綠色化學家正在做什么

從清除水網“毒瘤”到節能減排，綠色化學家的努力無處不在。

人類使用化學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，這是人們使用化學方法改變物質特性的偉大實踐。這以后，他們的后代學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，有時對材料進行加熱和加壓。經過反復嘗試，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，化學已經幾乎在每一種可以想到的產品中發揮著作用。在美國，制造商注冊的化學制品已超過83000種，其中的一些用途十分廣泛，從食品到塑料，從卡車到電子產品，幾乎無所不包。

然而不論是對人還是對環境，制造、使用和處理化學制品都是有風險的，畢竟有些化學制品的原材料是有毒的，例如汞和鉛。而另外一些化學制品則可能非常耗費能源、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，它是用一種堅固的聚碳酸酯塑料制造的，然而，這種物質的“構件”是一種名為雙酚A的分子，一旦進入到水中就會給環境帶來麻煩，它們會污染食物，還引發其他的問題。

好在人們面對這種狀況并不是無能為力的，有些人專門從事應對環境風險的化學研究，他們的目標就是保證消費品的安全性和對環境的“友好性”。這些人就是“綠色化學家”。

從洗衣粉中滋生的水網“毒瘤”

“綠色化學家”現身于上世紀90年代早期，當時，美國化學家保羅·阿納斯塔斯（Paul Anastas）正在為美國環境保護署工作，他發現，化學家們通常在產品問世很久以后才開始調查其中的化學品會帶來怎樣的環境風險。鑒于此，阿納斯塔斯呼吁改變這種狀況，他倡議化學家們在設計產品時從一開始就考慮安全和環保的問題。

綠色化學家很關注的一種化學物質叫表面活性劑，這種物質幫助液體混合，例如水和油。每個表面活性劑的分子都有兩端，一端表現為親水性，這意味著它吸收水，另一端表現為斥水性，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”的化學物質充當，它是很優秀的表面活性劑。由于這個名字太長，化學家們一般稱它為NPEs。

一旦NPEs完成了使命，它們會進入污水處理廠，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”的化學物質，而這種化學物質對魚和綠色植物是“劇毒”的。

正是因為這個原因，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物質被使用，這樣一來，研究人員在北美水網中查出高水平的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的塑料工程師，他和他的學生們研發了一種NPEs的取代物，他們使用一種綠色資源——水果皮制造這種環保的物質，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”鉆井平臺發生爆炸并引發大火，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。納卡拉占發現，那些微生物制造了一種自然的表面活性劑，這種物質含有連接糖分子的長鏈，稱為多糖體。于是，這些科學家產生了將自然的多糖資源轉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渣中就含有這種物質。事實上，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，它們會消失在環境中，這和不降解又污染環境的壬基苯酚是不一樣的。

為了將果膠轉變成表面活性劑，化學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驗用微波爐，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，即親水的化學基團，而另一端則是親油的化學基團。

但在表面活性劑廣泛被果膠取代以前，綠色化學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品去油和去污的能力還是稍遜一籌，這是因為它們缺乏斥水的化學基團。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，科學家們也為這種產品申請了專利。美國環境保護署向科學家們提供了一筆資金，他們希望綠色化學家們能研發更多類似的綠色產品。

在化學制品中，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，是殺菌的化學物質，但長期使用會有副作用。例如，使用后的化學物質會進入湖泊和河流中，對環境造成損害?，F在，有些綠色化學家注意到了這個問題，他們要設法解除這樣的環境風險。

三氯生（triclosan）能殺死手上的細菌，它是大量廚房洗滌產品的化學原料，然而有數據顯示，在自然環境中，三氯生正在起著損害環境的作用。為什么呢？原來，這種化學物質有可能幫助細菌產生針對于抗菌藥物的抗藥性。

除此之外，三氯生還可能發揮著內分泌干擾物的作用，這意味著這種物質有時會模仿荷爾蒙影響機體的生理活動。荷爾蒙是一種重要的化學物質，機體通過它們控制重要的生理活動，例如生長、睡眠、繁殖等等。當身體遭遇了一種裝扮成荷爾蒙的化學物質后，身體就有可能不適當地啟動或者關閉一些重要的細胞活動，從而改變身體的發育，或者引發疾病。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育。在一些實例中，雄魚被雌性化了，裝扮成荷爾蒙的內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

綠色化學家們很想清除這樣的內分泌干擾物，然而這很難做到，因為擁有這種特性的化學物質太多了，何況它們中的很多還發揮著重要的工業作用，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的科學家柯林斯經過30多年的研究，研發了一種能降解內分泌干擾物的化合物，他將這種化合物稱為TAMLs，這是“四氨基大環配位體”（tetra-amido macrocyclic ligands）的簡稱，是一種催化劑，有啟動或加速化學反應的作用。當它們和過氧化氫化合后，就能非常迅速地分解其他化學物質，只需要很少的量就能引發多種反應，整個過程不產生有害污染。

TAMLs能分解三氯生以及其他對水生植物和動物帶來風險的污染物，但科學家們擔心，TAMLs本身也會成為一種內分泌干擾物。于是，柯林斯和另外一位生物化學家，美國俄勒岡州立大學的羅伯特·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驗動物?？茖W家們將斑馬魚的胚胎暴露在經過TAMLs處理的水環境中，他們發現，水中高水平的TAMLs對斑馬魚的正常生長沒有產生影響?？茖W家們還在水中加入TAMLs、過氧化氫和那些導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，結果那些魚依然是健康的?？茖W家們表示，接下來的實驗將轉向哺乳動物，他們要進一步搞清楚，TAMLs是否對哺乳動物也同樣有效。假若結果是肯定的，那么這種催化劑就有望廣泛運用于分解水污染物中的毒素了。

節能減排，綠色化學家不辱使命

即使你坐在家中，一種名為二氧化鈦的化學物質也有可能環繞在你的周圍，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“加白”或者“加亮”他們的產品。這種物質還會出現在其他產品中，包括食物類的布丁。然而，假若在產品中加入的二氧化鈦過多，產品就不“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。一些企業開采這種材料，將其壓碎后加入其他化學物質，然后用900攝氏度的高溫予以加熱，這個過程耗費大量能源，并產生了很多污染物。

2013年，美國環境保護署在陶氏化學公司設立了一項“總統綠色化學挑戰獎”，目的是鼓勵企業減少油漆中二氧化鈦的使用量。

那么企業的解決方案又是什么呢？是一種新化學物質，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%。綠色化學家追求的目標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，人們便達到了節約能源和減少污染的目的。

Evoque是一種聚合物，這種物質結合二氧化鈦不僅能變得更環保，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，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，科學家們耗費了10年時間，但綠色化學家們認為這是值得的。畢竟當一個環保產品進入到了環境中，它對環境回饋益處的時間要比10年長多了。