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臭氧是否為人類帶來利多於弊?

2020/6/10 — 13:57

image credit: Copernicus

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當我們談論臭氧時,最經常聯想到的是平流層(stratosphere)中的臭氧層(ozone layer),臭氧層保護我們免受太陽的有害紫外線(UV)的傷害。之前新聞常說在北極和南極的臭氧層穿了一個洞(ozone hole), 增加了地面紫外線的强度,令到生物受傷害和導致人們更容易患上皮膚癌。這現象使人們認為臭氧有強大的保護作用。當新冠肺炎蔓延到全球, 很多人都各出奇謀希望可以對抗這個肺炎。 其中有一樣法寶就是掛在頸上的殺菌神器, 製造商聲稱這個小小的物體可以產生負離子和臭氧,更可以把病毒和細菌殺死,但是事實真的是如此嗎?

整個 20 世紀,北極和南極地區的臭氧層消耗現象(稱為「臭氧洞」)一直是一個令人關注的問題。由氯氟烴(Chlorofluorocarbon, CFC)等污染物和其他人為污染物如氣溶膠(aerosol) 和製冷劑(refrigerant)中發現的氣體,能跟臭氧產生化學反應,引致臭氧洞的出現,令到更多的紫外線能夠到達地球表面,並可能增加皮膚癌的發病率。 1987 年簽署的《蒙特利爾議定書》(Montreal Protocol) 禁止氟氯化碳(CFC)的排放;研究表明,如果沒有《議定書》,今天全球氣候將至少變暖 25%。經過全球多國二十多年的努力減排,2020 年的衛星圖像顯示北極上空臭氧洞已經關閉。

儘管這些事件給人們帶來了減輕氣候危機方面的希望,但是與臭氧相關的一種威脅會影響人類健康,尤其是受到地表臭氧 (ground level ozone)污染的植物。

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臭氧氣體是由荷蘭化學家範·馬魯姆(Van Marum)於 1840 年發現的,它是一種無色氣體,由於其強大的氧化性(oxidative power) 可以瞬間殺死微生物,因此被用作消毒劑和污水處理的氣體。該氣體還用於備受爭議性的臭氧療法(ozone therapy),就是將臭氧注入患者體內以對細菌周圍的區域進行消毒,從而改善人體對氧氣的吸收和利用,並激活免疫系統。一些人聲稱臭氧療法可以用作治療新冠肺炎病毒的方法,但是美國食品藥品監督管理局斷言臭氧是一種有毒氣體,並且「沒有已知有用的醫學用途」。科學家和醫學專家斷言,臭氧療法會引起呼吸道刺激,心臟問題,血液循環不良,中風和其他疾病。

在各種空氣污染物中,前導氣體(precursor gas)(就是人類活動直接排放的氣體如車輛產生的一氧化二氮 (Nitrogen oxide)和溶劑中的揮發性有機化合物(Volatile Organic Compound))會跟陽光產生化學反應(photochemical reaction) 而產生二次污染物(secondary pollutant),就是表面臭氧。由於發現吸入臭氧會導致氣管敏感,哮喘,呼吸道感染和增加心臟病的機會,因此受到人們特別關注。但是比較少人關注的是臭氧也會對生態系統健康造成重大危害。臭氧對植物有毒性,研究顯示臭氧會損害光合作用,減少二氧化碳氣體交換(gas exchange),誘發早期葉片衰老 (senescence)並阻礙自然植被和農作物的生長。

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臭氧對植物葉面上不同破壞程度

臭氧對植物葉面上不同破壞程度

由於植物在調節周圍環境中起著至關重要的作用,因此臭氧對植物的損害可能會進一步加速環境退化,對人類健康造成嚴重後果。隨著氣候變化,亞熱帶地區溫度升高和濕度降低導致臭氧有增加的趨勢。臭氧濃度增加會導致植物受到環境壓力,進而降低植物對臭氧的吸收能力,從而增加大氣中的臭氧濃度。

臭氧是最難控制的污染物之一,因為它不是人類活動直接排放的。取而代之的是,從車輛,發電廠,垃圾填埋場以及其他生物質和化石燃料燃燒設施中釋放出的危險化合物和一氧化二氮與陽光發生反應,形成這種二次污染物。根據香港環境保護 2019 年的空氣質量監測結果,儘管政府努力減排和清潔空氣,整體空氣質量和其他主要污染物的水平在穩步改善,但過去 20 年來平均臭氧水平一直在上升,沒有下降的跡象。

為了研究臭氧對植物的影響,香港中文大學建立了一個開放性的臭氧實驗園(Free Air Ozone Garden),以監測,量化和了解臭氧對植物的破壞機理。在這個被稱為「臭氧園」 (Ozone garden)的實驗領域中,研究小組種植了對臭氧具有不同敏感性的四季豆品種(Phaseolus vulgaris),以此作為當地空氣污染對生態系統影響的生物指標(Bioindicator)。

根據大氣中臭氧的含量,四季豆在葉片上呈現出獨特的紅色斑駁圖案(red mottles)。梁博士及其團隊發現,對臭氧敏感的基因型豆遭受了更高的臭氧導致的葉面損害,有更多的紅色斑點和更高的死亡率。這表明香港的臭氧水平很高,甚至對農村地區的植物也造成嚴重損害。

透過這個研究可以得出重要的生態生理學(ecophysiology) 和生物氣象學(biometeorology) 參數,可用於構建區域相關的地球系統模型(Earth system model) 以進行預測。這樣的臭氧園也為公眾教育提供了很好的機會。對臭氧敏感的植物,正常的植物和耐臭氧的植物在可見損害(visible damage) 上的差異通常很明顯,可用於宣傳和教育活動,以提高人們對空氣污染對生態影響的認識,並激發相應的技術和政策解決方案來保護生態系統和農業免受污染威脅。

中文大學研究團隊用儀器探測臭氧對植物光合作用的影響。(圖片來源 : 中文大學)

中文大學研究團隊用儀器探測臭氧對植物光合作用的影響。(圖片來源 : 中文大學)

為了專門解決臭氧污染問題,香港,廣東和澳門政府已承諾從 2020 年至 2023 年進行為期三年的聯合研究,以更好地了解臭氧前導氣體的來源,其形成及其運輸。香港和廣東省也在區域空氣質量監測網絡和更高海拔的風廓線(wind speed profile) 中添加實時 VOC 監測,以跟踪污染物在香港的運輸,以解決臭氧污染問題。

長遠來說,香港政府應增加減排措施,如鼓勵市民使用電動汽車,並將現有的公共交通工具轉換為電動汽車。 此外,應在路邊種植更多耐臭氧的樹木,以改善空氣質量。 只有通過這些積極措施,才能解決和減輕臭氧污染。

回到文章的第一個問題,研究發現那些『殺菌神器』只有在實驗室的條件下才可以殺死十厘米內的細菌。當戴在身上,空氣的流動和其他污染物的干擾都會大大減低這種神器的殺菌功能。再者,如果長期佩戴這個神器,它產生的臭氧更加會影響佩戴者的呼吸健康。更重要的是新冠肺炎病毒並不是細菌,病毒是比細菌細很多的基因性蛋白質,概念上是沒有生命,所以並不能殺死。

總括來說,臭氧如果在地球的平流層是對人類有利的,但是如果是在地面就是百害而無一利。

參考資料:

中大研究證本港臭氧濃度阻礙植物生長 華南地區首個植物實驗呈現臭氧對植物影響

Evidence of Ozone-Induced Visible Foliar Injury in Hong Kong Using Phaseolus Vulgaris as a Bioindicator(MDPI)

環保署公布二○一九年香港空氣質素監測結果

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