台灣熱泉生態系統中微生物代謝之生物能量評估

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國立臺灣大學理學院海洋研究所碩士論文

Institute of Oceanography College of Science

National Taiwan University Master Thesis

台灣熱泉生態系統中微生物代謝之生物能量評估 Bioenergetic Evaluations of Microbial Metabolisms in

Hydrothermal Ecosystems, Taiwan

陳冠樵 Kuan-Chiao Chen

指導教授：王珮玲博士 Advisor: Pei-Ling Wang, Ph.D.

中華民國 98 年 1 月

January, 2009

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口詴委員會審定書

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致謝

首先要感謝王珮玲老師與林立虹老師的耐心栽培，並且提供我很多研究資源，

讓我能順利的完成這本論文。感謝口詴委員們細心的指導，提供許多建議與指導，

使得論文更加完善。感謝地質系宋聖榮老師、海研所林斐然老師與海研所溫良碩老師，提供我完善的儀器設備，也感謝春妤與佳靜學姐在實驗上的幫忙與協助，

得以順利分析完所有樣本。感謝慈濟大學生命科學系陳俊堯老師與文穗、柟葶和永欣，在花蓮野外中的協助，得以去得完整的樣本。感謝所有實驗室夥伴在野外上的幫忙，特別是與哲維不畏風雨的革命情感，我會一直記在心裡。

在求學期間，感謝婷文學姐不時地提供寶貴建議，也感謝少薇學姐提供我很多參考資料，使我獲益良多。生活中，感謝所有關心我、幫助我的人，才潤、存義、以瑛、玲雯、智睿、鑑禕、哲維、寶萱、妤甄、佳靜學姐、婷文學姐、佳蓉學姐、悅婷學姐、紹璿與未列出來的好友們，謝謝你們!

最後，我要感謝我的家人以及玉璽陪我度過奇妙的 2008 年，因為有你們的鼓勵與支持，讓我更有信心去面對未來的各種困難。

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摘要

生存於熱泉生態系統中的嗜熱微生物，利用熱泉中的各種化學成分進行代謝作用維持生存，一方面受限於環境的地質地化條件而生長，另一方面又促進地質地化系統的循環。台灣地區無論在火成岩、變質岩或沉積岩地區均有溫泉出露，

可提供嗜熱微生物多樣化的天然居所，是瞭解熱泉微生物族群變化與地質地化特性的關係，與討論不同區域中微生物代謝策略差異之好題材。本研究根據台灣各地溫泉的地球化學特性，計算反應自由能與能量通量，以期全面又快速的評估生態系統中微生物可以使用的代謝途徑，釐清微生物族群間的競爭關係，了解台灣熱泉生態系統中微生物族群結構與環境因子間的關連。

本研究依照地質條件將溫泉採樣區分成北部火成岩區、東部變質岩區與南部泥火山沉積岩區，共採集 16 處溫泉，測量熱泉中的各種陰陽離子、有機酸與溶解氣體，以及礦物種類。化學分析結果發現在台灣熱泉系統中出現的電子提供者包括 H₂、NH₄⁺、Fe²⁺、H₂S、CH₄、有機酸，電子接受者包括 O₂、NO₃^-、Fe³⁺、 SO₄^2-、S⁰ 和 CO₂。取得完整的化學資料後，依據熱力學原理計算溫泉中各種化學反應的自由能與能量通量，配合微生物最低自由能需求的概念，推測微生物可能使用的代謝途徑，結果發現不同區域溫泉中微生物族群可用之代謝途徑與該途徑所能提供的能量通量，受控於溫泉中電子接受者與提供者的種類、濃度變化，

而這些溫泉化學特徵的變化，可以歸因於地質條件的不同。進一步考量環境條件變化時，代謝反應的自由能與能量通量的變動，發現研究區域中微生物可能使用的代謝途徑大多能夠持續產能而被微生物所使用。對照已有的分子生物分析與微生物培養結果，大致與本研究結果相符，而微生物族群結構與物種間的競爭關係，

亦可從地化條件與能量通量觀點討論之。

關鍵字：熱泉生態系統、嗜熱微生物、代謝作用、自由能、能量通量。

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Abstract

Thermophilic microorganisms using chemical compounds to carry on their metabolisms not only are limited by geological and geochemical characteristics but also enhance geological and geochemical cycling in hydrothermal ecosystems. Hot springs are widely hosted in igneous, metamorphic and sedimentary rocks in Taiwan.

These diverse natural habitats for thermophilic microorganisms are ideal studying sites to understanding the interaction between microbial communities and geochemical circumstance in various geological regions. On the basis of geochemical compositions, free energy and energy flux could be calculated for certain reactions.

Such evaluation would provide a complete and quick way to clarify the energetic metabolic pathways, to understand the competition among microbial populations and to reveal the relationship between community structures and environmental factors in various Taiwan hot springs ecosystems.

This study sampled 16 hot springs derived from three geological domains, the northern volcanic region, the eastern metamorphic region and the western sedimentary region. Anions, cations, organic acids, dissolved gases, as well as minerals were measured in these hot springs. Chemical analyses showed that various electron donors, including H₂, NH₄⁺, Fe²⁺, H₂S, CH₄and organic acids and electron acceptors, including O2, NO3-

, Fe³⁺, SO42-

, S⁰ and CO2 were available in Taiwan hot spring ecosystems. According to the thermodynamic principle and the concept of lowest free energy requirement, energetic metabolic pathways were revealed by the calculation of free energy and energy flux of various chemical reactions. Energetic metabolic reactions and their energy flux basically depended on the availability and concentration of electron acceptors and donors in different regions. Whether the metabolic reaction can continuously provide energy for the microorganism in the hot spring was also evaluated by the free energy and energy flux change due to certain geochemical variations. Most energetic metabolism pathways should be persistent

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despite of the dynamic change of chemical and physical conditions. These results were generally supported by molecular biology and microbial incubation analyses.

The structure and the competition within microbial community were examined in the view of geochemical conditions and energy flux in the hydrothermal ecosystems.

Keyword: hydrothermal ecosystem, thermophilic microorganism, metabolism, free energy, energy flux.

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圖目錄

圖 2-1、本研究採樣地點。 ... 12

圖 2-2、採集氣體裝置示意圖。 ... 15

圖 2-3、化學反應自由能示意圖。 ... 24

圖 2-4、穩定礦物相圖。 ... 30

圖 2-5、化學物種 pKa、溫度與 pH 值作圖。 ... 31

圖 2-6、能量通量示意圖。 ... 36

圖 3-1、北部溫泉水中陽離子濃度。 ... 41

圖 3-2、北部溫泉水之陽離子圓餅圖。 ... 42

圖 3-3、東部、南部溫泉中陽離子濃度。 ... 44

圖 3-4、東部、南部溫泉水之陽離子圓餅圖。 ... 45

圖 3-5、北部溫泉水中主要陰離子濃度。 ... 46

圖 3-6、北部溫泉水之主要陰離子圓餅圖。 ... 48

圖 3-7、東部、南部溫泉水中主要陰離子濃度。 ... 49

圖 3-8、東部、南部溫泉水之陰離子圓餅圖。 ... 50

圖 3-9、各溫泉水中甲酸濃度。 ... 51

圖 3-10、各溫泉水中乙酸濃度。 ... 52

圖 3-11、各溫泉水中丙酸濃度。 ... 53

圖 3-12、各溫泉水中 DOC 值。 ... 53

圖 3-13、各溫泉水中溶氧與溶氮濃度。 ... 55

圖 3-14、各溫泉水中溶解氫氣濃度。 ... 56

圖 3-15、北部各溫泉水中 CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度。 ... 57

圖 3-16、東部南部各溫泉水中 CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度。 ... 58

圖 3-17、北台灣溫泉之化學反應自由能計算結果。 ... 62

圖 3-18、東台灣與南台灣溫泉之化學反應自由能計算結果。 ... 64

圖 4-1、台灣熱泉系統之 107 個化學反應之自由能值。 ... 78

圖 4-2、磺山溫泉 ─ 丙酸氧化與元素硫還原反應之自由能的變化。 ... 89

圖 4-3、磺山溫泉 ─ 丙酸氧化與元素硫還原反應之能量通量變化。 ... 90

圖 4-4、磺山溫泉 ─ 元素硫氧化與氧氣還原反應之自由能變化。 ... 91

圖 4-5、磺山溫泉 ─ 元素硫氧化與氧氣還原反應之能量通量變化。 ... 91

圖 4-6、龍鳳谷溫泉 ─ 丙酸與氧氣反應之自由能變化。 ... 92

圖 4-7、龍鳳谷溫泉 ─ 丙酸與氧氣反應之能量通量變化。 ... 93

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圖 4-8、龍鳳谷溫泉 ─ 二價鐵與氧氣反應之自由能變化。 ... 94

圖 4-9、龍鳳谷溫泉 ─ 二價鐵與氧氣反應之能量通量變化。 ... 94

圖 4-10、硫磺谷溫泉 ─ 丙酸與元素硫反應之自由能變化。 ... 95

圖 4-11、硫磺谷溫泉 ─ 丙酸與元素硫反應之能量通量變化。 ... 96

圖 4-12、小油坑溫泉 ─ 元素硫與三價鐵之反應自由能變化。 ... 97

圖 4-13、小油坑溫泉 ─ 元素硫與三價鐵之反應能量通量變化。 ... 98

圖 4-14、小油坑溫泉 ─ 元素硫與氧氣之反應自由能變化。 ... 99

圖 4-15、小油坑溫泉 ─ 元素硫與氧氣之反應能量通量變化。 ... 100

圖 4-16、小油坑溫泉 ─ 甲酸與氧氣之反應自由能變化。 ... 101

圖 4-17、小油坑溫泉 ─ 甲酸與氧氣之反應能量通量變化。 ... 101

圖 4-18、紅葉溫泉 ─ 氫氣與氧氣反應之自由能變化。 ... 102

圖 4-19、紅葉溫泉 ─ 氫氣與氧氣反應之能量通量變化。 ... 103

圖 4-20、新養女湖Ⅱ ─ 氫氣與二氧化碳反應之自由能變化。 ... 104

圖 4-21、新養女湖Ⅱ ─ 氫氣與二氧化碳反應之能量通量的變化。 ... 104

表目錄

表 2-1、台灣溫泉水化學與地質特徵。 ... 11

表 2-2、各種標準氣體的成分、濃度、偵測器種類與管柱類型。 ... 18

表 2-3、本研究所測量氣體之 kHΘ 與 -△solnH/R 列表。 ... 20

表 2-4、活度係數計算公式列表。 ... 27

表 2-5、各離子活度係數對照表。 ... 27

表 2-6、陽明山地區溫泉水 pH 值、Eh 值、Fe²⁺與 SO42-濃度範圍。 ... 28

表 4-1、微生物最低自由能需求。 ... 71

表 4-2、微生物能量通量需求。 ... 72

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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/SO₄^2-(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主要分布在北台灣的大屯火山群、龜山島與綠島。本研究區域為大屯火山群之溫泉，該地區岩性以凝灰角礫岩、輝石安山岩與角閃石安山岩為主，其下覆地層為漸新世晚期的五指山層 (陳培源，2006)。陳肇夏 (1989) 提出大屯火山群之溫泉水的形成模式，認為大屯火山群的熱水主要儲存在五指山層的砂岩內，受到火山氣體 (HCl、SO₂) 溶入水中，使得本區溫泉水含有大量硫酸根或氯化物。陳柏淳 (2005) 針對北台灣32處溫泉露頭，進行陰陽離子與微量元素的水化學分析，依照水化學特性分成酸性硫酸鹽泉、酸性硫酸鹽氯化物泉、酸性氯化物泉、中性碳酸氫鹽泉、中性氯化物泉與中性硫酸鹽泉六種。劉康克等 (1984) 根據溫泉水中的氫氧同位素資料，將此區的水依來源與特性分成三類：(1) 天水受熱所造成，

(2) 溫泉水與岩石間的作用，(3) 受蒸發作用的影響，研究並指出金山地區之溫泉可能受到海水的影響。有關大屯火山區之火山氣體的成分分析，以去除水氣後的相對氣體含量表示，發現 CO2 占 90% 以上，其他較少量的氣體包括 H2S、

SO2、N₂、CH₄與 H₂(李曉芬, 2004)。

出露於沉積岩區的溫泉主要分布於西部麓山帶、東部海岸山脈與蘭陽帄原 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。本研究調查區域為台灣嘉義、台南和高雄一帶的泥火山，該區域現在仍持續活動的泥火山，能分成三個主要活動區，由北而南分別為觸口斷層活動區、古亭坑背斜與旗山斷層活動區 (Yeh et al., 2005)。以漸新世後期、中新世、上新世到更新世初期的碎屑沉積岩為主，岩性主要為砂岩和頁岩兩者交互出現，局部層位夾有少量的石灰岩體和凝灰岩，且岩性由北而南逐漸轉變為以頁岩為主的沉積岩，顆粒大小逐漸變細，地層厚度逐漸增厚 (宋聖榮、劉佳玫, 2003) 。Yeh et al. (2005) 指出在旗山斷層活動區與古亭坑背斜活動區的泥火山之 CH₄含量佔總氣體的含量的 90% 以上；在觸口斷層活動區，濁水潭泥火

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山主要氣體為 CO₂，佔總氣體含量的 80% ，其次為 CH₄佔總氣體的 11% ；關仔嶺泥火山則以 CH4 佔總氣體的 87% 為主，其次為 CO2 的 13%。該研究也指出同為觸口斷層活動區的泥火山，其氣體組成比例卻有所差異，而在泥火山流體化學性質上，三個泥火山活動區皆含有豐富的 Cl^-與 Na⁺，且在古亭坑背斜區的泥火山流體含有 NO₃^-以及觸口斷層區的泥火山流體中含有 SO₄^2-。

出露於變質岩區的溫泉主要分布於雪山山脈帶、中央山脈板岩區與中央山脈大南澳片岩區 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。本研究調查區域為花蓮地區溫泉，屬於大南澳片岩區，此區域中玉里層的岩性以石英雲母片岩、雲母片岩為主，並夾雜綠色片岩及蛇紋岩體；長春層的岩性以綠色片岩與薄層的大理岩、石英岩和角閃岩為主；九曲層以厚層大理岩為主要岩性；南崗層以混合岩和片麻岩為主要岩性；

天祥層則以石英雲母片岩、千枚岩和變質砂岩為主要岩性 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)。溫泉水化學特性以 HCO3- 為主要離子，次要離子包括 SO₄^2-、Cl^-、Na⁺、 Ca²⁺，水化學特性依不同溫泉而有所差異。

台灣大部分的溫泉已經有相當豐富的化學資料，可是卻只著重在有限的陰陽離子與相對氣體濃度的分析，對於本研究拿來討論微生物代謝的自由能計算略顯不足。對運用熱力學原理評估氧化還原反應發生的可能來說，必頇涵蓋更多微生物可以使用的陰陽離子，再加上溫泉水中有機酸和溶解於溫泉水中的氣體濃度分析，以及溫泉沉積物中礦物組成，才能使微生物所能運用的代謝反應做最完整的討論。

1-3 研究目的

為藉由熱力學原理與能量通量概念，瞭解台灣區域地質特性與熱泉微生物群相變化的關係，並針對前人研究分析的不足之處，將本研究分為五階段，其目的分述如下。

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一、完整的化學分析與反應自由能計算。

生態系統中，化學成分與微生物代謝作用密不可分，因此要對環境做初步的了解，化學分析是少不得的過程。與微生物代謝作用有關的完整的化學分析應包括氣體、陰陽離子，以及有機酸，其中可能的電子提供者包括 H₂、CH₄、Fe²⁺、 H2S、organic acid 與還原態礦物，電子接受者則包括 O2、CO2、CO、Fe³⁺、NO3-、 NO₂^-與 SO₄^2-。透過完整的化學分析，便能夠再進一步依據熱力學原理推估反應是否能夠自然發生，讓微生物所運用，了解生態系統中微生物可能的代謝途徑。

二、熱泉地化因子與微生物族群之關聯性。

對於研究區域，除了本研究所做的化學分析與熱力學計算外，也有研究室其他成員所同步進行的分子生物學分析與細菌培養的工作。熱力學的計算能夠全面性的評估可能發生的代謝反應，所計算出來的結果需要與環境微生物方面的分析結果來相互驗證，甚至能夠推測生態系中可能存在卻還未被發現的微生物物種，

做為下一步的研究方向。

三、嗜熱微生物在地域上特徵與差異性。

根據採樣的涵蓋性和化學特性變化，本研究在小範圍上的探討將著重在北台灣溫泉，沿著金山斷層大致上分成三個區塊，由東北部金山的磺港溫泉一帶向西南方向延伸，途中經過小油坑溫泉一帶，至硫磺谷溫泉一帶，討論溫泉特性與代謝可能性在空間上的變化。

本研究採樣涵蓋台灣三大岩區溫泉，因此在大範圍上的討論是以台灣三大岩區因岩性不同而產生出不同化學特徵的溫泉為基礎，分析主要可能代謝反應的差異。對象包括北部大屯火山火成岩地區之溫泉、東部花蓮一帶的變質岩地區，以及西南部地區的泥火山地區。

四、模擬溫泉生態系統中的化學條件變異，討論反應自由能受環境影響的情形。

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藉由改變泉水中化學物種的濃度或是泉溫、酸鹼度，模擬生態系統中可能發生的環境條件變動，重新計算反應自由能的變化，希望了解該代謝反應是否能夠持續的在生態系統中發生，也能進一步推測微生物是否持續使用該代謝反應而存活於生態系統之中。

五、溫泉生態系統中能量通量計算

自由能計算只能用來推測化學反應是否能夠自然發生，反應通量的計算則是將自由能結合時間和限制因子濃度等參數，量化出特定代謝反應所能提供的能量通量。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，並結合反應的能量通量計算，可以進一步推測微生物間的競爭關係。

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第二章研究方法

2-1 資料蒐集與採樣點選擇

根據前人的報導指出台灣溫泉共 128 處 (宋聖榮、劉佳玫, 2003)，而本研究依照台灣溫泉出露地的地質特性將研究區域區分為三區，分別以北部大屯火山地區的火成岩、西南部的沉積岩區的泥火山以及東部花蓮一帶的變質岩為母岩。本研究一共有 16 處採樣點 (圖 2-1)，主要由前人已發表的溫泉資料中，選出溫度較高的溫泉與泥火山，另外增加北部的富源溫泉與金山漁會溫泉、西南部的小滾水與新養女湖和東部的虎爺溫泉等採樣點 (表 2-1)，進行現地調查與樣本蒐集的工作。

2-2 水化學分析工作

2-2-1 溫泉水中陽離子與微量元素分析

陽離子的分析工作所使用的儀器為台灣大學地質系宋聖榮老師實驗室之感應耦合電漿原子發射光譜儀 (Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry; ULTIMA 2, HORIBA John Yvon)。所測定的主要陽離子，包括 Na⁺、

K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe_total、Al³⁺與 Mn _total。微量元素則包括 As、B、Ba、Bi、

Cd、Cr、Co、Cu、Li、Ni、Pb、Si、Sr 與 Zn。標準品為 MERCK 1000 mg/L 的標準溶液。個別樣本的分析誤差低於 3%，偵測極限為 0.05 ppm。

2-2-2 溫泉水中主要陰離子分析

陰離子分析工作所使用儀器為台灣大學地質系宋聖榮老師實驗室之離子層析儀 (Ion chromatography; Metrohm MIC-5ADV)。所測定的陰離子，包括 Cl^-、 Br^-、NO3-、PO43- 與 SO42-。流洗液為 3.2 mM Na2CO3 / 1 mM NaHCO3。標準品

(22)

11

為 MERCK 1000 mg/L 的標準溶液。測定檢量線所使用的濃度為 0.1、0.5、1、

5、10、20 ppm。個別樣本的分析誤差低於 5%，偵測極限為 0.1 ppm。

表 2-1、台灣溫泉水化學與地質特徵。

溫泉名稱溫度(℃) pH 所屬地層地層岩性特殊地質現象

北台灣地區溫泉

地熱谷 68.3 1.4 五指山層砂岩

硫磺谷 89.0 2.8 五指山層砂岩/凝灰角礫岩硫氣孔/熱水換質龍鳳谷 79.6 5.4 安山岩/凝灰角礫岩硫氣孔

大油坑 91.9 1.5 安山岩硫氣孔/熱水換質

小油坑 71.6 2.4 安山岩硫氣孔/熱水換質

七股 49.5 2.2 凝灰角礫岩熱水換質

磺山 65.0 2.9 安山岩/凝灰角礫岩硫氣孔/熱水換質金山漁會 65.1 5.8 五指山層砂岩/第四紀沉積物

富源 67.7 1.8 五指山層砂岩/第四紀沉積物

磺港 74.2 3.0 五指山層砂岩/第四紀沉積物東台灣地區溫泉

花蓮紅葉 88.0 6.5 大南澳片岩雲母片岩

安通 66.0 8.7 利吉層凝灰角礫岩白色碳酸鈣沉澱物

虎爺 49.8 6.9 大南澳片岩雲母片岩南台灣地區溫泉

關仔嶺 63.8 8.4 中崙層泥質頁岩小滾水 26.1 7.7 古亭坑層厚層泥岩新養女湖 43.5 7.9 烏山層砂質頁岩

附註：溫泉水溫與酸鹼度為本研究採樣時之測量結果，所屬地層、岩性和特殊地質現象之資料來源為宋聖榮、劉佳玫 (2003) 與陳柏淳 (2005)。

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圖 2-1、本研究採樣地點。 (1.地熱谷 2.硫磺谷 3.龍鳳谷 4.小油坑 5.七股 6.大油坑 7.磺山 8.富源 9.金山漁會 10.磺港 11.關仔嶺 12.

小滾水 13.新養女湖 14.虎爺 15.紅葉 16.安通)。

(24)

13

2-2-3 溫泉水中有機酸分析

有機酸分析工作所使用儀器為台灣大學地質系宋聖榮老師實驗室之離子層析儀 (Ion chromatography; Metrohm MIC-5ADV)。所測定的有機酸包括 HCOO^-、 CH₃COO^-與 CH₃CH₂COO^-。流洗液為 0.001 N 之 H₂SO₄。標準品分別利用 HCOONa、CH3COONa 與 CH3CH2COONa 三種藥品配置 200 ppm，再加以稀釋。測定檢量線所使用的濃度為 0.1、0.5、1、5、10、20 ppm。個別樣本的分析誤差低於 3%，偵測極限為 0.1 ppm。

2-2-4 溫泉水中總有機碳分析

水中總有機碳分析工作所使用儀器為台灣大學海洋研究所溫良碩老師實驗室之總碳分析儀 (TOC 1030)。使用之氧化劑為 10% 之 Na2S2O8，酸化劑為 1 L 之 4.25% 的 H₃PO4。標準品利用 C₈H5KO4 (Potassium Hydrogen Phthalate) 藥品配置成 1000 ppm，再加以稀釋。測定檢量線所使用的濃度為 0.1、0.5、1、5、

10、20 ppm。個別樣本的分析誤差低於 3%，偵測極限為 0.1 ppm。

2-2-5 溫泉水中總溶解 HS^-分析

水中總硫化物分析採用甲烯藍法，測量所使用的儀器為台灣大學地質系林立虹老師實驗室之分光光度計 (JΛSCO V-550)。水樣於野外取樣後立即過濾，混合 7.5 ml 水樣、 0.5 ml 之 amine-sulfuric acid 與 0.15 ml 之 FeCl3 後，立即搖晃均勻。靜置 5 分鐘，再加入 (NH₄)2HPO4，反應生成甲烯藍 (Methylene blue)。帶回實驗室後，使用分光光度計在波長 664 nm 處測定水樣中硫化物之濃度。個別樣本的分析誤差低於 5%，偵測極限為 0.1 ppm。

(25)

14

2-2-6 溫泉水中 Fe²⁺與 Fe _total 分析

水中 Fe²⁺與 Fe _total 分析所使用的儀器為台灣大學地質系林立虹老師實驗室之分光光度計 (JΛSCO V-550)。標準品利用硫酸亞鐵 (FeSO4) 藥品配置與稀釋成 1、5、10、20、50、75 與 100 ppm，對照成 Fe²⁺濃度分別為 0.37、1.84、

3.68、7.36、18.42、27.63 與 36.84 ppm，並以 0.25 M 之鹽酸當作背景值。分別取 0.1 ml 的配置標準品與 0.9 ml 的 ferrozine reagent (0.25 g ferrozine 溶解於 250 ml HEPES 溶液，並將 pH 值調至 7)，混和均勻後，使用分光光度計在波長 652 nm 處量測其吸光度值，進行檢量線測定。

2-2-7 溫泉中沉積物礦物相分析

礦物相分析工作所使用的儀器為中研院地球科學所俞震甫教授實驗室之 X 光繞射儀 (X-ray diffraction, XRD; Rigaku MiniFlex AD0316)。X 射線管為銅靶，

實驗電壓 30 kV，電流 15 mA。於實驗室將沉積物烘乾磨碎，取少量沉積物粉末與去離子水，充分混合均勻，吸取約 100 μl 滴於載玻片上，靜置隔夜等待自然風乾。風乾後的薄片再進行 X 光繞射分析，得到繞射圖譜後進一步作礦物種類的定性鑑定。

2-3 氣體化學分析 2-3-1 氣瓶準備工作

1. 將藍色橡膠圔 (Belco, septum stopper, No. 2048-11800) 浸泡在裝有 1 N NaOH 的鐵氟龍燒杯中，隔水加熱至沸騰後煮一小時後，先以去離子水淨洗，

再將橡膠圔浸泡於去離子水中加熱至沸騰後煮一個小時，以去除橡膠圔中的未知氣體。

2. 將容積 160 ml 的血清瓶圔上已處理過的橡膠圔，蓋上鋁環確保密封後，以真空幫浦抽氣至瓶內壓力約為 0.2 torr。

(26)

15

2-3-2 採集氣體方法

圖 2-2 為採集氣體裝置示意圖。管路的一端置入溫泉池中，另一端轉接上針頭，先以蠕動式幫浦將溫泉水填充滿整個管路，確定管中沒有空氣的存在後再將針頭插入真空瓶抽取溫泉水。由於瓶內為負壓，所以當溫泉水抽入瓶中後，溶於水中的氣體會釋放出來。待瓶中充填的水體積穩定不增加，再將針頭拔出，即完成一個氣體樣本的收集。

圖 2-2、採集氣體裝置示意圖。

2-3-3 溫泉水中溶解氣體分析

本研究的氣體分析工作所使用儀器為台灣大學地質系林立虹老師實驗室之氣相層析儀 (Gas chromatography; Agilent Technologies 6890N)。測量氣體種類包括 H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6 和 C3H8。所使用之閥門進樣系統採直接注射進樣，進樣迴路的體積為 0.25 ml。氣體通過之層析管柱均為填充管柱，

填充物分別為 Mole sieve 5A 與 Porapak Q。偵測器的部分依序串聯熱傳導偵測器 (Thermal conductivity detector, TCD) 、觸媒轉換器 (Nickel catalyst) 和火焰離

(27)

16

子化偵測器 (Flame ionization detector, FID)，測量時依所測量氣體之需要開啟不同偵測器。分析時均以氣密針 (Gas-tight syringe) 取樣與進樣。

針對測量不同種類氣體和濃度的需要，需要選擇不同載氣、管柱的種類，以及選擇是否開啟觸媒轉換器，依設定需要可將實驗方法分成三類，說明如下：

1. 採用載氣為 He，管柱為 Mole sieve 5A，使用 TCD 偵測 O₂與 N₂。個別樣本的分析誤差低於 3%，系統誤差低於 10%，偵測極限為 100 ppm。

2. 採用載氣為 N2，管柱為 Mole sieve 5A，並開啟觸媒轉換器，使用 TCD 偵測 H2，FID 則用於偵測 CH₄與 CO。偵測極限皆為 10 ppm。H₂個別樣本的分析誤差低於 3%，系統誤差低於 10%；CH4 個別樣本的分析誤差低於 2%，系統誤差低於 3% ; CO 個別樣本的分析誤差低於 3%，系統誤差低於 2%。

3. 採用載氣為 He，管柱為 Porapak Q，使用 TCD 偵測 CO2，FID 偵測 C₂H6 與 C3H8 等碳氫化合物。偵測極限皆為 10 ppm。 CO2 個別樣本的分析誤差低於 2%，系統誤差低於 8% ; C2H6 與 C₃H8 個別樣本的分析誤差低於 5%，系統誤差低於 2%。

2-3-3-1 標準氣體配置

本實驗所使用的標準氣體共有 7 種。各種標準氣體中的成分、濃度、所使用的偵測器種類與所搭配的管柱類型，詳列於表 2-2 中。

2-3-3-2 檢量線測定

為避免操作時可能發生的空氣污染影響到測量結果，因此對於 O₂與 N₂的檢量線測定，均以氣密針直接自氣瓶中抽取標準氣體，不經任何稀釋便直接測量。

其餘不易受空氣污染影響的氣體，如 CO、H₂、CH₄、CO₂、C₂H6 與 C₃H8 等，

(28)

17

則皆以集氣袋稀釋成不同濃度後，再進行檢量線測定。

1. O₂、N₂的檢量線測定：利用氣密針直接從標準氣瓶內抽取氣體，其中 O₂檢量線測定所使用的濃度為 100 ppm、1.00%與 5.01%；N2 檢量線則為 100 ppm 與 4.99%。

2. CO 的檢量線測定：以 N₂稀釋標準氣體，檢量線濃度為 10、50、100、500 ppm。

3. H2、CH4 的檢量線測定：以 N2 稀釋標準氣體，H2檢量線測定所使用的濃度為 10 ppm、50 ppm、100 ppm、500 ppm、1000 ppm、5000 ppm 以及 1.00%;

CH4 檢量線測定所使用的濃度為 10 ppm、50 ppm、100 ppm、500 ppm、1000 ppm、5000 ppm、1.00% 與 4.00%。

4. CO2 的檢量線測定：以 He 稀釋標準氣體，檢量線測定所使用的濃度為 50 ppm、100 ppm、500 ppm、1000 ppm、5000 ppm、1.00% 與 4.99%。

5. C2H6、C3H8 的檢量線測定：以 N2 稀釋標準氣體。C2H6 檢量線測定所使用的濃度為 10 ppm、50 ppm、100.2 ppm、501 ppm 與 1002 ppm；C₃H8 檢量線測定所使用的濃度為 9.96 ppm、49.8 ppm、99.6 ppm、498 ppm 和 996 ppm。

(29)

18

表 2-2、各種標準氣體的成分、濃度、偵測器種類與管柱類型。

Scott standard gas (501697)¹

Scott standard gas (22561)²

Scott standard gas (301300)²

Scott standard

gas (303103)³ Detector Column

CO ⁴ 5.00% 1.00% TCD/FID mole sieve 5A

CO2 4.99% 1.00% 0.20% TCD porapak Q

H2 4.01% 1.00% 100 ppm TCD mole sieve 5A

CH4 4.00% 1.00% 992 ppm TCD/FID mole sieve 5A /

porapak Q

N2 4.99% 100 ppm 4.99% TCD mole sieve 5A

O2 5.01% 1.00% 100 ppm 5.01% TCD mole sieve 5A

He 4.00% TCD/FID mole sieve 5A

C2H6 1002 ppm 3.00% TCD/FID porapak Q

C3H8 996 ppm TCD/FID porapak Q

n-C4H10 997 ppm 1.01% FID porapak Q

n-C5H12 1010 ppm FID porapak Q

n-C6H14 1004 ppm FID porapak Q

1帄衡於 He；

2帄衡於 N₂；

3帄衡於 CH₄；

4若開啟觸媒轉換器 (Nickel catalyst)，則偵測器選用 FID。

(30)

19

2-3-4 溶解氣體濃度計算與校正 2-3-4-1 溶解氣體濃度測量

野外採集樣本時共收集 10 瓶，其中 8 瓶為測量氣體濃度之用，另外 2 瓶則為測詴瓶內壓力或做為備用樣本。量測氣體濃度前，將氣瓶從 4℃ 冰箱拿出來回復至室溫。先以針筒確認測詴用氣瓶內的壓力狀態，做為將瓶內壓力恢復為 1 atm 的依據，以便濃度的計算與校正。若上部空間為負壓，則打入載氣直至瓶內回復到 1 atm，並記錄所打入的載氣體積；若瓶內上部空間為正壓，則移除部分上部空間之氣體直至回復到 1 atm，並記錄所移除的氣體體積。

量測氣體樣本前，先依照測詴氣瓶所記錄需要打入載氣或移除上部空間氣體，

讓每個樣本的瓶內壓力皆回復到 1 atm。本實驗進樣使用氣密針，抽取氣體前，

為了維持瓶內與針內壓力均為 1 atm，所以採取打 1 ml 載氣入瓶內，待其帄衡再抽取 1ml 樣本進樣。氣樣注入進樣迴路，由氣相層析儀分析出該氣體濃度。

2-3-4-2 溶解氣體濃度計算

使用氣相層析儀所量測到的氣體濃度為上部空間氣體的濃度，所以必頇再根據亨利定律計算出溶解於水中之氣體濃度，公式如下：

Pg Ca

k_H  / (1)

其中 k_H為亨利定律常數，Ca 代表某氣體溶解在液相中的莫耳濃度，Pg 代表某氣體在氣相中的分壓。當氣體處於標準狀態下(T = 298.15 K)，亨利常數可用 kHΘ

來表示。

當溫度不是處於標準狀態下時，要計算出溶解氣體濃度 (Ca)，必頇將亨利 定律常數根據溫度來做修正，其關係式如下：

(31)

20



 



 



 

 



 

 ^ _

T T R k H

k_H _H ^so 1 1

exp ^ln (2)

其中 △^solnH 為溶液的焓 (enthalpy of solution)，其與溫度之間的關係如下：

R H T

d k

d _H _so_ln )

/ 1 (

ln   (3)

本研究所測量氣體之 kH

Θ與 -solnH/R 列表於表 2-3 中。

表 2-3、本研究所測量氣體之 kH

Θ與 -solnH/R 列表。

氣體種類 kH

Θ -solnH/R ^Reference

O2 1.3 x 10^-3 1500 Lide and Frederikes, 1995 N2 6.5 x 10^-4 1300 Wilhelm et al., 1977 H2 7.8 x 10^-4 500 Lide and Frederikes, 1995 CO2 3.5 x 10^-2 2400 Lide and Frederikes, 1995 CO 9.9 x 10^-4 1300 Lide and Frederikes, 1995 CH4 1.4 x 10^-3 1600 Lide and Frederikes, 1995 C2H6 1.9 x 10^-3 2300 Lide and Frederikes, 1995 C3H8 1.5 x 10^-3 2700 Lide and Frederikes, 1995

(32)

21

將上部空間之氣體莫耳數加上溶於水中之氣體莫耳數即為該氣體總莫耳數，

再利用總莫耳數計算出水體中總溶解之氣體濃度。以下面案例一作簡單的計算說明：

【案例一】計算富源溫泉水溶解 O₂濃度

注意事項：計算 O₂、N₂時，需要將真空瓶中之殘存空氣扣除掉。

氣瓶總體積：160 ml 上部空間體積：1.4 ml 溫泉水體積：158.6 ml 室溫：25℃ 氣密針進樣體積：1 ml

採樣前真空瓶內氣體壓力：0.2 torr = 0.2 × 0.0013157 = 2.63x10⁻⁴ atm

a. 採集前氣瓶中殘存 O2總量計算：

n_mole = P_atmV_L RT_K= 2.63 × 10⁻⁴× 0.16

0.082 × 273 + 25 = 1.72 × 10⁻⁶ mole b. 達帄衡後上部空間 O2總量與分壓計算：

上部空間中 O2之測量濃度為

37251.9 ppm = 37251.9 1000000 = 3.73 × 10⁻² atm

O2總量為

n_mole = P_atmV_L RT_K = 3.73 × 10⁻² × 1.4 + 1 1000 0.082 × 273 + 25 = 3.66 × 10⁻⁶ mole

O2 分壓為

P_atm = n_moleRT_K V_L =3.66 × 10⁻⁶ × 0.082 × 273 + 25

1.4 1000 = 0.0639 atm c. 達帄衡後溶解於溫泉水中之 O2濃度與總量 (實驗室室溫 25℃, T = 298 K)：

(33)

22

𝐶𝑎_M = 𝑘_H× 𝑃𝑔_atm

= 𝑘HΘ× exp −∆soln𝐻 R

1 T− 1

T^Θ × 𝑃𝑔_atm

= 0.0013 × exp 1500 × 1

273 + 25− 1

273 + 25 × 0.0639

= 8.31 × 10⁻⁵ M

= 8.31 × 10⁻⁵× 158.6 1000 = 1.32 × 10⁻⁵mole

d. 現地溫泉水溶解 O2濃度：

溫泉水溶解O₂濃度

= 上部空間 O₂總莫耳數+ 溶解於溫泉水中之 O₂總莫耳數

− 採水前氣瓶中殘存 O₂總莫耳數 ÷ 採水體積

= 4.27 × 10⁻⁶ + 1.32 × 10⁻⁵ − 3.61 × 10⁻⁷ ÷ 0.1586

= 107.88 μM

(34)

23

2-4 熱力學原理與自由能計算 2-4-1 熱力學基本原理介紹

熱力學第一定律為能量孚恆，並定義焓 (enthalpy, △H) 。焓是系統中經過化學反應在定壓力之下所增加或減少的熱。當 △H 為負值時，反應為放熱反應 (exothermic)；相反地，當 △H 為正值時，反應為吸熱反應 (endothermic)。依定義熱力學第二定律可以描述為 ” 任何自發性的反應都是增加孙宙中的熵 (entropy, S)”，所謂孙宙包含系統與周圍環境兩部分，因此孙宙中的熵的變化寫成 式。

system g

surroundin

total S S

S  

 (4)

△H 和△S 都是所謂狀態方程式，用以描述或定義系統的狀態，與系統之前的歷史無關。

在定溫、定壓下 S_surroundin_gs H_system /T (5)

整理 (4) (5) 式可得 TS_total (H_system TS_system) (6)

因為自發性反應的 Stotal 必頇為正值，也就是 (Hsystem – TSsystem) 必頇為負值。

據此定義出自由能 (Gibbs free energy) 這個狀態方程式 S

T H G  

 或在標準狀態下寫成 Gô HôTSô (7)

當化學反應之 G 為負值，該反應會自然發生 (exergonic)；當化學反應之 G 為正值，該反應為無法自然發生 (endorgonic) 或是需朝反方向自發進行；當化學

反應之 G 為 0，代表該系統已達到帄衡。圖 2-3 為化學反應與反應自由能之示

意圖，會自然發生的反應將釋放能量到環境中，但需注意的是反應能否進行，仍受控於活化能障礙是否能被克服。

(35)

24

圖 2-3、化學反應自由能變化示意圖。情況 (1) 代表 △G >0，反應無法自然發生，情況 (2) 代表 △G <0 ，反應可以自然發生。

2-4-2 化學反應自由能計算

經由自由能 (Gibbs free energy, △G) 的計算，能夠推測反應是否能夠自然發生，並量化各種化學反應所釋放到環境中的能量。

計算 △G，依照下列之 (8) 式：

Q RT G

G ^o  ln

 (8)

其中，R 是氣體常數；T 是絕對溫度 (Kelvin)；△G⁰代表標準狀態（25^oC，一大氣壓）的自由能，Q 值則是將代謝反應中，各個產物活度(以〝〞表示)之係數次方後相乘積除以各個反應物活度之係數次方後相乘積。例如，代謝反應是為 aA + bB → cC + dD ，則

   

^a ^b

d c

B A

D Q C



  (9)

由於反應達帄衡時之自由能為零，此時帄衡常數 (K) 即為 Q 值，因此可得

K RT G^o  ln

 (10)

(36)

25

將 (10) 式帶入 (8) 式，即得到另一形式的 △G 公式：

) / log(

303 . 2 ) /

ln(Q K RT Q K

RT

G 

 (11)

根據 (11) 式，便可由反應帄衡常數以及我們測得的各項化學及氣體濃度資料計算得到各個代謝的△G 值。

2-4-3 化學反應方程式選擇

在溫泉系統中，混合了由地底下冒出來的熱水、池子周遭的溪水以及天水，

可能造成了化學不帄衡的環境。對微生物而言，這些未達化學帄衡的反應能夠提供它們能量來源。本研究所列出來的化學反應方程式清單，包含 107 個氧化還原反應(詳見附錄表一)，列舉的主要依據有兩大原則，分別是前人所發表過微生物能夠利用的代謝反應，以及反應式中參與的化合物屬於本研究所分析的範圍。

依照電子接受者的不同，大致區分成六大類反應：(1) 有氧環境下的氧化作用 (Aerobic oxidation)；(2) 無氧環境下的硝酸根與亞硝酸根還原作用 (Nitrate, Nitrite reduction)、固氮作用 (Nitrogen fixation) 以及無氧氨氧化作用(Anammox)；

(3) 無氧環境下的元素硫與硫酸根還原作用 (Sulfur, Sulfate reduction) 以及元素硫的自身氧化還原作用 (Sulfur disproporationation)；(4) 無氧環境下的甲烷氧化作用 (Anaerobic methane oxidation)、產甲烷作用 (Methanogenesis) 以及產乙酸作用 (Acetogenesis)；(5) 無氧環境下的金屬離子還原作用 (Metal reduction)；(6) 發酵作用 (Fermentation)。

2-4-4 Geochemist's Workbench 軟體應用

Geochemist's Workbench (縮寫成 GWB) 軟體主要功能包括了帄衡化學反應、

計算活度、計算水體中化學物種帄衡濃度、模擬反應過程、模擬化學物種於二維空間上的運輸過程與各種計算、模擬結果作圖。以下僅就本研究所使用的功能說

(37)

26

明之。

2-4-4-1 推定穩定存在礦物相

推定穩定存在礦物相的步驟如下：

1. 取得完整的溫泉水化學資料。

2. 計算出溫泉水中的離子強度。離子強度的計算公式如下：



 ²

2 1

i iz m

I (12)

其中 I 代表離子強度，m_i代表水體中各個離子的莫耳濃度， z_i代表各個離子的價數。

3. 計算活度係數 (activity coefficients, )。各種離子之活度係數的計算根據表 2-4 所列之公式 (Amend and Shock, 2001)，對於特定的離子種類配合溶液的離子強度，可經由表 2-5 得到各種離子的活度係數。

(38)

27

表 2-4、活度係數計算公式列表。

Approximation Equation Approximate Applicability [ionic strength (M)]

Debye-Hückel log γ = −𝐴z² 𝐼 I < 0.01 Debye-Hückel log γ = −𝐴z² I

1 + Bå 𝐼 0.01 < 𝐼 < 0.1 Debye-Hückel log γ = −Az2 I

1 + Bå I+ bγ𝐼 < 0.1 Davies log γ = −𝐴z² 𝐼

1 + 𝐼− 0.2𝐼 < 0.5

其中 γ 為活度係數，I 為離子強度，z 為離子價數，å 為離子大小（單位為 angstroms），A = 1.82 × 10⁶ εT ^-3/2 ，B = 50.3 εT ^{−1 2}，ε 是介電子常數 (水於 0 ℃, ε=88； 20 ℃, ε=80.1； 100 ℃, ε=55.3； 200 ℃, ε=34.5)。

表 2-5、各離子活度係數對照表。

Ion Size, å (angstroms)

Ion Ion strength

10^-4 10^-3 10^-2 0.05 10^-1

9 H⁺

Al³⁺, Fe³⁺, La³⁺, Ce³⁺

0.99 0.97 0.91 0.86 0.83 0.90 0.74 0.44 0.24 0.18

8 Mg²⁺, Be²⁺ 0.96 0.87 0.69 0.52 0.45

6 Ca²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Sn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ 0.96 0.87 0.68 0.48 0.40 5 Ba²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺, CO₃^2- 0.96 0.87 0.67 0.46 0.39 4 Na⁺, HCO₃^-, H₂PO₄^-, CH₃COO^-

SO₄^2-, HPO₄^2- PO₄^3-

0.99 0.98 0.90 0.81 0.77 0.96 0.87 0.66 0.44 0.36 0.90 0.72 0.40 0.16 0.10 3 K⁺, Ag⁺, NH₄⁺, OH^-, Cl^-, ClO₄^-, NO₃^-, I^-, HS^- 0.99 0.96 0.90 0.80 0.76