如何應用科技解決海洋垃圾

學校:桃園市桃園區同德國民中學
作者:周子祐翁妍嘉黃暄云
指導老師:曾惠茹黃稜蘊

摘要

從50年代開始,塑膠問題像怪獸一樣,瘋狂的影響、破壞我們的地球。我們發現海洋的塑膠垃圾問題日益嚴重,「地球只有一個,而海洋也是」,必須要馬上採取行動,減緩塑膠垃圾帶給地球的傷害。於是開啟了我們如何解決海洋垃圾的念頭,發現科技是最適合的方式;同時,也發現了四個對抗塑膠的科技法寶──海洋吸塵器、湛鬥機、可溶解塑膠和PETase,希望藉由這四項科技,將被垃圾問題困擾的海洋,重拾健康、恢復湛藍。

壹、地球只有一個,海洋有幾個?

  出生在台灣這個海島國家,海洋所面臨的問題,與日常生活息息相關。課堂上,因緣際會接觸到「聯合國17項永續發展目標(SDGs)」,且做了一個關於永續發展目標的心理測驗,測驗結果竟都與海洋相關。
  還記得曾在學校聽過海洋生態保育專家黃之揚先生的演說,其不間斷的淨灘活動與愛護海洋的熱情令我們動容,讓我們知道人們為了方便,製造出了塑膠,以為可以改善「紙」的浪費,沒想到塑膠發展到現在,變成更大的環境議題。我們感到很疑惑,難道沒有可以解決塑膠垃圾的方法嗎?「地球只有一個,而海洋也是」,再這樣下去,人類將會自食惡果,我們必須做出行動!
  既然如此,身為國中生的我們,是否也能做出小小的改變,讓海洋環境變得更好?時代快速轉動,日新月異的科技占據了我們的視聽與生活,我們發現到了善用科技或許會是有效解方,若能先了解海洋的現狀及困境,進而認識各項科技,探討科技如何解決海洋垃圾,應該能為海洋保育盡一小分心力。

貳、探究架構

  該如何運用科技解決海洋垃圾,我們分成了四大部分探討,分別是海洋垃圾、現況、優缺點及未來展望。探討垃圾帶及海洋垃圾帶來的危害,並且提出了四大現代科技──海洋吸塵器、可溶解塑膠、湛鬥機、PETASE。由於PETASE還在研究中,暫不討論,我們針對另外三大科技深入剖析其優缺點,也提出未來展望。
一、探究子題
(一)海洋垃圾從哪來?
(二)使用科技消除海洋垃圾的現況
(三)使用科技消除海洋垃圾的優缺點
(四)消除海洋垃圾的科技展望

榮譽

「112年度柯華葳線上數位閱讀專題探究競賽」國中D組優等

類別

112年度/國中

標籤

海洋廢棄物

轉載分享

二、探究架構圖

參、主要發現

一、海上竟然有「吸塵器」!
  海上有吸塵器嗎?有的!這台海洋吸塵器由荷籍創辦人柏楊史萊特發明,在他16歲那年去希臘潛水時,發現海底垃圾竟然比魚還多,所以立志清理海洋。
  此裝置於2019年從舊金山出航,成功收集到了第一批的垃圾,其中有大至一噸的漁網及小至0.1公分的微粒塑膠,到目前為止他們收集了108,526公斤的塑料,超過了兩架半波音737的總重量。
  第一代的裝置是由長600尺和底部有深3公尺的網子組成的柵欄,運用風、洋流及海浪自動化的收集垃圾,但海況的不穩定以及效率的考量而演變出第二代。第二代的配置跟第一代大不相同,除了加長、加深柵欄,還在柵欄尾部多加了一個收集袋,增加收集垃圾的量,並把自動的方式改成由兩艘船拖行,增加收集的精準度,而正在實驗中的第三代更是第二代的三倍大。
  海洋吸塵器有何優缺點呢?優點是一次收集的量大,雖然它的體積相當大,卻不會傷害到海洋生物。因為運作時網子的下方會有下沉氣流,把通過的魚群往下帶,而且本身也配有衛星感測器,可將生物位置傳給船隻,所以吸塵器能「閃」過海洋生物,不會捕抓到牠們。
  此外,史萊特公司還將這些垃圾再生成永續產品,如水壺、可重複使用的大束口袋等,賦予垃圾新價值。
  而缺點是因為第一代的的動力方式較難控制,如果壞掉無法打撈回去,可能變成更大型的垃圾,且光靠打撈的方式,治標不治本,無法解決源頭的垃圾問題。未來期待海洋吸塵器加入AI自動化統計,評估各方面的環境因素,實現完全自動化。
二、台灣也有「湛」鬥機
  台灣也有「湛」鬥機,是「湛藍」的「湛」!由台灣湛藍海洋聯盟創辦人陳思穎及團隊所發明,有湛鬥機1.0和2.0,其中湛鬥機2.0不僅能移動,還能在盡量不擾動水流的情況下,以履帶收集垃圾。湛鬥機為一台全電式海漂垃圾清潔船,同時兼具遙控與自動駕駛模式,電力驅動低碳排,對環境友善。第一代平均1小時可以收3公斤,相當於每小時可以撿起130支寶特瓶,第二代每小時已可收到20公斤。據環境資訊中心2020年統計,平均每人每年產生428.5公斤的垃圾,若湛鬥機2.0連續運作約3週,就可移除每人每年製造的垃圾量。它目前工作的地點有大湖公園、碧砂遊艇港、鼻頭漁港、竹圍漁港以及八斗子漁港,多集中在台灣北部海域。
  但湛鬥機也並非完美無缺,一台的造價貴,且大多需要人在旁邊看顧,人力成本高。未來希望可以全自動化,且出海遠一點、清到深一點的垃圾,最好能夠量產,將此科技變成是一個外交的工具,與國外科技合作,優化湛鬥機,達成共好。
三、可以吃的塑膠袋?
  你沒聽錯,塑膠袋可以吃。
  我們將這種袋子稱之為「可溶解塑膠」。這是化工方面的成功,印度創辦人hedge發明出了一個完全由木薯澱粉和蔬菜澱粉等12種植物原料製成的袋子,相較於目前市面上其他可溶性塑膠大多會加入添加物,這個袋子最大的特色是完全可以食用,如果你不想食用這個袋子,它也能夠快速、無污染的自然分解。與普通袋子相比,它完全無害。在野外,180天即能完全分解,埋在土裡,45天;放水裡,1天;開水裡,僅僅需要15秒!而當它燃燒時,非但不會產生有毒氣體,還會有陣陣食物的香味飄散出來喔!
  可溶解塑膠除了對環境友善,可永續發展,還能釜底抽薪,從根本解決塑膠垃圾問題。缺點則是這個塑膠袋價格比普通塑膠袋貴35%,要花比較貴的價錢,且印度人民環保意識尚未抬頭,使用還不普及。
四、未來塑膠殺手──PETase
  酶是一種能加快化學反應的酵素,所有細胞的分解都離不開酶,酶在分解過程中有著重要的角色。在2016年,日本發現了一種細菌,它能夠分解並消化PET,使其成為有機小分子。因最初是在大阪府堺市的塑膠瓶回收廠沉澱物分離出來的,因此稱它為大阪堺菌。
  在剛發現酵素時,科學家嘗試將酵素加入塑膠,製成塑膠袋,經民眾利用後,讓塑膠袋裡的酵素開始分解塑膠,但因塑膠是高分子聚合物,所以要將酵素加入塑膠非常困難,所以科學家就放棄了這項技術。所幸科學家之後又再更深入實驗,在攝氏30度的溫度下進行酵素純化後,研究出同樣也能分解PET的細菌,就將它稱作PETase。
  後來,哈里‧奧斯丁研究團隊將PETase的結構突變,發現突變後的PETase分解效率比目前能分解塑膠的細菌都快很多,所以到目前為止,對於分解塑膠來說,PETase雙突變體是最有效率的降解酶。
  PETase該如何分解塑膠呢?
  研究人員將塑膠細條加入內含PETase的緩衝溶液,PETase會在特定的溫度下被誘發,在反應了24小時後,塑膠細條已經被PETase分解掉大部分,反應了36小時後,塑膠細條便已經完全被PETase分解掉了。由此可證,PETase只要花費36小時,就可以完全分解塑膠細條。
  PETase能快速分解PET、操作方法簡單,降解反應結束後,不會留下塑膠殘留。但必須在特定溫度,PETase才能保持最佳效率,而且PETase本身也極不穩定,如果離開一定範圍,PETase有可能會沒辦法被誘發,甚至會直接死亡,這是它要克服的致命缺點。
五、四項科技統整比較
  就效能來說,可溶塑膠因為治本,效能最高;就價錢而言,其中可溶塑膠最便宜,海洋吸塵器最昂貴。四項科技都還沒有普遍被運用,因為都有無法非常普及的關鍵限制──海洋吸塵器容易故障,湛鬥機人力成本高,可溶塑膠目前多用於印度,人民還未習慣使用,至於PETase則還在研究中。
  目前它們適用的區域,分別是太平洋、台灣港口、印度矽谷和阿拉伯半島,還有日本和德國。



  如果台灣可以接受這幾項科技的限制和特點,海洋吸塵器適用在大海域,湛鬥機在港口,可溶塑膠適用於日常生活,PETase則適用於垃圾回收場。我們相信妥善運用這四項科技必能減少台灣海洋的垃圾量。


肆、結論與發現

  我們知道,運用科技解決海洋垃圾問題,是重要且極具挑戰性的,但我們也相信,善用這些科技一定可以大幅減少海洋垃圾。
  當然還可以親身實踐,並帶動身邊的人節能減碳,如果一週一次把汽機車留在家裡,騎著腳踏車出門,為家中換上節能燈具,購買碳足跡較少的產品……,這些小小的舉動雖然看似微不足道,但如果每個人都能積極參與,累積起來將會產生顯著的影響。
  海洋文學作家廖鴻基先生曾說:「海洋不可預約,但值得期待。」未來一定能藉由科技,讓海洋更值得被期待。
二、未來我們還想研究……
   讓塑膠可溶才是根本解決塑膠垃圾之道,市面上雖然有很多可溶性塑膠,但還沒有普及使用的可溶性塑膠,除了政策面推動不佳外,多數塑膠含有添加物,並非完全無害也是問題。因此,未來可持續研究市面上的可溶性塑膠,探究出其侷限,也盼望找出能普遍使用的解方。
   第二種研究方向想從微生物與酶著手。因為微生物和酶的結構是可以被改變的,可以創造出更多分解垃圾的可能性,「微生物與酶」的研究價值和經濟效益很高,是未來非常值得探究的方向。

伍、參考資料

  1. 科技大觀園(2016/09/02)。漂浮著的巨大垃圾桶——那些關於海洋垃圾的二三事
  2. 女子的海(2019/03/07)。出師未捷的海洋吸塵器(The Ocean Cleanup),從頭說起
  3. 新南向政策資訊平台(2021/06/24)。恢復大海的顏色 對抗海洋垃圾的「湛」鬥機
  4. 環境資訊中心(2016/11/29)。海廢比預估多十倍,再不清就來不及了——專訪海洋吸塵器發明人
  5. 健康醫療網(2019/05/08)。印度發明可溶解有機塑膠袋
  6. 湛鬥機官網。湛鬥機
  7. 美麗佳人。專訪/女英雄們集結!陳思穎,打造海洋吸塵器清垃圾 用愛維護湛藍海域
  8. CUP(2022/04/25)。酶分解塑膠,可以應用了嗎?
  9. 海廢圖鑑。垃圾到底怎麼進入海洋
  10. 海洋事物與資源管理研究所。海洋廢棄物
  11. 環境資訊中心(2020/01/02)。海洋吸塵器完成首次任務 下一步:為垃圾再製品建立透明「價值鏈」
s