第一章 緒論
1-1 前言
熱泉是適合嗜熱微生物居住的環境，熱泉生態系統則綜合了生物、地質與化 學三種特徵，而嗜熱微生物便在此系統中扮演了三種特徵彼此連結的重要角色 (Inskeep et al., 2005; Reysenbach and Shock, 2002)。在熱泉生態系統中，來自於熱 液與岩石兩者交互作用下所產生之化學成分，包含了各種微生物代謝能夠使用的 電子提供者與電子接受者，微生物能從未達帄衡而能夠自然發生的氧化還原反應 中獲取形成 ATP 的能量 (Canfield et al., 2006)，以供其生存所需，進行多樣化 的代謝反應 (Amend et al., 2003; Amend and Shock, 2001; Inskeep et al., 2005)。
過去有很多研究針對嗜熱微生物可能出現的地區做了報導，包括陸地上的溫 泉、淺海的熱泉系統、深海的熱泉系統以及地下礦坑深處的環境，其中陸上溫泉 環境除了是我們容易取得的研究題材外，也常是具有區域差異的生態系統。本研 究希望能夠透過分析台灣陸上溫泉的化學特性，根據熱力學原理和自由能的計算，
全面又快速的評估各種氧化還原反應是否能夠自然發生，做為微生物所利用的代 謝途徑 (Amend et al., 2003; Amend and Shock, 2001)，並在系統處於穩定狀態之 前提下，計算比較不同代謝反應在生態系統中可提供的能量通量 (Hoehler, 2004)。
本研究的調查區域是總面積僅 3.6 萬帄方公里的台灣本島，因為歐亞板塊 與菲律賓板塊間的碰撞擠壓使得這小小的區域有著複雜的地質特徵，能讓我們討 論在小區域中出露於不同岩性之溫泉系統的差異。依照地質條件在地域上簡單的 區分，可分成北部的火成岩區、東部的變質岩區與南部沉積岩區的泥火山。其中 出露於火成岩區的溫泉系統具有高溫與極酸的特徵 (Song et al., 2005)，可提供研 究嗜酸、嗜熱微生物的最佳環境，而變質岩區和泥火山地區雖然沒有極酸或極高 溫的條件，卻具有不同的化學組成。分析比較三種溫泉系統中微生物代謝的可能
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途徑，配合熱泉中嗜熱微生物族群結構的分析結果，可突顯出台灣複雜的地質特 性所導致的熱泉微生物群相變化，以及嗜熱微生物在地域上可能的分布情況與受 控因素。
1-2 前人研究
熱泉生態系統是嗜熱微生物的天然住所，在這環境中各式各樣的微生物能夠 利用生態系統中的化學成分，進行代謝作用來產生所需要的能量，因此環境中的 化 學 組成 直接 影響 微 生物 的族 群 結 構。過 去 ， 科學家 研究義大 利 Aeolian archipelago 的淺海熱泉系統與美國黃石公園兩處溫泉，藉由熱力學原理來量化 各種微生物可能利用的化學反應之能量，根據所計算出來的自由能變化，評估生 態系統中可能出現的微生物代謝途徑，並進一步與分子生物分析和微生物培養的 結果相互比較，對於熱泉生態系統中微生物族群結構與環境化學因子間的關聯有 完整的了解 (Amend et al., 2003; Inskeep et al., 2005; Macur et al., 2004; Rogers and Amend, 2005; Rogers and Amend, 2006; Spear et al., 2005)。
1-2-1 義大利火山島淺海熱泉熱力學上的研究
位於義大利南邊的 Aeolian archipelago 淺海熱泉，受到岩漿熱液、海水與地 下水三者互相作用，使得不同熱泉的化學成分有很大的變化，是一個適合研究地 球化學變動與微生物多樣性的地區(Amend et al., 2003; Capasso et al., 1997;
Fulignati et al., 1998; Rogers and Amend, 2005; Rogers and Amend, 2006)。根據熱力 學原理所計算出來的自由能結果顯示，在無機物做為電子提供者 (如氫氣) 的反 應中，以 O2 當作電子接受者的代謝反應能夠釋放出最多的能量 (85-115 kJ/mole e-)，其次依序是電子接受者為 NO3-
(55-100 kJ/mole e-)、 Fe3+ (35-56 kJ/mole e-) 與 S0/SO42- (2-17 kJ/mole e-) 的反應 (Amend et al., 2003)。隨後 Rogers 與
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Amend (2006) 更進一步去計算有機物參與的化學反應自由能，不同電子接受者 所得到的自由能大小趨勢與無機反應相同，以 O2 當作電子接受者的代謝反應能 夠釋放出最多的能量 (100-118 kJ/mole e-)，其次依序是電子接受者為 NO3- (61-93 kJ/mole e-)、 Fe3+ (43-60 kJ/mole e-) 與 S0/SO42-
(6-27 kJ/mole e-)；且比較 了有機與無機反應的自由能大小，發現在使用相同電子接受者的情況下，以有機 物做為電子接收者的反應每莫耳電子所放出來的能量較以無機物者的反應來高 (Rogers and Amend, 2006)。Rogers 和 Amend (2005) 的研究以分子生物分析方法 找出 Pozzo Istmo 熱泉生態系統中的存在微生物種類，發現以發酵作用或元素硫 還原與有機碳氧化來代謝的 Palaeococcus. helgesonii 、利用元素硫代謝的 Thermoplasmatsles 與利用氫氣氧化與氧氣還原來代謝的 Aquificales，而根據溫 泉水組成計算這些代謝途徑在的自由能，其結果皆為產生能量之自然發生反應，
得到了自由能計算與分子生物分析能夠相互印證的結論。
1-2-2 黃石公園溫泉熱力學上的研究
黃石公園擁有豐富的天然熱泉生態系統，過去對於地球化學與分子生物的相 關研究不計其數，提供了此區域在溫泉化學組成與微生物族群種類的重要背景資 料 (Inskeep et al., 2005; Macur et al., 2004; Spear et al., 2005)。Macur et al. (2004) 研究 Norris Geyser Basin 中的酸性硫酸鹽氯化物泉，進行分子生物與地球化學 的分析，先以分子生物方法鑑定出的許多接近種屬並推測它們所進行的代謝反應，
再根據溫泉化學成分所估算這些反應的自由能，預測反應可否自然發生，其結果 發現存在於溫泉中之微生物物種能在代謝反應自由能的計算上大多能夠得到證 實。例如：Hydrogenobaculum 以氫氣當作電子提供者，估算自由能值介於 -11 與 -90 kJ/mole e- 之間；Stygiolobus azoricus 以氫氣當作電子提供者、元素硫當作電 子接受者來代謝，估算自由能值為 -11 kJ/mole e-；Thiomonas 於有氧環境下能夠 氧化二價鐵或S2O3-，估算自由能值為 -32 kJ/mole e- ; Acidimicrobium 在有氧環境
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下能夠氧化二價鐵，估算自由能值為 -32 kJ/mole e-，若於無氧環境下則能夠還 原三價鐵，估算自由能值介於 -29 與 -64 kJ/mole e- 之間; Metallosphaera prunae 於有氧環境下能夠氧化元素硫，估算自由能為 -85 kJ/mole e- ; Thermofilum pendens 於無氧環境下能夠還原元素硫，估算自由能值介於 -24 與 -85 kJ/mole e- 之間。不過有些以分子生物學方法可以鑑定出的接近種屬，例如Caldococcus noboribetus, Thermocladium modesties, Acetobacteraceae, Aeropyrum pernix 與 Marinithermus hydrothermalis 等五種微生物，它們能夠利用有機碳當作電子提供 者進行代謝反應，但是卻因為當地溫泉缺少有機酸分析資料，所以無法估算自由 能值。
Inskeep et al. (2005) 分析酸性的 Rainbow spring (RS) 和 Norris Geyser Basin-Perpetual Spouter (NGB-PS) 與偏中性的 Joseph’s Cost spring (JC) 與 Norris Geyser Basin (NGB-B) 等四處溫泉，計算33種氧化還原反應的自由能，結 果顯示出 pH 值較低的 RS 與 NGB-PS 中三價鐵或鐵礦還原的反應中每莫耳 電子能夠放出較多的能量；相對的，pH值較高之 JC 與 NGB-B 中二價鐵氧化 反應中每莫耳電子能夠放出較多的能量。同時進行的分子生物學分析，發現並推 測許多微生物族群所能進行的代謝反應，其自由能計算結果是可以自然發生的。
例如：酸性的 NGB-B 與 RS 溫泉中都存在著以氫氣、元素硫或三價砷氧化與 氧氣還原來代謝的 Hydrogenobaculum，其估算自由能值介於 -60 與 -90 kJ/mole e- 之間；能氧化二價鐵或元素硫並還原氧氣的 Metallosphaera 與 Sulfobacillus，
其估算自由能值介於 -25 與 -80 kJ/mole e- 之間；偏中性的 JC 與 NGB-PS 中 共同存在能夠氧化氫氣、S2O3- 或元素硫並還原氧氣的 Thermocrinis，其估算自 由能值介於 -90 與 -95 kJ/mole e- 之間；能夠氧化有機碳或三價砷並還原氧氣的 Thermus，它氧化三價砷時所計算出來的自由能範圍為 -65 ~ -70 kJ/mole e- 。另 一方面，在溫泉中也發現許多能夠氧化有機碳的微生物，例如酸性泉中發現的 Acetobacteraceae 能 夠 氧 化 有 機 碳 並 還 原 氧 氣 或 三 價 鐵 、 Caldococcus,
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Thermocladium 與 Caldisphaera 能氧化有機碳並還原元素硫，不過由於這些溫 泉缺少有機酸的分析資料，所以無法計算這些代謝反應的自由能值。
前述對於義大利南邊 Aeolian archipelago 之淺海熱泉與黃石公園溫泉的研 究，雖然在熱力學方面的工作已經相當詳盡，也配合了分子生物分析的相互驗證，
但仍有許多地方未盡之處可以加以探討。這些缺少的研究分析可能包括以下四點：
一、化學分析之完整性不足。由分子生物分析資料中發現，溫泉中不乏能夠利用 有機碳行代謝作用的微生物，但溫泉的有機酸分析資料相對不足。另外溶解於溫 泉中的氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳、一氧化碳與甲烷等氣體也是重要的電子提 供者 (Electron donor) 或電子接受者 (Electron acceptor)，所以完整的氣體分析也 相當重要。二、在微生物族群結構與地域或地化特徵變化上的關聯性，並無詳細 的說明。以台灣各具特色的溫泉系統為題材，將可對此有所著墨。三、關於已發 現微生物族群是否能夠長時間穩定居住在熱泉之中，並沒有詳加評估。這部分可 以藉由模擬溫泉生態系統中可能發生的化學條件變化，來討論反應自由能受環境 因素影響的情況。若有長期化學監測資料的溫泉系統，則更適合根據現況做進一 步評估。四、自由能計算結果僅能推測化學反應能否自然發生，而無法確知反應 是否發生，或是比較反應發生的優先順序。這點必頇考慮微生物所需最小能量單 位量、倖存所需能量、維持所需能量、生長所需能量等概念，並計算反應提供的 能量通量來加以評估。
1-2-3 台灣地區溫泉與溫泉地球化學上的研究
台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合交界帶上，受到擠壓力的影響，使 得岩層容易形成褶皺、抬升與破裂，形成我們今日所觀察到的山脈以及斷層，也 因為這些地形構造特徵，加上受地溫梯度影響並伴隨豐沛的雨量滲入地底受熱循 環，讓台灣擁有豐富的溫泉地熱資源 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。此外在台灣北部 發生的新生代大規模火山活動，使北台灣仍受到後火山活動的影響，形成另一種
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與火山活動相關的溫泉地熱資源（何春蓀，1986）。
台灣本島共有124處溫泉露頭，依照溫泉所在地質區做分類，主要分成火成 岩區、沉積岩區與變質岩三區 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。出露於火成岩區之溫泉
台灣本島共有124處溫泉露頭，依照溫泉所在地質區做分類，主要分成火成 岩區、沉積岩區與變質岩三區 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。出露於火成岩區之溫泉