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污染，目前許多研究試圖尋找降解此種污染的方法，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《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！
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？又是怎麼造成環境污染的？
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。
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，受污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，在美國大約有一萬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) 列為飲用水污染物之一，並設立飲用水中的含量標準。
在西元 2012 年時，台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，台灣多處軍事場址內確實有火炸藥類物質的污染，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污染。為了避免 RDX 污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 的污染地下水體。
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，較適合用於高污染但面積小的土地，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，科學家將清除污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。
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污染物。
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。
研究者表示，受較高污染的土地可能需要花幾年種植，但污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污染土地。
資料來源
Cary, T. J., Rylott, E. L., Zhang, L., Routsong, R. M., Palazzo, A. J., Strand, S. E., & Bruce, N. C. (2021). Field trial demonstrating phytoremediation of the military explosive RDX by XplA/XplB-expressing switchgrass. Nature Biotechnology, 1-4.
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Rylott, E. L. & Bruce, N. C. Right on target: using plants and microbes to remediate explosives. Int. J. Phytoremediation 21, 1051–1064 (2019).
本文授權轉載自科技大觀園。
