科普推廣

江殷儒

環境荷爾蒙是文明生活的代價

　　美國海洋生物學家瑞秋卡森（Rachel Carson）於1962年出版了科普書《寂靜的春天》，生動地描述殺蟲劑濫用對環境生態的巨大衝擊，以及對公眾健康的潛在影響。大眾驚覺，以含氯殺蟲劑DDT為首的內分泌干擾素（endocrine disruptors，更為通俗的名稱為環境荷爾蒙）正在無聲無息地影響鳥類等野生動物的發育與生殖，乃至可能造成族群滅絕。數十年間科學發展快速，研究技術多樣化與分析儀器靈敏度的精進。時至今日，科學界對環境荷爾蒙的種類、作用機制與最低作用濃度，已經有較深入的了解。
　　已知的環境荷爾蒙種類高達數十種，普遍出現在食物與日常用品之中，包括塑膠製品、醫藥用品、化妝品。這些人造的化學分子，不只是影響到野生動物；透過生態系統與食物鏈，最終還會進入到人體內，甚至影響到我們的後代（圖一）。最顯而易見的例子就是環境中的荷爾蒙，會影響個體的發育與族群的性別比。例如臺灣早期的烏魚養殖，使用雌激素等化學物質，能誘導稚魚雌性化，並促進卵巢發育。

圖一、環境荷爾蒙在生態系統中的循環與其對人類及野生動物的影響。

　　多細胞動物，包括人類、魚類、兩生類、鳥類及哺乳類等脊椎動物，以及海洋裡的珊瑚、海綿及昆蟲等無脊椎動物。這些動物要在生理上維持恆定的狀態，有賴內分泌系統的正常運作。內分泌系統由分泌荷爾蒙的無導管腺體（內分泌腺）所組成。荷爾蒙是一系列的化學傳導物質，自腺體分泌出來後，藉由體液進入血液，經由循環系統運送到目標器官。目標器官的細胞內有特定的接受器，荷爾蒙與接受器發生專一性的結合，就像一支鑰匙只能開一個特定的鎖一樣。然而，荷爾蒙與接受器結合的專一程度並不如我們想像中的高。自然或人造的化學物質，只要結構類似動物的荷爾蒙，就可能與細胞的荷爾蒙接受器結合（就像門鎖被外人打開），擾亂內分泌系統的運作。
　　環境荷爾蒙就像是持著萬能鎖或複製鑰匙，企圖開鎖闖空門的盜賊。以研究最多的雌激素接收器為例，這個接收器可以辨認人體及動物體內生成的雌激素的苯酚結構（請參見圖二）。不過這個接收器也能與任何帶有苯酚的結構產生不同程度的結合，啟動後續的生理變化。帶有苯酚結構的常見化合物包括避孕藥、多種殺蟲劑、石油衍生物、塑化劑、以及令人聞之色變的工業汙染物雙酚A及多氯聯苯；甚至是植物自然生成的類黃酮（圖二）。現代文明便利快速的生活方式，導致我們的日常生活中充斥各類塑膠製品、化妝品、藥品以及工業汙染。人類與野生動物接觸到人造苯酚類化合物的機會因此大增。

圖二、具有雌激素活性的常見環境荷爾蒙。這些人造或自然生成的化學物質都具有苯酚或類似結構。

無聲無息的游擊戰

　　人或動物知道自己面對明確且強大的威脅，包括各種災害、戰爭、致死的毒物時，自然懂得趨吉避凶。環境荷爾蒙的險惡之處，在於其環境濃度不高、影響又是緩慢而細微，有如溫水煮青蛙般造成傷害，導致我們深受其害而不自知。動物的內分泌系統是一套極其靈敏精巧的設計，只要極細微的荷爾蒙濃度變化，就足以造成生理的巨大改變，且影響層面廣泛。
　　流行病學的研究顯示，內分泌異常、不孕症、多種癌症（如乳癌與前列腺癌）及代謝異常（如糖尿病與肥胖），乃至過動症等學習障礙，似乎與人類長期接觸環境荷爾蒙有關。這些化學物質主要經由食物與容器進入人體。在食物方面，由於環境荷爾蒙多具有脂溶性的苯酚結構化合物，易累積於家禽家畜的脂肪及乳製品之中。海洋中的環境荷爾蒙則會透過食物鏈，累積於魚類及貝類。在容器方面，錯誤的使用塑膠容器，例如過度高溫，或使用品質不合格的塑膠容器裝盛食品，則極易吸收雙酚 A 及塑化劑。因此，應該維持食物多樣化，避免攝取過多動物脂肪，以及謹慎使用塑膠製品。另外，做好資源回收，減少廢棄的塑膠製品與藥品流入環境而造成污染。這些都是家庭及個人力所能及，可以降低人類及野生動物受到環境荷爾蒙威脅的有效做法。那大量的工業廢水與生活污水中的環境荷爾蒙，又該如何處理？

汙水處理廠是阻擋環境荷爾蒙的第一道防線

　　陳澄波畫筆下的淡水，總是那樣詩意盎然。那櫛比鱗次的紅瓦片，熱情地一路延伸到淡水河畔；那被夕照烘映的河面上，滿是各式行進中的船隻。然而，二十年前，當我讀大學時，經常跟實驗室成員租用漁家的排筏，沿著淡水河採樣。河水髒臭難聞，河面上不時飄過動物屍體。如今沿著河濱慢跑及騎自行車蔚為時尚，甚至許多年輕世代會認為這是理所當然的休閒娛樂。大家可曾想過，臺北市與新北市的人口逐年增加，都市廢水日增，淡水河為何反而變得澄澈可親？這得歸功於汙染源頭的有效控制以及迪化汙水廠的設置與維運（圖三）。
　　人造的化學物質，一旦被製造並釋放到環境後，會歷經漫長的裂解過程，持續而深遠的影響地球環境。被釋放到環境中部分種類的環境荷爾蒙，最後可能被消滅的途徑包括：物理降解（例如光與熱）、化學降解、生物降解。其中生物降解是最主要的降解機制，也就是細菌及真菌等微生物，會將環境荷爾蒙當作食物吃掉。

圖三、我們在迪化汙水處理廠進行採樣工作。臺北市民每日製造的生活汙水，包含多種的環境荷爾蒙，在此處進行生物處理後，再排放於淡水河中。數以億兆計的微生物勞工，正努力在這些汙水槽中工作著。

　　大量的環境荷爾蒙存在於工業廢水以及生活汙水之中。在已開發國家包括臺灣，都市下水道接管率很高。工業廢水及生活汙水都會被下水道系統導引到汙水處理廠，使用物理、化學及生物方法去除水中的有機污染物之後，再將相對安全乾淨的水排放到淡水河中。根據我們的研究，大多數（90∼99%）的環境荷爾蒙都可以有效地在迪化汙水處理廠中被微生物所分解。如果你有機會來到迪化汙水處理廠，將可以發現數十個依序連接、井然有序的曝氣池與厭氧池，其內棲息著種類多樣且數目繁多的微生物。汙水處理廠裡解決汙染物所依賴的是數以億兆計的微生物勞工，包括細菌、古菌、真菌、藻類與原生動物。

揭開汙水處理的勞動黑幕

　　雖然環境荷爾蒙多為人造結構，出現在地球上的時間很短，對大部分的生物而言顯得陌生，而無法有效地加以分解。但總是有一些應變能力很快的微生物，使用令人驚異的酵素與生化策略，獨享其他生物所無法利用的碳源與能源。這些專門利用環境荷爾蒙作為食物的微生物，平常在汙水中的存在數量並不多，且不同的細菌會偏愛特定種類的環境荷爾蒙。一旦特定的環境荷爾蒙在汙水中的濃度突然增加，對應的降解細菌的數量也會在幾天內迅速提升，顯示牠們透過分解消化這些環境荷爾蒙而快速生長。多虧這些多樣而勤奮的細菌勞工辛勤地日夜工作，才能幫人類對付各式各樣的環境荷爾蒙。在人口稠密的都會區與排放大量有毒汙染物的工業區，汙水處理廠因此成為第一道也是最主要的防線，讓河川海洋中的動物，乃至食物鏈頂端的消費者（人類）免於受到環境荷爾蒙的強烈威脅。

迎向更好的城市未來─環境工程與微生物生態研究攜手共進

　　環境工程學家善於進行通量運算與微量分析，進而計算出汙水處理的功效。然而，典型的環境工程研究，將這些迷你勞工的種類、數目與功能，視為渺不可知的黑盒子。僅能憑藉經驗法則、水質理化分析及運氣，來維持汙水處理廠的功能。憑藉現代分子生物技術，微生物生態學家已經能夠初步辨識這些迷你勞工的身份、工作項目與績效。典型微生物研究的第一步，也是最重要的一步，是分離純化出能降解環境荷爾蒙的細菌菌株（圖四）。微生物學家會分析其親緣種類與生理特徵；進而分析涉及的降解基因與酵素，以及代謝途徑。這些資訊將可提供改善汙水處理廠運作的效能，也能被環境工程學家用來尋求提高環境荷爾蒙降解效率的方法。

圖四、我們自迪化汙水處理廠的曝氣池內，所純化出來的一株雌激素降解菌。雌激素難容於水，因此會在洋菜膠培養基中會呈現白霧狀。菌落周圍的透明區塊，顯示雌激素已被細菌清除。

　　必須強調的是，現階段的生物處理仍未完善。微生物並不能有效地分解所有的環境荷爾蒙。因為，微生物需自外界吸收環境荷爾蒙至細胞內累積，才足以將其代謝掉，而環境荷爾蒙濃度越低則吸收效率越差。所以，仍有少量的環境荷爾蒙會躲過汙水處理廠中微生物的分解，釋放到河川及海洋中（圖五），透過食物鏈的累積與濃縮，為害長期而深遠。再者，隨著人工合成的化學物質日新月異，若不在生產源頭及消費端管制人造環境賀爾蒙的製造與使用，尤其是毒性極高或極難被微生物分解的種類，人類還是可能深受其害，甚至自取滅亡。

圖五、臺灣的主要河川（例如圖片中的淡水河口）的水體與底泥，常常可以偵測到雌激素及塑化劑等備受關注的環境荷爾蒙。這些鄰近城市都會的受汙染環境因此成為研究微生物降解活動的重要研究樣區。