磁場對螺旋藻固碳成效之影響
萬騰州1、洪珮瑜2、温亞林2 、陳俊瑋2
1國立雲林科技大學環境與安全衛生工程系副教授
2國立雲林科技大學環境與安全衛生工程所研究生
摘要
全球暖化日益嚴重且台灣暖化的速度為全球平均的二倍。而導致全球環境變 遷的主要原因為溫室效應氣體。溫室氣體中又以二氧化碳對溫室效應之貢獻最大。
因此如何有效利用二氧化碳與減少二氧化碳之排放量遂成為全球暖化之最重要 研究課題。海洋微藻具有高光合反應能力，有利於二氧化碳之固定，被視為解決 全球暖化問題的最具潛力主要角色，基於此，本研究利用海洋微藻：螺旋藻 (Spirulina platensis)為研究題材進行固碳。學者研究顯示磁場對於螺旋藻生長有 直接的影響，因此本研究探討外加磁場對螺旋藻生長及固碳成效。
本研究於500 mL 錐形瓶培養螺旋藻，探討磁場對螺旋藻固碳之影響批次式 實驗。光照強度固定為11 kLux，每日光照時間 12 小時之條件下。針對不同磁場 強度、pH 值之變化，探討其對螺旋藻生長與固碳之影響情況。
研究結果顯示，無論有無植種與螺旋藻之生長條件為何， pH 值之變化趨勢 皆相同，並不會因條件不同而有所不同。於300G 之磁場強度下，其螺旋藻細胞 增加比無磁環境(0G)增加 30%。而培養條件為 150G 時，亦較無磁環境增加了 13%。
這顯示出磁場有助於提升螺旋藻生長速率。無論磁場強度為300G 或 150G 螺旋 藻之固碳量分別比無磁環境(0G)增加了 132 % 與 117 %，因此，磁場有助於增加 螺旋藻固碳量。
關鍵詞：二氧化碳、螺旋藻、磁場
一、前言
人類最常使用的能源為非再生能源─化石燃料，主要的化石燃有：石油、煤、
天然氣，大約佔全球使用能源85%以上。燃燒化石燃料會產生大量的汙染物，如：
二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等，大量且迅速地排放至大氣中。這些氣體吸收 了應散發至外太空的熱能，造成地球表面產生過度的溫室效應而使地球溫度不斷 地上升。目前全球平均溫度已比工業革命時的平均溫度高出0.6 oC 。2007 年 IPCC 的報告中預估，全球平均溫度將在100 年內上升 1.1~5.8 oC。因溫度升高而造成 生態系統被破壞，全球約有40 %的動植物將會絕跡，且導致旱災、洪荒以及海
洋水面上升，至少可能造成全世界 2 億名民眾淪為環境難民。(吳文騰等人，
2009)。
全球暖化日益嚴重且台灣暖化的速度為全球平均的二倍。而導致全球環境變 遷的主要原因為溫室效應氣體。溫室氣體中又以二氧化碳對溫室效應之貢獻最大。
因此如何有效利用二氧化碳與減少二氧化碳之排放量遂成為全球暖化之最重要 研究課題。海洋微藻具有高光合反應能力，有利於二氧化碳之固定，被視為解決 全球暖化問題的最具潛力主要角色，基於此，本研究利用海洋微藻：螺旋藻 (Spirulina platensis)為研究題材進行固碳。探討外加磁場對螺旋藻生長及固碳成 效 (蕭茂修，2007、陳雲蘭，2008) 。
螺旋藻(Spirulina platensis)為絲狀之藍綠藻，其含有豐富的蛋白質、維生素、
礦物質、八種人體無法自行合成之胺基酸、gamma-linoleic acid、β-胡蘿蔔素、藻 藍素等營養成分，具有抗病毒、提高身體免疫力、抗癌症等之功效，可應用於醫 療、健康食品、保養品等方面。螺旋藻適合生長於高鹼性環境下，除受他種菌株、
微生物的污染機會較小外，鹼性培養基對通入的二氧化碳吸收量高，故其對於二 氧化碳的利用率也較高 (林育男，1997) 。
近年來有許多研究顯示磁場對於生物生長有直接的影響，且磁場已被成功應 用於農業方面提升農作物之生長速率、生物量。而適當的磁場強度對於螺旋藻也 有相同之成效。Morio Hirano 等人(1998)與 Zhi-Yong Li 等人(2006)研究結果皆顯 示磁場能加速藻細胞生長及活化光機發的光合作用電子傳遞系統，因此，可於短 時間內大幅提升藻細胞密度且磁場能刺激螺旋藻吸收培養基中的碳、氮、磷與礦 物質(Morio Hirano et al.,1998、Zhi-Yong Li et al.2006)。
二、實驗方法 2.1 微藻與培養基
本實驗所用之藻種為螺旋藻(Spirulina platensis)來自行政院農業委員會水 產養殖試驗所台西分所藻類培養實驗室。
本實驗所用之培養基(如表 1)取自 Amos 藻類培養手冊中螺旋藻基礎培養 基(Amos Richmond，1986)，但微量元素用量少且價格昂貴，故改以自來水配 製，以提供微量的礦物質。
表1 培養基配方 藥品名稱 濃度(g/L)
NaHCO3 16.8
NaNO3 2.5
K2SO4 1.0
藥品名稱 濃度(g/L)
K2HPO4 0.5
MgSO4‧7H2O 0.2
NaCl 1.0
FeSO4 0.01
2.2 藻類批次培養與實驗方法
本研究將螺旋藻馴養於500 mL 之三角錐型瓶並以曝氣機與氣泡石供給所 需之空氣，再搭配日光燈管與pH 計觀測其生長過程之變化 (如圖 1)。而批次 實驗亦於500 mL 之三角錐型瓶進行(如圖 2)，於實驗過程中測得螺旋藻處之磁 場為150G 與 300G。
利用日光燈泡於約28 oC 下，培養螺旋藻與進行批次實驗，每日光照時間 為12 小時，光照強度約 11 klux(陳峰等人，1999)。
每24 小時取樣並利用分光光度計(HACH 出產， Unico 掃描式)於波長 560 nm 下，量測藻類細胞吸光密度值(Optical Density, O.D.) 測定其吸光值，再利 用製備好之檢量線換算出藻數(個/L)或藻密度(mg/L)( Leduy A. et al., 1977)。
每24 小時量測一次藻體乾重(cell dry weight, D.W)，每次取樣 10 ml 經過 濾後以103 oC ~105 oC 烘乾之(Leduy A. et al., 1977)。
為得知螺旋藻於生長過程中利用碳源之情形，利用環保署環境檢驗所之水 中鹼度滴定法(NIEA W449.00B)分析藻液鹼度。每 24 小時取樣 10 ml 利用鹽酸 溶液進行二階段滴定，第一階段使用酚酞指示劑分析CO32-之濃度。第二階段 使用溴甲酚綠指示劑分析HCO3-
之濃度，而溶液中總碳濃度即為前述二者濃度 之和。
圖 1 培養實景及各項設備圖
日光燈 曝氣機
pH 計
培養中之螺旋藻
圖 2 批次實驗實景及各項設備圖
三、結果與討論 3.1 生長曲線
量測乾重之步驟較繁複且費時，遠不如吸光密度(O.D.560)只需利用分光光 度計於幾秒鐘內即可得知結果，來得便利。因此，本實驗尋求吸光密度與乾重 間之關係，若兩者之間呈線性關係，則只需測量吸光密度即可換算出乾重。
由圖3 可知，藻體乾重與吸光密度呈線性關係，其關係式為
Y=1.6732X+0.8558 ………(1) 其中：Y：藻體乾重(g/L)；X：吸光密度(560nm)
圖3 藻體乾重與吸光密度間之關係圖
y = 1.6732x + 0.8558 R² = 0.9962 0
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
乾重(g/L)
吸光密度(560nm)
數列1 永久磁鐵
實驗中之螺旋藻
曝氣機 日光燈
因為X 與 Y 值為相關之關係，所以各測定點並非皆落於回歸線上，而為 得知迴歸方程式與回歸線之穩定性，將計算剩餘標準離差SE 來確認：
SE =
……….. (2) xi: 各個吸光密度之測定值
yi: 各個乾重之測定值
x：各個吸光密度之之測定值之平均值
y：各個乾重之測定值之平均值 n：樣品個數
而數列1 之各個 x、y 值若落於以回歸方程計算 y1、y2 值為中心的±2 SE 區間，則有95 %的可信度，此二條方程式如下：
可信度區間下限：y1=a-2SE+bx……….…(3) 可信度區間上限：y2=a-2SE+bx……….…(4) a：回歸方程式之截距；b：回歸方程式之斜率。
因此，若SE 越小，給定一 x 值，利用回歸方程式求的之 y 值就越準確。
由實驗所得之測定值計算出SE 值為 0.037452，推導出之信度區間圖如圖 4。圖中可看出，所有之數據皆落於可信度區間內，其中可信度區間±2 SE=
±0.0749，亦即以此方程式預測之乾重有 95 % 之可信度，其誤差於 0.0749 之 內，此誤差相當小，故藻體乾重之量測可直接從吸光密度利用回歸方程式計 算。
圖4 吸光密度與乾重之可信度區間圖
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
乾重(g/L)
吸光密度(560nm)
數列1
可信度區 間下限
可信度區 間上限
由吸光密度與血球計數器所算得之藻體數目平均值之關係，可繪製出圖5。
其線性關係式為Y=116.58X-4.49………(5) 其中：Y=藻體數目(cells/mm3)；X=吸光密度(560nm)
圖5 吸光密度與藻體數目之關係圖
由此可知兩者之間具有線性關係，但為了解數值之準確性，因此計算出剩 餘標準離差 SE，並繪製可信度區間圖，如圖 6。由圖中可看出測定值之數列 僅高於可信度區間下限，推估於計數時，可能是有些螺旋藻體積較小造成計數 上之有些微誤差。
圖6 吸光密度與藻體數目之可信度區間圖
y = 116.58x - 4.49 R² = 0.9967
0 50 100 150 200 250 300
0 1 2 3
藻體數目(cells/mm3)
吸光密度
數列1
0 50 100 150 200 250 300
0 1 2 3
藻體數目(cells/mm3)
吸光密度
數列1
可信度區間上限 可信度區間下限
圖7 為本研究螺旋藻之生長曲線圖。螺旋藻於第 2 天開始進入加速生長期；
第5 天進入對數生長期；第 6 天開始穩定生長。因此本研究週期取 5 天。
圖7 螺旋藻生長曲線
圖8 為所示之吸光密度從第 3 天開始降低，主要是因於培養過程中螺旋藻遭 受其他雜菌汙染而逐漸死亡所致(圖 9)，死亡之螺旋藻藻體呈白色，其電子顯微 鏡照，如圖10 所示。
圖8 受污染之螺旋藻生長曲線
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
1 2 3 4 5 6 7
吸光密度(O.D560)
天數
數列1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
1 2 3 4 5
吸光密度(O.D560)
天數
圖9 遭受他菌污染之螺旋藻顯微鏡照片
圖10 藻體呈白色之死亡螺旋藻顯微鏡照片
3.2 pH 變化對螺旋藻之影響
圖11 為不同條件下螺旋藻生長過程 pH 值之變化比較圖，圖中的 sample1 為無外加磁場下生長之螺旋藻；sample 2 為於外加磁場(100G)下生長之螺旋藻；
sample 3 未植種之空白培養基。由此圖可知不論有無植種與生長條件為何，其 pH 值皆於第 1 或 2 天內快速上升，升至 pH=9 之後轉趨穩定，由此可知，pH 值之變化趨勢不會因條件不同而有所不同。
由下列方程式可知，於培養過程中H+ 逐漸減少造成CO32-
累積，導致pH 值升高，但因螺旋藻於生長過程中不斷地吸收HCO3-，使得pH 不會無止盡的 升高。而未加磁場(sample 1)螺旋藻生長較緩慢，碳源利用較少導致其 pH 值較 外加磁場(sample 2)之樣品為高。
CO2+H2O H2CO3 H++HCO3- 2H++CO32- ………(6)
3mm
3mm
圖11 於無磁場(sample 1)、磁場強度 100G (sample 2)與未植種空白樣品 (sample 3)下螺旋藻生長過程 pH 值之變化比較圖
3.3 磁場強度對螺旋藻生長之影響
螺旋藻分別於磁場強度0G、150G、300G 下生長情形如圖 12 所示。從圖 中可看出磁場強度為300G 時，螺旋藻之細胞增量較無磁環境(0G)多，其藻細 胞量比對照組增加了30%。於培養條件為 150G 時，其藻細胞量比對照組增加 了5 %。由此可知，磁場的添加有助於提升螺旋藻之生長速度。
但因本研究並未添加微量元素供給螺旋藻，且是於室溫下進行實驗，可能 導致螺旋藻生長速率偏慢，而造成磁場對螺旋藻生長速率之提升並非顯著影 響。
7.6 7.8 8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6
0 1 2 3 4
pH
天數
無磁場 磁場(100G) 空白培養基
圖12 螺旋藻分別於磁場強度 0G、150G、300G 下生長情形
3.4 不同磁場強度對螺旋藻固碳之影響
為得知螺旋藻於生長過程中利用碳源之情形，本研究量測螺旋藻生長過程 之藻液鹼度，再將有磁環境(150G、300G)之鹼度減掉無磁環境(0G)之鹼度即為 螺旋藻吸收利用之量。因螺旋藻是利用CO2、HCO3-，pH 值為 8~10 時水中無 機鹽類以HCO3- 與 CO32-
為主，當水中無機鹽類增加，藻液之pH 值亦會升高，
但當螺旋藻吸收利用水中 HCO3- 為其碳源，使得水中鹼度減少與藻液之 pH 值升高趨緩。圖13 為螺旋藻於 0G、150G、300G 磁場強度下進行批次實驗，
五天後所減少之鹼度量。由圖中可看出於外加磁場下生長之螺旋藻其鹼度減少 之量多於未外加磁場，且於未加磁場下生長之螺旋藻其藻液中之鹼度減少量為 負成長，可能是螺旋藻吸收利用碳源之量遠少於碳源進入培養基中之量。故於 螺旋藻生長過程中外加磁場有助於其吸收利用水中碳源之量。
0.73 0.735 0.74 0.745 0.75 0.755 0.76 0.765
1 2 3 4 5
細胞乾重(g/L)
天數
300G 150G 0G
圖13 螺旋藻分別於 0G、150G、300G 磁場強度下，生長五天所減少之鹼度量
四、結論
1. 乾重法與分光密度法皆為螺旋藻生長之測定法，因乾重法量測之步驟較繁複，
又與吸光密度間呈線性關係，因此可藉由量測吸光密度，推算出其乾重。
2. 論有無植種與螺旋藻之生長條件為何，其 pH 值皆於前兩天快速上升，升至 pH=9 之後轉趨穩定，由此可知，pH 值之變化趨勢不會因條件不同而有所不 同。
3. 螺旋藻生長過程中外加之磁場強度為 300G 時螺旋藻生長較為快速，較磁環境 (0G)增加了 30 %。而磁場強度為 150G 時，螺旋藻之生長速率較磁環境(0G) 增加了5 %。
4. 無論磁場強度為 300G 或 150G 螺旋藻之固碳量分別較磁環境(0G)增加了 132%
與117 %，因此，磁場有助於增加螺旋藻固碳量。
五、參考文獻
1. Amos Richmond, “ Hankbook of Microalgal Mass Culture“, CRC Press, Inc., Florida (1986).
2. Leduy A., Therien N.,”An improved method for optical density measurement of the semimicroscopic blue algae Spirulina maxima”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 19, pp.1219-1224 (1977).
3. Morio Hirano, Akira Ohta, Katsuya Abe, “Magnetic Field Effects on Photosynthesis and Growth of the Cyanobacterium Spirulina platensis”, Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol. 86, pp.313-316 (1998).
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1
五天減少之鹼度量(g/LCaCO3)
0G 150G 300G
4. Zhi-Yong Li, Si-Yuan Guo, Lin Li, Miao-Yan Cai, “Effects of electromagnetic field on the batch cultivation and nutritional composition of Spirulina platensis in an air-lift photobioreactor ”, Bioresource Technology, Vol. 98, pp.700-705 (2007).
5. 陳峰、姜悅，“微藻生物技術＂，中國輕工業出版社(1999 年)。
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8. 陳雲蘭，“百年來台灣氣候的變化＂，科學發展，第 424 期，第 6-11 頁(2008)。
9. 林育男，“以螺旋藻對二氧化碳之減除及利用＂，碩士論文，國立雲林科技 大學環境與安全衛生工程所碩士論文，雲林縣(1997)。
10. 行政院環境檢驗所水中鹼度滴定法(NIEA W449.00B)。
