文章專區

Take Home Message
• 手機、電動車、國防工業與醫療設備中皆含稀土元素。稀土元素在地殼中含量豐富，但由於開採與分離難度高、技術門檻高，導致供應集中於少數國家，因此獲得稀土之名。
• 稀土元素可透過採礦、工業排放、電子廢棄物與農業活動等途徑進入水體中。而它的溶解度及移動性，則受到pH 值、鹽度與其他離子等因素影響，這些條件會改變水生生物對稀土元素的吸收程度，最終透過食物鏈造成生物毒害。
• 鑭系稀土元素因離子大小類似鈣，可能誤闖或阻塞鈣離子通道，進而干擾神經與肌肉。因職業因素或生活在汙染地區而較有可能直接接觸稀土元素，應注意暴露風險，但無需過度驚慌。

當你在日常生活中滑著手機、駕駛電動車，甚至是看場電影時，稀土元素（rare earth elements, REEs）早已在默默支撐著現代科技社會的運作。這類元素用途廣泛，應用橫跨了高科技產業、工業及醫療等多個領域，是現代科技中不可或缺的材料。然而，這些看似無害的元素若進入到自然環境中，是否會對我們周遭的生態系統造成影響？

稀土元素為何如此重要？

根據國際純化學和應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）所給的定義， 稀土元素為鑭系元素、鈧以及釔共17 種元素的總稱， 其中鑭系元素包含鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和鎦。事實上， 稀土元素並不如它的名字一般稀有， 這類元素其實在地殼中含量豐富， 有些甚至比鉛 、鈷或其他貴金屬（例如金和鉑）的含量更高，而這些元素又主要存在於氟碳鈰礦（bastnasite）、獨居石（monazite）和磷釔礦（xenotime）等稀土礦物中，中國、越南、巴西和俄羅斯等國擁有豐富的礦藏。儘管如此，由於彼此電子組態相近、離子半徑相似（表一），這些元素的分離難度非常高，使開採和提煉的過程不僅複雜，也容易造成周遭環境的嚴重汙染，而且並非每個擁有礦藏的國家都具有相應的技術，又願意承擔這樣的風險。也因此，稀土元素的供應最終大多集中在特定幾個國家，導致它們具備資源稀缺的特性， 而得名「稀土」。

由於特殊的材料性質，稀土元素的應用非常廣泛，包括手機、電腦和硬碟等電子設備； 釔和鑭的光學特性，使它們在光學產業中可作為玻璃和鏡面的添加劑；在國防軍用上，稀土元素和其他金屬的合金也被應用於提高武器效能。隨著世界各國對環保議題愈加重視，再生能源的發展愈來愈重要，釹、鐠和鏑等元素由於具有特殊的磁性，被廣泛應用於風力發電及電動車馬達的永久磁鐵之中；在醫療科學則有磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI） 所使用的顯影劑常含有釓；在中國還有鑭和鈰被用於肥料及飼料的添加物，在低濃度下促進作物生長的案例。隨著需求量不斷增加，開採的過程或人為的棄置都會導致稀土元素經由不同的途徑進入生態系統， 最後累積在水體，並透過食物鏈對生物或人體造成影響，因此稀土元素也被歸類為一種新興汙染物（emerging contaminants）。

稀土元素在水體中的宿命

開採過程中的尾礦、工廠排放、醫療廢水、不當堆積的廢棄電子設備，以及農業活動中肥料和飼料添加物的施用，都可能將稀土元素引入水體、土壤和大氣中，並累積在水體，而對環境和生態系統造成潛在的危害（圖一）。許多研究顯示稀土在環境中的宿命受到不同因素影響，舉凡環境中的鹽度、酸鹼（pH）值、氧化還原電位、有機質含量以及其他陰陽離子等條件。

不過讀者為什麼需要關注稀土元素的型態呢？這是由於金屬元素在水中存在的型態會直接影響生物是否能吸收。若是以沉澱的狀態存在於水中，則被生物體（例如水中的魚類和浮游生物等）攝取的可能性將大幅降低。水中鹽度及pH 值都會影響稀土元素的型態，其中又以pH 值為主要影響因子，當pH 值為酸性環境時，稀土元素更易於溶解在水中，中性至鹼性則會讓稀土元素沉澱；此外，環境中其他陰陽離子的存在也會影響稀土元素的行為，例如碳酸根、磷酸根和氫氧根等陰離子傾向與稀土元素形成難溶的沉澱物，而與氯離子及硝酸根形成的螯合物，卻有較高的溶解度。 註因此當這些元素隨著人類行為被釋放到環境中，再經由一連串物理化學過程轉變成不同的形態時，將會進一步透過各種途徑對生物體造成影響。此時，我們就必須思考，科技發展日新月異的背後，可能會付出哪些環境成本與代價？……【更多內容請閱讀科學月刊第667期】