的物品。

如美國1970年代起,民眾自發量測水質、送檢兒童玩具成分,而促成了美國環保署與食藥署的法規更迭與管制精進。若願意正面看待網友的送檢結果,這也是可以是個優化「口罩國家隊」的契機,畢竟「國家隊」的對手是病毒,舞台是世界。

當然,無論品質優劣,無論商業或科學,誠信是做人的基本而已。

參考資料

  1. 感染控制雜誌編輯部 (2009)。在高風險單位配戴外科口罩以控制流感病毒的傳播。感染控制雜誌 ; 19卷4期, P261 – 263
  2. 賴全裕。外科手術面罩相關標準與效能要求
  3. 國家標準 (CNS) 網路服務系統
  4. ASTM F2101-19, Standard Test Method for Evaluating the Bacterial Filtration Efficiency (BFE) of Medical Face Mask Materials, Using a Biological Aerosol of Staphylococcus aureus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019, www.astm.org
  5. Leung, N.H.L., Chu, D.K.W., Shiu, E.Y.C. et al. Respiratory virus shedding in exhaled breath and efficacy of face masks. Nat Med 26, 676–680 (2020).
  6. Jayaweera, M., Perera, H., Gunawardana, B., & Manatunge, J. (2020). Transmission of COVID-19 virus by droplets and aerosols: A critical review on the unresolved dichotomy. Environmental research188, 109819.
  7. Fennelly, K. P. (2020). Particle sizes of infectious aerosols: implications for infection control. The Lancet Respiratory Medicine.
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活躍星系核
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沒有醫藥箱,野生動物自舔傷口防傳染?——《寄生大腦》
活躍星系核
・2020/07/17 ・1801字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/凱瑟琳.麥考利夫 (Kathleen McAuliffe);譯者/張馨方

有鑑於絕大多數寄生蟲體型微小到肉眼難以察覺,野生動物的復原能力著實不可思議。野生動物既沒有顯微鏡也沒有醫藥箱,牠們為何能成功預防傳染病呢?

遠離寄生蟲第一招:舔舐傷口

野生動物擁有許多工具和技巧,其中之一是運用哈特所謂「嘴巴裡的醫藥箱」。一旦被咬傷、割傷或抓傷時,相當多數的物種會「把舌頭當作抗菌濕紙巾來清潔傷口」,尤其是哺乳類動物、貓科動物、犬類與囓齒動物。唾液富含抗菌劑、增強免疫力物質、殺真菌劑與加速皮膚及神經復原的生長因子。

像是這樣舔嗎?圖/giphy

在實驗中,老鼠的唾腺如果遭移除,皮膚傷口就很難痊癒;另一項研究中,實驗人員在培植的人類細胞上穿洞以刺激傷口,而在把唾液倒入培養皿後,傷口周圍的細胞生長變得比先前快上許多。

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哈特表示在適當的情況下,「『舔自己的傷口』會是很好的療法。」

他與莉奈特都認為,人類祖先或許也跟現在的哺乳動物一樣會舔舐自己的傷口;現代人類也許繼承了這項傳統,儘管我們可能絲毫沒有察覺。我想到自己在與哈特夫婦訪談後幾天,切橘子的時候不小心割到手指,馬上吸吮傷口。我把手指放進嘴裡時才想起他們的話,不禁納悶自己怎麼沒有立刻用肥皂和水清洗傷口。

唾液可以避免病菌經由其他管道進入體內。動物交配後,例如雄鼠、貓和狗會用力舔舐自己的生殖器數分鐘之久。大量唾液能殺死多種性病的病原體。這個習慣也有利於雌性動物,防止雄性動物將病原傳染給下一個交配對象。

有趣的是,舔不到自己生殖器的牛和馬遠比前述動物容易感染性病。哈特夫婦指出其中一個原因是,牠們經由人工授精繁殖。另外,人類也非常容易得到性病,原因可能出在類似的生理結構限制。

許多哺乳動物的泌乳雌性動物還發現唾液另一個有益健康的用途。牠們會先用舌頭拭除乳頭上的病菌,再餵養幼兒。「小鼠甚至會等媽媽先用口水清潔乳頭後才願意吸奶。」哈特說。

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遠離寄生蟲第二招:避開排泄物

遠離寄生蟲的另一個聰明方法,是避開聚集細菌的糞便排泄物。

人類看和聞到排泄物就退避三舍,這是好事。接觸糞便會讓我們遭受一連串災難,包括各種腸道蠕蟲、霍亂、傷寒、肝炎及輪狀病毒(開發中國家人民的頭號殺手)。

糞便也對其他物種造成無數危險。許多生物對糞便的反應就跟人類一樣,例如英國動物行為學家珍.古德(Jane Goodall)指出黑猩猩「對於被糞便弄髒,有著與生俱來的恐懼」。黑猩猩如果不小心接觸到糞便,會立刻抓起一把葉子用力擦乾淨;交配時,如果看到糞便,性致也會立刻消失無蹤。

這……我不行……。圖/giphy

珍.古德觀察到,母的黑猩猩對公的同類翹起臀部求偶時,公猩猩起初興奮難耐,但如果看到對方毛髮上有腹瀉的痕跡便會揚長而去;儘管另一隻公猩猩顯然沒有多想,還是接受母猩猩的請求,但在交配前,牠會先用葉子小心翼翼地擦去毛髮上的排泄物。

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其他動物對於糞便情事也同樣一絲不苟。鼴鼠與其他住在地洞的小型哺乳動物,會把地下廁所建在自己睡覺與食物儲藏處以外的地方;馬達加斯加的狐猴擁有獨樹一格的戶外廁所,也就是地上的土堆,牠們只會在排泄時去那裡;母牛、綿羊與馬從不在糞堆附近吃草,不管那裡的草有多新鮮。

狼、鬣狗與老虎絕不會弄髒自己的巢穴。哈特表示,這是一種本能,說明人類為何能輕易馴養這類犬種(不過,並非所有犬類都是如此!他警告,馴養西施犬與迷你犬種可能需要花上好幾年,因為那種本能會在人類飼養下慢慢淡化)。魚類也對排泄地點有所禁忌。有些魚上廁所時,會游到棲息地邊緣或是更遠的地方解放。

就連鳥類與蜜蜂也有良好的排泄習慣。北撲翅啄木鳥(Northern flicker woodpecker)會替雛鳥清理身上的糞便(包裹在膠囊裡以便清理),一天 50 到 80 次(大約是人類嬰兒一星期換尿布的次數);有些蜜蜂會集體建造廁所。

排泄時,牠們離開蜂巢,一次排出一陣噁心的黃色水霧,誰剛好在下方誰倒楣。前美國國務卿小亞歷山大.海格於 1958 年造訪寮國的旅行中,看到蜜蜂的煙霧排泄物,還大驚失色誤以為是某種化學武器。

——本文摘自泛科學 7 月選書《寄生大腦:病毒、細菌、寄生蟲 如何影響人類行為與社會》,2020 年 6 月,木馬文化

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來匆匆、去匆匆!虎鯨橫跨大海的「換膚旅行」
Lea Tang
・2020/05/14 ・1286字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

鯨的季節性遷移除了育兒外,可能還有「換膚」一途。

鯨類的季節性遷徒

鬚鯨及齒鯨季節性遷移的原因,向來是科學家們想要解開的謎團之一。牠們每年往返於極地水域的攝食場(feeding ground)及赤道地區的育幼場(breeding ground),距離極遠。以鬚鯨亞目底下的座頭鯨為例,來回的移動距離可達 18,840 公里。

座頭鯨的遷徒路線,粉色區域為育幼場,藍色區域為攝食場,橘色線條為移動路線。圖/offthemap.travel

過去,學者認為鯨類遷徒的主因是育幼——新生幼鯨的皮膚尚不能抵禦極區的嚴寒環境,牠們會在溫暖的熱帶海域生產,待小鯨魚發育完全,再返回食物量充足的極地。然而在極地虎鯨的長途遷移中,部分鯨魚並未出現生產或育幼的行為,往返時間更是僅花費了短短 42 天(通常為數個月)。

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這顯然與學界長久以來「冷冷食有飽,熱熱較好生」(feed-in-the cold, breed-in-the-warmth) 的假說相悖。

對此,海洋生態學者羅伯特.皮特曼(Robert Pitman)提供了新的看法。

來去溫暖海水「去角質」?

研究團隊在南極水域的四種虎鯨身上放了 62 個衛星標籤、持續追蹤八個夏季後,注意到在這 9,400 公里的長距離遷徒(由南極到南大西洋西部)中,虎鯨的「膚質」有了頗大的變化。虎鯨在南極時身上通常覆有黃色的矽藻薄膜,而在其它地點的鯨身卻很乾淨。

在南極時,虎鯨身上常覆有黃色矽藻薄膜。圖/sciencemag.org

人類去角質,鯨魚當然也要換膚。事實上,鯨魚和人類一樣會持續性地代謝表皮細胞,但寒冷的極圈環境不利於鯨類蛻皮。皮特曼認為,這可能和虎鯨為了在極冷環境下生存所發展出來的特殊機制——透過減少流向外層皮膚的血液量來維持體溫——有關。若虎鯨流向皮膚的血液變少,牠的體溫便會降低,造成皮膚細胞減少或停止增值、防止脫落。

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無法正常生長與代謝的皮膚促成矽藻堆積,然後變得越來越厚。

蛻蛻皮,抗抗菌!

就像我們角質堆積會讓膚色黯沉,厚厚的微矽藻堆積在鯨魚皮膚表面,不僅會讓皮膚變黃,還會孳生有害細菌,對健康產生危害。於是乎,定期的「去角質」對鯨魚來說可就非常重要了。要想恢復原本光滑透亮的皮膚,虎鯨們只好動身前往溫暖的中低緯度海域,來場舒舒服服的換膚之旅。

在南極拍攝到的虎鯨寶寶,照片中的皮膚狀況可能與牠們在冰冷環境中無法正常蛻皮有關。圖/R. Pitman

2012 年曾有學者提出,為了在南極寒冷的海水中保存熱量,虎鯨會將血液從皮膚中轉移出來,降低皮膚細胞的再生率;而當回到溫暖水域,提升的新陳代謝就能促成蛻皮。

皮特曼的研究結果似乎和此不謀而合,但要進一步擴大解釋為「所有鯨魚的遷徙都是為了蛻皮」,又為時過早。目前只能證實蛻皮對鯨魚的重要性,而非蛻皮與遷徙的絕對關連——畢竟不同種類的鯨魚可都有著不同的生物習性呢。

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