綠色化學(xué)家正在做什么

從清除水網(wǎng)“毒瘤”到節(jié)能減排，綠色化學(xué)家的努力無處不在。

人類使用化學(xué)改善生活的歷史已不下幾萬年，一個早期的例子就是使用火。人類史前的祖先用火烹煮食物，這是人們使用化學(xué)方法改變物質(zhì)特性的偉大實(shí)踐。這以后，他們的后代學(xué)會了將不同材料混合起來制造新材料。例如，他們將巖石、礦物和一些來自動植物的材料相混合，有時對材料進(jìn)行加熱和加壓。經(jīng)過反復(fù)嘗試，他們知道了如何制造更合用的新材料。在這方面，制作顏料和肥皂是兩個典型的事例。

今天，化學(xué)已經(jīng)幾乎在每一種可以想到的產(chǎn)品中發(fā)揮著作用。在美國，制造商注冊的化學(xué)制品已超過83000種，其中的一些用途十分廣泛，從食品到塑料，從卡車到電子產(chǎn)品，幾乎無所不包。

然而不論是對人還是對環(huán)境，制造、使用和處理化學(xué)制品都是有風(fēng)險的，畢竟有些化學(xué)制品的原材料是有毒的，例如汞和鉛。而另外一些化學(xué)制品則可能非常耗費(fèi)能源、水或者其他自然資源，而人們在使用或拋棄它們時，一些物質(zhì)又會污染空氣、水或者土壤。

例如一種高科技滑板，它是用一種堅(jiān)固的聚碳酸酯塑料制造的，然而，這種物質(zhì)的“構(gòu)件”是一種名為雙酚A的分子，一旦進(jìn)入到水中就會給環(huán)境帶來麻煩，它們會污染食物，還引發(fā)其他的問題。

好在人們面對這種狀況并不是無能為力的，有些人專門從事應(yīng)對環(huán)境風(fēng)險的化學(xué)研究，他們的目標(biāo)就是保證消費(fèi)品的安全性和對環(huán)境的“友好性”。這些人就是“綠色化學(xué)家”。

從洗衣粉中滋生的水網(wǎng)“毒瘤”

“綠色化學(xué)家”現(xiàn)身于上世紀(jì)90年代早期，當(dāng)時，美國化學(xué)家保羅·阿納斯塔斯（Paul Anastas）正在為美國環(huán)境保護(hù)署工作，他發(fā)現(xiàn)，化學(xué)家們通常在產(chǎn)品問世很久以后才開始調(diào)查其中的化學(xué)品會帶來怎樣的環(huán)境風(fēng)險。鑒于此，阿納斯塔斯呼吁改變這種狀況，他倡議化學(xué)家們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時從一開始就考慮安全和環(huán)保的問題。

綠色化學(xué)家很關(guān)注的一種化學(xué)物質(zhì)叫表面活性劑，這種物質(zhì)幫助液體混合，例如水和油。每個表面活性劑的分子都有兩端，一端表現(xiàn)為親水性，這意味著它吸收水，另一端表現(xiàn)為斥水性，表明它排斥水。

表面活性劑是洗衣粉中的重要材料，它幫助人們除去衣服的污垢，這些污垢常帶有油污的成分。在美國，洗衣粉中的表面活性劑通常由一種名為“壬基酚聚氧乙烯醚”的化學(xué)物質(zhì)充當(dāng)，它是很優(yōu)秀的表面活性劑。由于這個名字太長，化學(xué)家們一般稱它為NPEs。

一旦NPEs完成了使命，它們會進(jìn)入污水處理廠，但污水處理廠并沒有將NPEs從污水中完全清除掉，于是它們便隨著處理過的水排放到了江河或者湖泊中。這時的NPEs依然保留著部分功能，它們會分解成另外一種名為“壬基苯酚”的化學(xué)物質(zhì)，而這種化學(xué)物質(zhì)對魚和綠色植物是“劇毒”的。

正是因?yàn)檫@個原因，加拿大和歐盟都禁止在洗滌劑中使用NPEs。但在美國，每年依然有幾千噸這種化學(xué)物質(zhì)被使用，這樣一來，研究人員在北美水網(wǎng)中查出高水平的NPEs就不足為奇了。

找到了一種“替代品”

拉馬斯瓦米·納卡拉占（Ramaswamy Nagarajan）是美國麻省理工大學(xué)的塑料工程師，他和他的學(xué)生們研發(fā)了一種NPEs的取代物，他們使用一種綠色資源——水果皮制造這種環(huán)保的物質(zhì)，而他們這樣做的靈感來自于一種生活在墨西哥灣的微生物。

2010年4月20日，位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，沉沒的鉆井平臺泄漏了大約500萬桶原油。這以后，海中的微生物便開始分解這些原油。納卡拉占發(fā)現(xiàn)，那些微生物制造了一種自然的表面活性劑，這種物質(zhì)含有連接糖分子的長鏈，稱為多糖體。于是，這些科學(xué)家產(chǎn)生了將自然的多糖資源轉(zhuǎn)變成新的綠色表面活性劑的想法。

他們想到的制造NPEs取代物的原料是果膠。果膠是可食用的多糖體，水果皮和其他食物殘?jiān)芯秃羞@種物質(zhì)。事實(shí)上，罐頭制造商也在果醬和果凍中添加果膠以使食物凝成膠狀。更為重要的是，納卡拉占注意到，微生物能夠分解它們。由于自然的果膠是無害的，它們會消失在環(huán)境中，這和不降解又污染環(huán)境的壬基苯酚是不一樣的。

為了將果膠轉(zhuǎn)變成表面活性劑，化學(xué)家們需要在每一個果膠分子中添加一組原子，這要用上一種特殊的實(shí)驗(yàn)用微波爐，處理過程大約30分鐘。這個過程完成后，每個果膠分子的一端便有了一群親水的原子，即親水的化學(xué)基團(tuán)，而另一端則是親油的化學(xué)基團(tuán)。

但在表面活性劑廣泛被果膠取代以前，綠色化學(xué)家們還有很多事情要做，其中一個有待解決的問題是果膠的分子太大，難以溶解于水，所以納卡拉占和他的研究小組正在攻克這個難題。另外一個問題就是效果，和目前市場上的洗衣粉相比，以果膠為原料的新產(chǎn)品去油和去污的能力還是稍遜一籌，這是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈Τ馑幕瘜W(xué)基團(tuán)。假若解決了這些問題，效果就會好起來。

裝扮成荷爾蒙的抗菌劑

以果膠為原料的表面活性劑引起了人們很大的興趣，科學(xué)家們也為這種產(chǎn)品申請了專利。美國環(huán)境保護(hù)署向科學(xué)家們提供了一筆資金，他們希望綠色化學(xué)家們能研發(fā)更多類似的綠色產(chǎn)品。

在化學(xué)制品中，有些會對生物體造成傷害，例如洗手液和肥皂，它們含有抗菌劑，是殺菌的化學(xué)物質(zhì)，但長期使用會有副作用。例如，使用后的化學(xué)物質(zhì)會進(jìn)入湖泊和河流中，對環(huán)境造成損害。現(xiàn)在，有些綠色化學(xué)家注意到了這個問題，他們要設(shè)法解除這樣的環(huán)境風(fēng)險。

三氯生（triclosan）能殺死手上的細(xì)菌，它是大量廚房洗滌產(chǎn)品的化學(xué)原料，然而有數(shù)據(jù)顯示，在自然環(huán)境中，三氯生正在起著損害環(huán)境的作用。為什么呢？原來，這種化學(xué)物質(zhì)有可能幫助細(xì)菌產(chǎn)生針對于抗菌藥物的抗藥性。

除此之外，三氯生還可能發(fā)揮著內(nèi)分泌干擾物的作用，這意味著這種物質(zhì)有時會模仿荷爾蒙影響機(jī)體的生理活動。荷爾蒙是一種重要的化學(xué)物質(zhì)，機(jī)體通過它們控制重要的生理活動，例如生長、睡眠、繁殖等等。當(dāng)身體遭遇了一種裝扮成荷爾蒙的化學(xué)物質(zhì)后，身體就有可能不適當(dāng)?shù)貑踊蛘哧P(guān)閉一些重要的細(xì)胞活動，從而改變身體的發(fā)育，或者引發(fā)疾病。例如，由于三氯生的活動很像荷爾蒙，它們就能影響動物的生長發(fā)育。在一些實(shí)例中，雄魚被雌性化了，裝扮成荷爾蒙的內(nèi)分泌干擾物使雄魚的外表和行為變得和雌魚相似了。

三十年打造降解利器

綠色化學(xué)家們很想清除這樣的內(nèi)分泌干擾物，然而這很難做到，因?yàn)閾碛羞@種特性的化學(xué)物質(zhì)太多了，何況它們中的很多還發(fā)揮著重要的工業(yè)作用，所以最可行的解決辦法就是在大自然中降解它們。美國卡耐基梅隆大學(xué)的科學(xué)家柯林斯經(jīng)過30多年的研究，研發(fā)了一種能降解內(nèi)分泌干擾物的化合物，他將這種化合物稱為TAMLs，這是“四氨基大環(huán)配位體”（tetra-amido macrocyclic ligands）的簡稱，是一種催化劑，有啟動或加速化學(xué)反應(yīng)的作用。當(dāng)它們和過氧化氫化合后，就能非常迅速地分解其他化學(xué)物質(zhì)，只需要很少的量就能引發(fā)多種反應(yīng)，整個過程不產(chǎn)生有害污染。

TAMLs能分解三氯生以及其他對水生植物和動物帶來風(fēng)險的污染物，但科學(xué)家們擔(dān)心，TAMLs本身也會成為一種內(nèi)分泌干擾物。于是，柯林斯和另外一位生物化學(xué)家，美國俄勒岡州立大學(xué)的羅伯特·坦圭（Robert Tanguay）一起用魚測試了TAMLs的效果。坦圭的工作對象是斑馬魚，這種小熱帶魚是非常理想的實(shí)驗(yàn)動物。科學(xué)家們將斑馬魚的胚胎暴露在經(jīng)過TAMLs處理的水環(huán)境中，他們發(fā)現(xiàn)，水中高水平的TAMLs對斑馬魚的正常生長沒有產(chǎn)生影響。科學(xué)家們還在水中加入TAMLs、過氧化氫和那些導(dǎo)致了雄魚雌性化的微量污染物，然后讓斑馬魚在這種水中活動，結(jié)果那些魚依然是健康的。科學(xué)家們表示，接下來的實(shí)驗(yàn)將轉(zhuǎn)向哺乳動物，他們要進(jìn)一步搞清楚，TAMLs是否對哺乳動物也同樣有效。假若結(jié)果是肯定的，那么這種催化劑就有望廣泛運(yùn)用于分解水污染物中的毒素了。

節(jié)能減排，綠色化學(xué)家不辱使命

即使你坐在家中，一種名為二氧化鈦的化學(xué)物質(zhì)也有可能環(huán)繞在你的周圍，這種簡單的白色化合物具有很好的反光性，所以油漆制造商們使用這種物質(zhì)“加白”或者“加亮”他們的產(chǎn)品。這種物質(zhì)還會出現(xiàn)在其他產(chǎn)品中，包括食物類的布丁。然而，假若在產(chǎn)品中加入的二氧化鈦過多，產(chǎn)品就不“綠色”了。

鈦是地球上最豐富的元素之一，也是很多礦物的重要組成。一些企業(yè)開采這種材料，將其壓碎后加入其他化學(xué)物質(zhì)，然后用900攝氏度的高溫予以加熱，這個過程耗費(fèi)大量能源，并產(chǎn)生了很多污染物。

2013年，美國環(huán)境保護(hù)署在陶氏化學(xué)公司設(shè)立了一項(xiàng)“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”，目的是鼓勵企業(yè)減少油漆中二氧化鈦的使用量。

那么企業(yè)的解決方案又是什么呢？是一種新化學(xué)物質(zhì)，名為Evoque。將這種東西混合在油漆里，就能使二氧化鈦的使用量減少20%。綠色化學(xué)家追求的目標(biāo)之一是材料價值的最充分利用。由于減少了二氧化鈦的使用量，人們便達(dá)到了節(jié)約能源和減少污染的目的。

Evoque是一種聚合物，這種物質(zhì)結(jié)合二氧化鈦不僅能變得更環(huán)保，還解決了一個普遍的難題。

在油漆中，二氧化鈦粒子傾向于聚集成團(tuán)，而Evoque則會在這些粒子的周圍形成一個殼，并且將粒子相互推開，這使得油漆的反光性更佳了，還使附著在表面上的油漆更均勻，效果更理想。

為了研制這種聚合物，科學(xué)家們耗費(fèi)了10年時間，但綠色化學(xué)家們認(rèn)為這是值得的。畢竟當(dāng)一個環(huán)保產(chǎn)品進(jìn)入到了環(huán)境中，它對環(huán)境回饋益處的時間要比10年長多了。