主題 達人專欄

[一日一data] 草履蟲來告訴你,這水能喝嗎?

銘叔 | 2021-10-09 14:55:03 | 巴幣 1226 | 人氣 703

一、 前言
(圖片來源:Nature)(完整連結於此)


  最近在自然期刊看到了一篇介紹,如何用簡單而有效的工具就能夠檢測水質是否可供飲用的相關研究,這份研究對於我們台灣這種並不缺水的國家而言,顯然並沒有多大的幫助,但這份研究對於水源匱乏或貧困的國家而言,卻看似救星般閃耀,然而實際上真是如此嗎?


  一般而言,一杯飲用水送入你口中前,它早已經歷了一段不凡的旅程,沉澱、過濾、消毒、曝曬、再過濾(家用RO逆滲透)、煮沸等等,而一切成為它供您安心飲用的保證,然而這一系列的過程也間接地告訴了你,這些設備需要龐大的資金來建設與維護,或許這對於富有卻缺水的國家而言並不是太大的問題,但這卻對於貧窮又缺水的國家來說便是一個難解的問題,只要一天無法解決飲用水的問題,這些落後而貧困的國家不僅難以繁榮,更重要的是將會有無數的人民,因為喝了或用了這些不安全的水而生病進而死亡,這樣的公衛問題在非洲與中東等地尤為嚴重。


  為了幫助這些貧困的國家,新加坡的科學家便提出透過草履蟲的移動速動來判斷水是否可供飲用,具體的應用則是透過智慧型手機中的相機功能,並搭載AI物件追蹤的功能,便可觀察水中草履蟲的移動速度,並在三分鐘左右的時間便可告知使用者當前的水源是否可以飲用,雖然這種方法不夠精細,但僅僅為了人們的日常所需便已足夠。


二、 草履蟲簡介
(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  科學家們之所以利用草履蟲作為判斷的依據,其原因便是因為草履蟲是一種在淡水中極為常見的原生動物。


  草履蟲其外型呈現橢圓形,前端較圓,中後部較寬,後端較尖,平面看形狀像倒置的草鞋,故名草履蟲,在生活中或許你曾在湖中或溪流看過它,沒錯你可能真的看過!


  或許有人會感到不可思議,草履蟲可是一種單細胞生物耶,怎麼可能用肉眼可以觀察?沒錯,觀察確實是做不到,但在清澈的水中卻可以看到它的輪廓,為何能夠看到它呢?原因無他,就是因為它很大隻,在原生動物中它的體型算是最大的種類之一,其身長約為 0.1 ~ 0.3 毫米,而它我們稱之為大草履蟲。


  草履蟲與大草履蟲又有什麼區別呢?


  基本上就是體型的差異,體型的差異自然也影像了壽命的長短,一般的草履蟲壽命約為 1 個晝夜,大草履蟲則約為 5 個晝夜,由於壽命較長的原因,我們在戶外通常觀察到的都是大草履蟲。


  關於草履蟲的各器官功能如下:


  1. 細胞核:有兩個細胞核,一個大細胞核控制新陳代謝和生長,是最重要的機能中樞;另一個小細胞核主要是負責遺傳和生殖。

  2. 伸縮泡:草履蟲體內兩個伸縮泡交互收縮,用以調節體內的水分。

  3. 絲細胞:生長在纖毛之間,多半內含毒素,是草履蟲主要的禦敵工具。

  4. 食物泡:食物經口溝攝食後,在體內形成食物泡,這會隨著細胞質在體內沿著環狀路線前進,此時草履蟲內的酵素會將食物消化掉,食物泡會越變越小,並將剩餘的殘渣在胞肛排出體外。

  5. 口溝:身體一側有一條自前端斜向腰部的凹入小溝,稱口溝,溝底有口,溝內有較為長密的纖毛,可鼓起水流而攝食。

  6. 纖毛:草履蟲全身布滿纖毛,牠主要就靠這些纖毛來移動身體。


  其中較具特色的便是其運動方式與生殖方式:


  1. 運動方式:草履蟲是利用身上一種排列方式特殊的維管負責纖毛的擺動得以前進,是為原生動物中運動速度最快的一類,當草履蟲游泳時,纖毛的擺動會如同船槳一般,一收一放,藉此得以推動身體前進。若於前進同時,遇到了障礙物,纖毛就會產生相反方向的運動,先後退再換方向前進。

  2. 生殖方式:分別為有性生殖和無性生殖。

   無性生殖:無性生殖是簡單的橫裂法。就是從身體中央凹縮,形成兩隻草履蟲,這兩隻草履蟲會各自生長出自己所缺陷的構造,這通常在二十四小時之內可分裂數次。

(圖片來源:wiki)(完整連結於此)

  有性生殖:在經過多次的無性生殖之後,會出現一次的有性生殖。有性生殖是一種接合生殖,由兩隻草履蟲彼此靠近,將彼此的口溝接合在一起,此時兩者體內會各自產生四顆小細胞核,接著其中三顆小細胞核將解體,第四顆小細胞核將經歷有絲分裂,隨後兩者將各自交換一顆有絲分裂後的小細胞,做完一切後,兩者將分開,分開後的草履蟲其體內剩餘的小細胞將與外來的小細胞結合,產出一顆全新小細胞,這顆小細胞會發生三次有絲分裂,形成八顆小細胞,其中四顆小細胞會隨著時間成長為大細胞,屆時原先的大細胞將崩解死亡,長大後的四顆大細胞將各自帶著一顆小細胞分解成一隻全新的草履蟲,宛如分家一般。


三、 水能否飲用的判斷?
(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  科學家們利用草履蟲能夠在水上快速移動的特性,藉以判斷水質是否可供飲用的標準,而水源中的汙染物,不外乎重金屬或化學汙染等等,因此觀察的方式也就透過這兩者進行,具體做法如下:


  1. 重金屬:以常見的兩種重金屬汙染物為主,分別是氯化鋅以及硫酸銅。

  2. 化學物質:以常見的三種化學汙染物為主,分別是紅黴素、四氯乙烯、三氯乙烯。


  觀察方式是將汙染物分成 5 種濃度,再依照每個濃度草履蟲在一固定範圍中,其 3 分鐘內的移動速度分別紀錄,以此確認濃度越高時,對於草履蟲移動速度的影響。


  從實驗的數據上看,當重金屬汙染達到濃度 5 時,草履蟲的速度會直接下降至少 80 %以上,而化學物染物達到濃度 5 時,草履蟲的速度會下降至少 60 %以上,也就是說重金屬汙染對於草履蟲的移動有巨大的影響,但在此我們並不需要在意哪種汙染影響最劇烈,我們只需要知道在短短的 3 分鐘內,當汙染超標時,草履蟲的移動速度將直接減少為平常的一半以下,這意味著當我們以此為標準時,便可輕易且快速地透過前面提到的AI物件追蹤功能來判斷當前的水源是否可以飲用。


  補充一點,研究團隊在紀錄中還有一特別紀錄當汙染物存在水源中 24 ~ 48 小時後的紀錄,在濃度 5 時,重金屬汙染的水源中,草履蟲呈現完全靜止的狀態,而化學汙染的水源中,則是除了紅黴素完全不動外,其餘的四氯乙烯和三氯乙烯還能夠緩慢的移動,草履蟲之所以靜止不動,那是因為該濃度已將草履蟲毒死所導致的,而實驗團隊也有嘗試將四氯乙烯與三氯乙烯兩者的濃度提升至超越安全限度,但盡管如此草履蟲只是移動得更緩慢,卻不見被毒死的現象,這意味著實驗中的氯化鋅、硫酸銅、紅黴素等,對於草履蟲的毒性較高,其中紅黴素的毒性略低於重金屬。


四、 誰願意用?
(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  飲用水的匱乏第一個想到的就是淡水資源的不足,除了一些本來就特別乾燥缺水的國家外,世界上依然有很多國家的飲用水有巨大的安全疑慮,不說別說就以美國而言,很多人看影視作品,都以為美國人都跟日本人一樣,水龍頭轉開就直接接水來喝了,實際上確實有少部分的人這麼做,但大多數的人依然會將水煮開或是過濾,甚至不少人會自己去買桶裝水來喝,完全不敢將自來水作為日常的飲用水來喝,為何會如此呢?


  之前的文章 來自海洋的淡水 一文中曾提過類似的觀點,總得來說便是國家的汙水處理設備過於老舊,盡管依然在運作中,但能夠處理的量能是有限的,然而隨著人口的爆發性成長,美國當前的汙水處理設備早已不堪負荷,許多地方都爆出缺水危機,這並不是因那些地方沒有水,而是沒有乾淨的水。


  回歸正題,關於這份研究的立意,它本是為了讓人們在水資源匱乏的環境下,能夠直接透過簡單而有效的方式評估當前的水可否飲用,為的就是減少缺乏飲用水的問題,然而我卻認為這並不現實。


  因為乾淨的淡水肯定不會存在於人類的生活區域的附近,只要有人類生活的地方就有汙染,好比前面提到的美國,美國就是自來水系統的老舊,導致水質不安全,而美國這樣一個高度發展的國家來說,盡管仍有許多荒野地帶,但人們都集中生活在大都市之中,他們怎麼可能為了找水而跑去荒郊野外?對他們來說還不如直接去超商買水比較快又省錢省時間。


  而對於貧困國家呢?比方衣索比亞、阿富汗等國家,這些國家確實在一些落後地區,人們依然會發大把的時間與力氣去遠方挑水回家,但對於這樣的家庭而言他們如何買得起一部手機來做這樣的檢測呢?還不說他們這樣的地區是否有電可以使用,就算排除了金錢與用電的問題,以往他們每天都要半天的時間來回挑水,而那池水肯定就是當地居民常用的水池,那基本上就意味著那池水肯定也不乾淨,不乾淨的原因有很多,比方有人在裡頭排泄、洗澡等等,而為了找到乾淨的水,他們勢必要前往更隱蔽、更遙遠的地方才能找到。


  綜上所述,這份研究的發現對於檢測水質確實有巨大的幫助,但其應用在現實層面上卻顯得蒼白無力。





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創作回應

台灣肉字號
結論是:台灣還不錯
2021-10-09 18:04:09
銘叔
台灣的自來水品質很不錯。
2021-10-12 12:42:23
亞爾貝拉
台灣萬歲
2021-10-09 18:49:58
銘叔
萬萬稅!喔,是萬萬歲!
2021-10-12 12:42:57
高槻あきこ
只有韓粉成天覺得自己命苦而已
2021-10-09 23:12:23
銘叔
缺錢沒安全感是人的通病,但刻意放大讓人感到痛苦,這份居心可想而知。
2021-10-12 12:43:51
._.
這個方法有點酷,我也來提供一點關於水資源的資訊。
大部分的城市都可以做雨水收集系統,尤其是像台灣多雨的氣候。雨水收集除了可以增加可利用的水資源外,也能緩解城市排水系統的負擔,甚至能幫助調節建築溫度,是個非常簡單、低成本且高效益的設計。
公視的介紹 https://www.youtube.com/watch?v=W3NgRziUkYs
由於雨水基本上都很乾淨,所以只要經過簡單過濾後,就能供一般生活使用。確保集水表面、水桶與管線能符合食品等級,經過過濾或煮沸後就能用作飲用水。
2021-10-13 05:12:11
銘叔
曾經看過古籍說過 雨水 乃 無根水 可入藥,若不是空汙,雨水幾乎可以直接入口。
2021-10-13 18:38:25

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