磁場促進金黃色葡萄球菌吸附鎳離子
及錳離子能力的探討
潘子茜
鄭雅芸 陳怡如 林岑薰 邱琳樺 房樹生*
國 立 台 南 家 齊 女 子 高 級 中 學壹、前言
我 們 的 實 驗 結 果 顯 示，外 加 磁 場（10G 及 15G） 會 加 快金 黃 色 葡 萄球 菌 及 大 腸桿 菌 的 生 長 速 度 ， 並 可 促 進 金 黃 色 葡 萄 球 菌 活 菌 對 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 吸 收 能 力 。 另 外 ， 外 加 磁 場 （10G） 也 會 增 加 金 黃 色 葡 萄 球 菌 死 菌 對 錳 離 子 的 吸 收 ， 但 對 鎳 離 子 沒 有 顯 著 的 影 響 。 我 們 更 進 一 步 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 在 包 埋 劑 （ 海 藻 酸 鈉 ） 中 ， 發 現 磁 場 會 增 加 此 包 埋 物 對 鎳 離 子 的 吸 收 ， 但 對 錳 離 子 沒 有 顯 著 的 影 響 。貳、研究動機
水 中 重 金 屬 汙 染 是 一 個 常 見 的 環 境 汙 染 問 題 ， 雖 然 可 用 物 理 、 化 學 方 法 移 除 水 中 重 金 屬 離 子 1, 2，但 這 些 技 術 所 需 的 成 本 相 對 過 高 ， 所 以 近 年 來 利 用 生 物 材 料 吸 附 水 中 重 金 屬 離 子 的 技 術 研 究 越 來 越 受 到 重 視3-6，主 要 優 點 有 成 本 低、可 再 生 及 吸 附 效 率 高 7。 許 多 研 究 指 出 細 菌 、 真 菌 及 藻 類 均 可 有 效 地 吸 附 水 中 多 種 重 金 屬 離 子 汙 染8-10。 一 些 外 在 環 境 因 素 會 影 響 微 生 物 吸 *為本 文 通 訊 作 者 收 重 金 屬 離 子 的 效 率 ， 這 些 環 境 因 子 包 含 pH 值 11、溫 度 及 光 照 強 度 等 12。另 外，由 於 近 來 的 研 究 發 現 環 境 中 的 磁 場 強 度 小 於 一 高 斯 即 會 對 細 胞 及 組 織 造 成 多 種 影 響 13-15。 所 以 我 們 想 探 討 是 否 環 境 中 磁 場 會 影 響 細 菌 吸 附 重 金 屬 的 能 力 。 在 之 前 研 究 已 知 金 黃 色 葡 萄 球 菌 具 有 吸 附 水 中 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 能 力 16， 因 此 在 此 研 究 中 ， 我 們 首 先 探 討 是 否 磁 場 會 影 響 金 黃 色 葡 萄 球 菌 的 存 活 率 ， 因 為 磁 場 的 施 予 對 於 細 菌 是 一 種 環 境 壓 力 ， 環 境 壓 力 會 影 響 細 菌 的 存 活 率 17， 接 著 探 討 磁 場 是 否 會 影 響 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 於 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 吸 附 效 果 。 為 了 測 得 水 中 重 金 屬 濃 度 的 改 變 ， 使 用 火 焰 式 原 子 吸 收 光 譜 儀 進 行 測 量 。參、文獻探討
由 於 經 濟 發 展 所 導 致 的 環 境 汙 染 已 成 為 現 今 極 待 解 決 的 問 題 ， 其 中 重 金 屬 離 子 如 鉛 、 銅 、 鎘 及 鎳 等 ， 隨 著 工 業 廢 水 排 入 河 川 中 ， 造 成 環 境 重 金 屬 汙 染 ， 不 只 威 脅 人 體 的 健 康 18-20， 更 對 生 態 環 境 造 成 極 大 的 破 壞 ， 因 此 這 個 環 境 汙 染 問 題 不 只 受 到 環 境 保 育 者 的 留 意 ， 也 讓 環 境 工 程 學 者對 其 產 生 極 大 的 關 注 。 依 重 金 屬 汙 染 的 定 義 ， 指 環 境 被 密 度 大 於 4 或原 子 量 在 40 以 上 的 金 屬 原 子 汙 染，如 鋅、錳、銅、鉛 、 汞 、 鎘 、 鎳 、 銀 等 金 屬 。 重 金 屬 的 特 點 在 於 其 不 能 被 微 生 物 所 分 解 ， 會 隨 著 食 物 鏈 或 飲 用 水 進 入 人 體 或 生 物 體 ， 進 入 之 後 不 易 被 排 泄 ， 會 累 積 在 生 物 體 的 一 定 部 位 ， 導 致 慢 性 中 毒 ， 極 難 治 療 。 如 鉛 離 子 ， 會 經 由 皮 膚、呼 吸 道 及 消 化 道 進 入 人 體，80% 以 上 的 鉛 累 積 在 骨 骼 與 牙 齒 中 ， 所 以 在 口 腔 牙 齦 處 可 見 到 灰 黑 色 鉛 的 沉 積 ， 當 身 體 血 液 酸 性 增 高 時 ， 累 積 在 組 織 中 的 鉛 會 被 釋 放 進 入 血 液 中，造 成 鉛 中 毒 現 象。此 外， 近 來 環 保 署 調 查 發 現 國 人 頭 髮 含 汞 量 非 常 高 ， 主 要 是 因 為 喜 歡 吃 深 海 大 型 魚 類 如 鮪 魚 、 旗 魚 、 鯊 魚 及 鮭 魚 等 ， 導 致 汞 以 甲 基 汞 的 形 式 進 入 人 體 中 ， 體 內 汞 會 和 蛋 白 結 合 後 具 有 抗 原 性 ， 引 起 過 敏 反 應 ， 汞 也 會 通 過 血 腦 障 壁 ， 累 積 在 小 腦 中 ， 造 成 小 腦 病 變 。 因 為 重 金 屬 對 人 體 產 生 極 大 危 害 ， 所 以 世 界 各 國 現 今 不 只 把 水 中 重 金 屬 列 為 水 質 監 控 項 目 ， 更 積 極 開 發 移 除 水 中 重 金 屬 的 方 法 。 目 前 已 應 用 於 移 除 土 壤 中 重 金 屬 的 方 法 有 排 土 、 深 耕 翻 土 、 利 用 酸 性 化 學 物 質 或 螯 合 劑 增 加 土 壤 重 金 屬 的 移 動 性 以 及 利 用 植 物 淨 化 土 壤 的 重 金 屬 21。 而 移 除 水 中 重 金 屬 汙 染 的 方 法 有 化 學 沉 澱 法 、 活 性 碳 或 樹 脂 吸 附 、 離 子 交 換 法 、 電 解 法 和 膜 分 離 技 術 等1, 2，雖 然 這 些 技 術 可 以 移 除 廢 水 中 大 量 的 中 金 屬 汙 染 ， 然 而 這 些 物 理 化 學 方 法 製 造 大 量 的 沉 澱 物 ， 造 成 金 屬 離 子 回 收 不 易 ， 另 外 ， 這 些 沉 澱 物 也 需 要 進 一 步 的 處 理 22， 因 此 使 金 屬 離 子 需 耗 費 相 當 大 的 經 濟 成 本 及 較 多 的 程 序 。 因 為 使 用 物 理 化 學 方 法 去 除 水 中 重 金 屬 所 需 的 費 用 高 ， 所 以 近 來 利 用 生 物 材 料 去 除 環 境 中 重 金 屬 技 術 受 到 越 來 越 多 的 關 注 。 細 菌 、 真 菌 及 藻 類 等 微 生 物 被 報 導 指 出 均 是 有 效 的 生 物 材 料 ， 可 移 除 水 中 重 金 屬 離 子 。 目 前 已 知 有 吸 附 重 金 屬 能 力 的 細 菌 有 光 合 細 菌 (Rhodobacter capsulatus)23、 球 形 芽 孢 桿 菌 (Bacillus sphaericus) 、 綠 膿 桿 菌 (Pseudomonas aeruginosa) 、 金 黃 色 葡 萄 球 菌 (Staphylococcus aureus) 及 大 腸 桿 菌 (Escherichia coli)24,25 等 。 真 菌 有 青 黴 菌 (Penicilium)26,27 、 少 根 菌 (Rhizopus
arrhizus)28-30、 米 根 菌(Rhizopus aeyzae)、
米 麴 菌(Aspergillus aryzae)31 及 黑 麴 菌 (Aspergillus niger)32 等 。 藻 類 有 綠 光 等 鞭 金 藻(Isochrysis galbans)33等。微 生 物 藉 由 表 面 吸 附 、 胞 內 沉 澱 及 成 礦 作 用 降 低 水 中 重 金 屬 的 移 動 性 34； 有 些 微 生 物 可 以 利 用 甲 基 化 或 去 甲 基 化 作 用 減 弱 重 金 屬 離 子 的 毒 性 20； 還 有 一 些 微 生 物 可 以 分 泌 與 重 金 屬 結 合 的 蛋 白 質 ， 形 成 不 易 被 生 物 體 吸 收 的 金 屬 離 子-蛋 白質 附 合 物，進 而 降 低 金屬 離 子 以 食 物 鏈 方 式 進 入 生 物 體 中 35。 外 在 環 境 因 子 改 變 對 生 物 的 行 為 等 有 很 大 的 影 響 ， 其 中 也 包 含 對 微 生 物 吸 附 水 中 重 金 屬 的 能 力 。Guangyu Yan 等 人指 出 溶 液 酸 鹼 值 會 影 響 真 菌 Mucor rouxii 移 除 水 溶 液 中 重 金 屬 的 能 力 11， 如 Pb2+、
Zn2+、Ni2+、Cd2+。此 外，亦 有 報 導 指 出 光 照 強 度、供 養 量、pH 值、溫 度及 接 種 量會 影 響 球 型 紅 細 菌 （ Rhodobacter sphaeroides） 對 水 中 鎘 離 子 的 吸 附 12。 在 我 們 之 前 的 研 究 中 也 發 現 熱 處 理 會 加 速 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 重 金 屬 的 吸 附 。 除 了 pH 值 、 溫度 及 光 照 強度 等 會 影 響 生 物 細 胞 外 ， 近 來 的 研 究 發 現 環 境 中 的 磁 場 強 度 小 於 一 高 斯 即 會 對 細 胞 及 組 織 造 成 多 種 的 影 響 13-15， 例 如 改 變 基 因 的 轉 錄 及 轉 譯36, 37、增 加 一 些 酵 素 的 活 性 14, 38及 改 變 受 質 和 受 體 的 結 合 39。 當 細 胞 暴 露 在 磁 場 環 境 下 時 ， 壓 力 基 因 的 表 現 量 會 增 加 ， 如 熱 休 克 蛋 白 ， 指 出 磁 場 對 於 細 胞 來 說 是 一 個 環 境 壓 力 40。 磁 場 被 認 為 先 藉 由 和 細 胞 膜 之 間 有 交 互 作 用 ， 活 化 訊 息 傳 導 路 徑 ， 將 訊 息 傳 至 細 胞 核 中 ， 造 成 壓 力 蛋 白 的 合 成 39。 由 於 上 述 已 知 的 研 究 結 果 ， 我 們 假 設 也 許 磁 場 會 影 響 細 菌 吸 附 水 中 重 金 屬 的 能 力 。 在 此 我 們 以 金 黃 色 葡 萄 球 菌 為 生 物 材 料 ， 探 討 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 重 金 屬 能 力 的 影 響 。 由 於 有 研 究 指 出 死 亡 的 細 菌 對 重 金 屬 仍 有 吸 附 能 力 ， 所 以 在 此 我 們 進 一 步 想 探 討 磁 場 是 否 會 影 響 死 亡 的 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 重 金 屬 能 力 。 由 於 希 望 利 用 生 物 材 料 去 除 水 中 重 金 屬 離 子 時 有 利 於 分 離 處 理 後 的 水 和 生 物 材 料 及 回 收 再 利 用 ， 已 有 研 究 者 將 生 物 材 料 包 埋 在 各 種 包 埋 劑 中 ， 此 過 程 並 不 影 響 微 生 物 吸 收 重 金 屬 的 能 力 12。 因 此 我 們 也 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 包 埋 劑 包 埋 ， 測 量 其 對 重 金 屬 的 吸 附 能 力 。 更 進 一 步 ， 我 們 給 予 此 包 埋 物 施 予 磁 場 ， 探 討 是 否 磁 場 會 增 進 此 包 埋 物 對 重 金 屬 離 子 的 吸 附 能 力 。 本 研 究 希 望 能 做 出 一 個 小 器 具 用 以 吸 附 水 中 重 金 屬 ， 以 此 為 將 來 應 用 的 基 礎 。
肆、研究目的
一 、 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 生 長 的
影響。
將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 置 於 磁 場 環 境 下 ， 探 討 細 菌 生 長 的 情 形 。二 、 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 重
金屬能力的影響。
將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 菌 液 中 加 入 鎳 離 子 及 錳 離 子 ， 探 討 在 磁 場 的 環 境 下 ， 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 水 中 金 屬 離 子 吸 附 情 形 。三 、 磁 場 對 死 亡 的 金 黃 色 葡 萄 球 菌
吸附重金屬能力的影響。
將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 菌 液 以 高 溫 高 壓 處 理 ， 使 細 菌 死 亡 ， 之 後 在 菌 液 中 加 入 鎳 離 子 及 錳 離 子 ， 探 討 在 磁 場 的 環 境 下 ， 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 水 中 金 屬 離 子 吸 附 情 形 。四 、 磁 場 對 包 埋 在 包 埋 劑 中 的 金 黃
色 葡 萄 球 菌 吸 附 重 金 屬 能 力 的
影響。
將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 海 藻 酸 鈉 包 埋 ， 將 此 包 埋 物 放 入 針 筒 中 ， 針 筒 置 於 磁 場 環 境 下 ， 探 討 磁 場 對 此 包 埋 物 吸 附 重 金 屬 離 子 影 響 。伍、研究設備及器材
一、生物材料:
金 黃 色 葡 萄 球 菌 (Staphylococcus aureus)、 大 腸 桿 菌 (Escherichia coli)。
二、化學藥品:
硫 酸 鎳 、 硫 酸 銅 、 酒 精 、 海 藻 酸 鈣 、 氯 化 鈉、氯 化 鈣、LB (Luria-Bertani) 粉 末 、 NB(nutrient broth) 粉 末 。三、儀器設備:
恆 溫 培 養 箱 、 電 子 天 平 、 加 熱 攪 拌 器 、 滅 菌 鍋 、 無 菌 操 作 台 、 離 心 機 、 分 光 光 度 計 、 高 斯 計 、 平 台 式 震 盪 器 、 烘 箱 、 火 焰 式 原 子 吸 收 光 譜 儀 (Atomic absorption spectrophotometer, AAs)（ 國 立 成 功 大 學 化 學 工 程 所 黃 耀 輝 教 授 實 驗 室 提 供 ）。四、其他器材:
微 量 吸 取 器(pipette) 、 微 量 吸 取 尖 (tip)、微 離 心 (Eppendorf)、接 種 環、試 管 、 三 角 錐 形 瓶 、 燒 杯 、 量 筒 、 比 色 管 、 滅 菌 膠 帶 、 試 管 架 、 培 養 皿 、 酒 精 燈 、 鑷 子 、 刮 勺 、 玻 璃 漏 斗 、 離 心 試 管 、 玻 棒 、 紙 巾 、 試 鏡 紙 、 石 蠟 膜 (Parafilm)、 濾 紙 、 鋁 箔 紙 、 蒸 餾 水 、 紗 布 、 針 筒 。五、各種溶液：
1. 1M 重 金屬 溶 液 :硫 酸 錳、硫 酸 鎳 。 2. LB 溶液 :於 100ml 蒸 餾 水 中加 入 2.5g LB 粉 末 。 3. NB 溶 液 : 於 100ml 蒸 餾 水中 加 入 0.8g LB 粉 末 。 4. 0.9% 生 理 食 鹽水 : 於 100ml 蒸 餾 水 中 加 入 0.9g 氯化 鈉 。 5. 2% 海 藻 酸 鈣 溶 液 : 於 100ml 0.9% 食 鹽 水 加 入 2g 海 藻酸 鈣 。 6. 5%氯 化 鈣溶 液 : 於 100ml 蒸 餾水 中 加 入 5g 氯 化鈣 。陸、研究過程與方法
一、細菌培養
將 沾 有 金 黃 色 葡 萄 球 菌 或 大 腸 桿 菌 接 種環分別種入NB 溶液及 LB 溶液中， 置入恆溫培養箱中，在溫度 37℃環境 下，培養 16~20 小時。之後，取出 2ml 菌 液 ， 測 量 菌 液 吸 光 值 ， 吸 光 波 長 ＝ 600nm，O.D.=0.1。金黃色葡萄球菌死 亡 細 菌 備 置 為 將 菌 液 O.D.=0.1 之 菌 液，以高溫高壓處理 30 分鐘，所得菌 液即是。二、磁場環境
攪 拌 器 為 一 靠 電 生 磁 作 用 產 生 磁 場 帶 動 攪 拌 磁 轉 動 的 機 器 ， 以 高 斯 計 測 量 攪 拌 器 磁 場 強 度 發 現 ， 其 產 生 磁 場 強 度 可 高 達 15G， 所 以 在 此 以 攪 拌 器 為 提 供 實 驗 磁 場 來 源 。 在 實 驗 過 程 中 ， 將 攪 拌 器 置 入 恆 溫 培 養 箱 中 ， 金 黃 色 葡 萄 球 菌 菌 液 放 在 攪 拌 器 上 (附 錄 一 )， 接 著 在 不 同 時 間 點 測 量 細 菌 生 長 情 形 。 或 是 在 菌 液 中 分 別 加 入 金 屬 離 子 ， 鎳 離 子 或 錳 離 子 ， 將 此 溶 液 至 於 攪 拌 器 上 ， 在 不 同 時 間 點 取 出 菌 液 ， 分 別 測 量 細 菌 生 長 情 形 及 菌 液 中 金 屬 離 子 濃 度 變 化 。三、溶液中重金屬濃度測量
取 出 待 測 菌 液 後 ， 離 心 ， 3000rpm、 5 分 鐘，取 出 上 清 液，放 入 -20℃ 冰 箱 中 保 存 。 測 量 前 ， 取 出 ， 再 次 以 3000rpm、 5 分 鐘 離 心 ， 取 出 上 清 液 。 之 後 以 火 焰 式 原 子 吸 收 光 譜 儀 測 量 溶 液 中 重 金 屬 離 子 溶 液 。四、金黃色葡萄球菌包埋
在 2% 海藻酸鈣溶液中加入金黃色葡 萄球菌，菌液濃度為 O.D.=0.1，將此溶 液一滴一滴滴入 5%氯化鈣溶液中，適 度搖晃，即會形成大小為 2mm 左右的 球形小珠，然後用 0.9% 生理食鹽水洗 滌，去除氯化鈣。五、簡易重金屬過濾器製作
金 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 在 海 藻 酸 鈉 中 ， 將 所 形 成 的 圓 形 小 球 放 入 25ml 的 針 筒 中 ， 先 用 蒸 餾 水 使 其 通 過 針 筒 1 次 ， 洗 去 生 理 食 鹽 水 。 將 此 針 筒 懸 掛 在 兩 台 攪 拌 器 中 ， 在 有 無 磁 場 環 境 下 ， 以 重 金 屬 水 溶 液 通 過 針 筒 ， 收 集 此 濾 液 ， 再 將 此 濾 液 再 一 次 通 過 針 筒 ， 收 集 ， 分 別 收 集 通 過 針 筒 3 次 及 5 次 的 濾 液 ， 之 後 測 量 濾 液 中 重 金 屬 的 濃 度 (附 錄 二 )。柒、研究結果
一、磁場對細菌生長的影響。
(一 ) 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 生 長 的 影 響 。 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 菌 液 吸 光 值 為 0.1 的 菌 液 ， 分 別 放 置 於 無 磁 場 、 磁 場 強 度 10G 及 磁 場 強 度 15Ｇ 的 環 境 下，由 0~6 小 時 之 間 ， 每 小 時 取 出 部 分 菌 液，測 量 吸 光 值。由 圖 一（ a）中 得 知， 不 論 是 磁 場 強 度 10G 或 15G 均 會 顯 著 地 刺 激 金 黃 色 葡 萄 球 菌 的 生 長 。 研 究 指 出 ， 當 細 菌 處 於 壓 力 環 境 中 ， 會 產 生 應 對 的 壓 力 反 應 ， 其 中 包 含 細 菌 增 生 1 7 。 由 此 可 知 磁 場 對 於 細 菌 ， 可 能 是 一 個 環 境 壓 力 。 (二 ) 磁 場 對 大 腸 桿 菌 生 長 的 影 響 。 為 了 確 認 磁 場 確 實 會 對 細 菌 造 成 影 響 ， 我 們 測 量 另 一 種 細 菌 ： 大 腸 桿 菌 ， 在 磁 場 環 境 下 的 生 存 情 形 。 由 圖 一（ b）中 得 知，磁 場 確 實 會 刺 激 大 腸 桿 菌 生 長 ， 所 以 磁 場 對 細 菌 確 實 是 有 影 響 的 。二、磁場對金黃色葡萄球菌吸附重
金屬能力的影響。
(一 ) 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 鎳 離 子 的 影 響 。 在 金 黃 色 葡 萄 球 菌 菌 液 中 加 入 100μ M 硫 酸 鎳，分 別 置 於 無 磁 場 及 磁 場 強 度 為 10Ｇ 的 環 境 ， 放 入 恆 溫 培 養 箱 ， 分 別 於 2、4 及 6 小 時 取 出 菌 液，測 量 其 中 的 鎳 離 子 濃 度。由 圖 二（ a）可 知， 4 小 時 時 ， 在 10G 磁 場 的 環 境 下 ， 菌 液 中 鎳 離 子 濃 度 有 顯 著 的 降 低 ， 然 而 沒 有 磁 場 環 境 下 ， 菌 液 中 鎳 離 子 濃 度 在 6 小 時 才 有 明 顯 的 降 低 。 由 此 實 驗 可 知 磁 場 會 影 響 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 鎳 離 子 且 加 快 鎳 離 子 吸 收 。圖 一 、 磁 場 對 細 菌 生 長 的 影 響 。 (a) 將 金 黃 色 葡萄 球 菌 置 於 10G 及 15G 的 磁 場 環 境下，在 0-6 小 時 期 間，每 小 時 取 出 菌 液 ， 測 量 菌 液O.D.600。 (b) 將 大 腸 桿 菌置 於 10G 及 15G 的 磁 場環 境 下，在 0-6 小 時 期 間，每 小 時 取 出 菌 液， 測 量 菌 液 O.D.600。 O.D.600 以 平 均值 ±標 準 差表 示 (n=3)。 *代 表 具 顯 著差 異 ， (One-way ANOVA,P<0.05)。 (二 ) 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 錳 離 子 的 影 響 。 由 圖 二 (b)中 可 知，磁 場 會 增 加 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 錳 離 子 ， 但 只 有 在 6 小 時 有 顯 著 差 異 。 另 外 ， 不 論 是 細 菌 組 或 是 細 菌 在 磁 場 的 環 境 下 ， 都 不 會 隨 著 時 間 的 增 加 而 降 低 錳 離 子 的 濃 度 。 但 在 兩 小 時 ， 不 論 是 有 無 磁 場 ， 溶 液 中 的 錳 離 子 即 降 低 至 約 3~4 ppm， 之 後 就 沒 有 顯 著 的 改 變 。 也 許 已 經 到 達 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 錳 離 子 的 最 大 量 ， 所 以 雖 然 時 間 增 長 ， 也 不 會 看 到 錳 離 子 濃 度 有 進 一 步 的 降 低 。 (a) (b) 0 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 control 10 G 15 G 小時 吸光 值 * * 0 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 control 10 G 15 G 小時 吸光 值 **
圖 二 、 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 影 響 。 (a) 在 金 黃 色 葡萄 球 菌 中 加入 硫 酸 鎳 ，之 後 放 置 在磁 場 環 境 下， 分 別 在 2、 4、 6 小 時，取 出 菌 液，測 量 其 中 鎳 離 子 濃 度。鎳 離 子 濃 度 以 平 均 值 ±標 準 差 表 示(n=3)。 (b) 在 金 黃 色 葡萄 球 菌 中 加入 硫 酸 錳，之 後 放 置 在磁 場 環 境 下，分 別 在 0、2、4、6 小 時 ， 取 出 菌 液 ， 測 量 其 中 錳 離 子 濃 度 。 鎳 離 子 濃 度 以 平 均 值 ± 標 準 差 表 示 (n=3)。 #代 表 具 顯 著 差異 ， (One-way ANOVA,P<0.05)（ 和 控 制 組 相 比 ）； *代 表 具 顯 著 差 異 ，(One-way ANOVA,P<0.05)（ 和 細菌 組 相 比 ）。
三、磁場對死亡金黃色葡萄球菌吸
附重金屬能力的影響。
(一 ) 磁 場 對 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 鎳 離 子 的 影 響 。 研 究 細 菌 吸 收 水 中 重 金 屬 的 論 文 指 出 細 菌 是 藉 由 細 胞 壁 上 的 成 分 ， 可 以 是 蛋 白 質 或 醣 類 ， 而 吸 收 水 中 重 金 屬 。 我 們 假 設 死 亡 的 金 黃 色 葡 萄 球 菌 應 該 也 有 吸 附 水 中 重 金 屬 的 能 力 。 由 圖 三 (a) 中 可 看 到 死 亡 金 黃 色 萄 萄 球 菌 確 實 會 吸 附 溶 液 中 鎳 離 子 。 然 而 死 亡 細 菌 在 磁 場 的 環 境 下 ， 在 4 小 時 後 溶 液 中 鎳 離 子 和 控 制 組 相 比 並 沒 有 顯 著 的 降 低 ， 而 在 6 小 時 才 降 低 。 此 (a) (b)外 ， 在 磁 場 的 環 境 下 ， 並 不 會 增 加 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 鎳 離 子 的 吸 收 。 (二 ) 磁 場 對 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 收 錳 離 子 的 影 響 。 除 了 鎳 離 子 外 ， 我 們 進 一 步 探 討 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 錳 離 子 的 吸 收 及 磁 場 對 吸 收 程 度 的 影 響 。 由 圖 三 （ b） 中 可 看 到 在 有 磁 場 環 境 下 的 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 在 4 小 時 後 即 可 降 低 水 中 錳 離 子 ， 但 在 沒 有 磁 場 環 境 下 ， 在 6 小 時 後 才 可 看 到 水 中 錳 離 子 濃 度 降 低 。 圖 三 、 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 死 菌 吸 收 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 影 響 。 (a) 在 金 黃 色 葡萄 球 菌 死 亡菌 液 中 中 加入 硫 酸 鎳 ，之 後 放 置 在磁 場 環 境 下， 分 別 在 2、4、6 小時，取 出 菌液，測 量 其中 鎳 離 子 濃度。鎳 離 子濃 度 以 平 均值 ±標 準 差 表 示(n=3)。 (b) 在 金 黃 色 葡萄 球 菌 死 亡菌 液 中 加 入硫 酸 錳，之後 放 置 在 磁場 環 境 下，分 別 在 2、 4、 6 小 時 ，取 出 菌 液 ，測 量 其 中 錳離 子 濃 度 。錳 離 子 濃 度以 平 均 值 ±標準 差 表 示(n=3)。 #代 表 具 顯 著差 異 ， (One-way ANOVA,P<0.05)（ 和 控 制 組 相比 ）； *代 表 具 顯 著 差 異 ，(One-way ANOVA,P<0.05)（ 和 細菌 組 相 比 ）。 (a) (b)
四、磁場對包埋在包埋劑中的金黃
色葡萄球菌吸附重金屬能力的
影響。
(一 ) 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 海 藻 酸 鈉 包 埋 ， 測 試 其 對 水 中 重 金 屬 的 吸 收 。 由 以 上 研 究 結 果 可 知 磁 場 增 加 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 水 中 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 吸 收 。 而 生 物 材 料 應 用 在 吸 收 水 中 重 金 屬 子 方 面 ， 希 望 生 物 材 料 有 可 再 次 利 用 性 及 有 利 於 分 離 處 理 後 的 廢 水 及 生 物 材 料 ， 有 研 究 者 已 將 生 物 材 料 包 埋 在 包 埋 劑 中 ， 測 試 發 現 ， 包 埋 在 包 埋 劑 中 的 生 物 材 料 仍 有 吸 收 水 中 重 金 屬 的 能 力 。 所 以 在 此 我 們 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 在 包 埋 劑 海 藻 酸 鈣 中 ， 並 測 試 在 包 埋 後 所 形 成 的 圓 形 小 珠 是 否 有 吸 收 水 中 重 金 屬 的 能 力，在 此 我 們 將 此 圓 形 小 珠 放 入 25ml 的 針 筒 中 ， 將 重 金 屬 水 溶 液 通 過 此 針 筒 ， 收 集 濾 液 ， 將 此 濾 液 再 次 通 過 針 筒 ， 分 別 重 複 3 次 及 5 次 ， 每 15ml 水 溶 液 通 過 針 筒 的 時 間 約 需 1 小 時 ， 之 後 測 量 此 濾 液 中 重 金 屬 的 濃 度 。 由 圖 四 中 知 ， 海 藻 酸 鈣 會 對 鎳 離 子 及 錳 離 子 有 些 微 吸 收 ， 但 降 低 水 中 重 金 屬 濃 度 無 達 到 顯 著 差 異 ； 而 在 包 埋 物 中 有 金 黃 色 葡 萄 球 菌 的 狀 況 下 ， 水 中 重 金 屬 離 子 濃 度 沒 有 降 低 ， 和 控 制 組 海 藻 酸 鈉 比 較 。 (二 ) 磁 場 對 金 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 物 吸 收 水 中 重 金 屬 的 影 響 。 雖 然 包 埋 在 海 藻 酸 鈉 中 的 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 水 中 重 金 屬 離 子 和 控 制 組 海 藻 酸 鈉 比 較 似 乎 沒 有 吸 收 的 現 象 ， 但 由 圖 四 （ a） 及 （ b） 可 看 到 磁 場 會 增 加 此 包 埋 物 對 鎳 離 子 的 吸 收 ， 但 不 會 增 加 對 錳 離 子 的 吸 收 。捌、討論
除 少 數 重 金 屬 是 維 持 生 物 生 存 所 需 的 微 量 元 素 外 ， 大 多 數 重 金 屬 對 生 物 體 具 有 很 高 的 毒 性 。 濃 度 高 的 重 金 屬 在 細 胞 中 累 積 會 和 蛋 白 質 結 合 ， 導 致 蛋 白 質 活 性 消 失 或 減 弱，或 和DNA 結 合，導 致 DNA 結 構 發 生 變 化，使 基 因 突 變，影 響 細 胞 遺 傳。 在 工 業 廢 水 中 的 重 金 屬 會 藉 由 食 物 鏈 進 入 人 體 ， 危 害 人 類 健 康 及 生 命 。 因 此 去 除 廢 水 中 的 重 金 屬 離 子 一 直 以 來 是 學 者 關 注 的 問 題 。 利 用 生 物 材 料 吸 附 水 中 重 金 屬 近 來 成 為 焦 點 ， 因 為 生 物 材 料 能 補 足 傳 統 物 理 化 學 方 法 吸 附 水 中 重 金 屬 的 缺 點 。 已 有 許 多 細 菌 、 真 菌 及 藻 類 被 指 出 可 以 吸 附 水 中 重 金 屬 離 子 。 研 究 指 出 ， 惡 臭 假 單 胞 菌(Pseudomonas putida) 可 吸 附 溶 液 中 七 種 二 價 金 屬 離 子 ， 包 含 鎘 離 子 、 鋅 離 子 、 鉛 離 子 、 銅 離 子 、 鎳 離 子 、 錳 離 子 及 鈷 離 子 41； 產 氣 腸 桿 菌(Enterobacter aerogenes)吸 附 水中 銅 離 子 及鎘 離 子 42；硫 酸 鹽 還 原 菌(sulfate-reducing bacteria,SRB) 可 吸 附 鎳 離 子 43。 在 我 們 之 前 的 研 究 結 果 發 現 金 黃 色 葡 萄 球 菌 會 吸 附 水 中 鎳 離 子 及 錳 離 子16。圖 四、磁 場 對 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 在 海 藻 酸 鈣 中 的 包 埋 物 吸 收 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 影 響。 (a) 將 金 黃 色 葡萄 球 菌 以 海藻 酸 鈉 包 埋， 將 包 埋 物放 入 針 筒 中， 針 筒 分 別放 置 在 有 無 磁 場 的 環 境 下 ， 以 鎳 離 子 水 溶 液 通 過 針 筒 ， 收 集 過 濾3 次 及 5 次 的 濾 液 ， 測 量 其 中 鎳 離 子 濃 度 。 鎳 離 子 濃 度 以 平 均 值±標準 差 表 示 (n=3)。 (b) 將 金 黃 色 葡萄 球 菌 以 海藻 酸 鈉 包 埋， 將 包 埋 物放 入 針 筒 中， 針 筒 分 別放 置 在 有 無 磁 場 的 環 境 下 ， 以 錳 離 子 水 溶 液 通 過 針 筒 ， 收 集 過 濾3 次 及 5 次 的 濾 液 ， 測 量 其 中 錳 離 子 濃 度 。 錳 離 子 濃 度 以 平 均 值±標準 差 表 示 (n=3)。 由 於 研 究 指 出 細 菌 能 夠 吸 附 重 金 屬 取 決 於 構 造 上 的 特 性 ， 細 菌 具 有 細 胞 壁 ， 細 胞 壁 上 含 有 豐 富 的 多 醣 類 及 醣 蛋 白 ， 如 葡 聚 醣(glucans)、 基 丁 質 (chitin)、 甘 露 聚 醣 (mannnans) 以 及 磷 酸 甘 露 聚 醣 (phosphomannans)等 ， 這 些 帶 正 電 聚 合 物 扮 演 吸 附 重 金 屬 的 重 要 角 色 ， 藉 由 靜 電 吸 引 力 與 金 屬 離 子 結 合 ， 而 降 低 溶 液 中 重 金 屬 含 量 。 因 此 我 們 假 設 金 黃 色 葡 萄 球 菌 構 成 物 也 許 就 有 吸 附 重 金 屬 能 力 ， 由 實 驗 結 (a) (b)
果 可 知 當 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 高 溫 高 壓 方 式 使 之 死 亡 ， 溶 液 中 的 物 質 可 以 吸 附 鎳 離 子 及 錳 離 子 。 環 境 因 素 會 影 響 生 物 體 行 為 ， 這 些 影 響 包 含 生 長 、 蛋 白 質 活 化 以 及 基 因 表 現 。 同 樣 地 ， 微 生 物 吸 附 水 中 重 金 屬 的 行 為 也 受 到 環 境 因 素 的 影 響 。 研 究 指 出 球 型 紅 細 菌（Rhodobacter sphaeroides）在 吸收 重 金 屬 離 子 的 過 程 ， 會 受 到 外 在 環 境 因 素 ， 如 光 照 供 氧、pH 值、溫 度 以 及接 種 量 都 會影 響 球 型 紅 細 菌 吸 附 鎘 離 子 ， 在 好 氧 光 照 、 好 氧 黑 暗 、 微 好 氧 光 照 、 厭 氧 光 照 的 條 件 下 ， 吸 附 率 大 於 50%； 在 pH=7 或 溫 度在 25~35℃ 時 ， 細 菌 的 生 長 和 吸 附 離 子 出 現 最 大 值 。 另 外 ， 也 有 研 究 指 出 以 低 濃 度 重 金 屬 或 碳 源 飢 餓 前 處 理 金 黃 色 葡 萄 球 菌 會 促 進 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 水 中 鎳 離 子 ， 然 而 以 熱 休 克 前 處 理 金 黃 色 葡 萄 球 菌 卻 不 會 促 進 其 吸 附 鎳 離 子 44。 磁 場 對 於 生 物 來 說 也 是 一 個 會 影 響 生 物 體 的 環 境 因 子 ， 由 我 們 的 實 驗 結 果 得 知 磁 場 不 只 會 促 進 金 黃 色 葡 萄 球 菌 的 生 長 ， 也 會 促 進 大 腸 桿 菌 的 生 長 。 更 進 一 步 ， 我 們 假 設 磁 場 也 會 影 響 細 菌 吸 附 重 金 屬 的 能 力 。 由 實 驗 結 果 可 知 磁 場 在4 小 時 促 進細 菌 吸 收 鎳離 子 ； 在 6 小 時 促 進 細 菌 吸 收 錳 離 子 。 但 磁 場 只 會 促 進 死 亡 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 錳 離 子 ， 對 鎳 離 子 沒 有 顯 著 的 影 響 。 生 物 材 料 應 用 在 吸 收 水 中 重 金 屬 子 方 面 ， 由 於 希 望 生 物 材 料 有 可 再 次 利 用 性 及 有 利 於 分 離 處 理 後 的 廢 水 及 生 物 材 料 ， 因 此 將 生 物 材 料 以 包 埋 劑 包 埋 ， 用 於 吸 附 水 中 重 金 屬 。 在 此 我 們 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 海 藻 酸 鈉 包 埋 ， 製 作 一 簡 易 重 金 屬 過 濾 器 。 測 量 過 濾 的 濾 液 中 重 金 屬 濃 度 發 現 包 埋 後 的 金 黃 色 葡 萄 球 菌 吸 附 重 金 屬 的 能 力 降 低 ， 但 若 將 此 過 濾 器 放 置 在 有 磁 場 的 環 境 下 ， 會 顯 著 地 增 加 此 過 濾 器 吸 附 鎳 離 子 的 能 力 ， 對 錳 離 子 沒 有 影 響 。 如 何 改 善 此 過 濾 器 過 濾 水 中 重 金 屬 的 效 果 將 是 我 們 未 來 的 研 究 方 向 ， 期 望 能 做 出 一 個 有 效 率 的 重 金 屬 過 濾 器 ， 應 用 於 廢 水 處 理 上 ， 改 善 重 金 屬 離 子 對 環 境 造 成 的 汙 染 。
玖、結論
一 、 磁 場 影 響 金 黃 色 葡 萄 球 菌 的 生 長 。 二 、 磁 場 增 加 金 黃 色 葡 萄 球 菌 對 鎳 離 子 及 錳 離 子 的 吸 收 。 三 、 磁 場 增 加 金 黃 色 葡 萄 球 菌 死 菌 對 錳 離 子 的 吸 收 ， 但 對 鎳 離 子 沒 有 顯 著 的 影 響 。 四 、 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 包 埋 在 包 埋 劑 中 ， 發 現 磁 場 會 增 加 此 包 埋 物 對 鎳 離 子 的 吸 收 ， 但 對 錳 離 子 沒 有 顯 著 的 影 響 。拾、參考文獻
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拾壹、附錄
附 錄 一 ： 將 金 黃 色 葡 萄 球 菌 分 別 至 於 無 磁 場 及 有 磁 場 的 環 境 下 。
附 錄 二 : 金 黃 色 葡 萄 球 菌 以 海 藻 酸 鈉 包 埋，將 包 埋 物 放 在 針 筒 中，置 於 磁 場 環 境 下，加 入 重 金 屬 水 溶 液，以 針 筒 過 濾，收 集 濾 液。
