2005/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：張富龍 ▓圖片提供：生物技術開發中心
溫室效應是當前地球所面臨環境問題中最重要的課題之一，其產生原因為具有吸收紅外線效果之二氧化碳及甲烷等溫室氣體，於大氣中濃度急遽上升之故。
海洋中具有可行光合作用以改變二氧化碳濃度的植物浮游生物微細藻類，因此，本文主要針對利用海洋微細藻類固定二氧化碳，做一說明。
微妙的海底世界與鐵元素
在海水中一樣含有存在於地球上的所有元素，而植物浮游生物為了進行光合作用與增殖，會從海水中吸收各式各樣的無機元素（營養鹽），所以於表層海水的營養鹽濃度幾乎為零。然而在1930年代，卻發現到南極海的表層海水，雖然營養鹽相當豐富，但植物浮游生物的生物量卻相當少，此現象叫做南極反論。之後，也在太平洋的阿拉斯加灣及赤道區等海域，發現這種高營養鹽-低葉綠素（High nutrient low chlorophyll, HNLC）現象。像這樣的海域到底是什麼因素限制生物生產呢？此對於海洋學者是個長年問題，直到1980年代Martin提出的鐵假說，受到各界的重視與討論。
Martin認為，HNLC海域的生物生長是受限於鐵的不足所引起，因為在光合作用及呼吸系統的電子傳遞、葉綠素的生物合成等都需要用到鐵。由於植物浮游生物在經捕食、細菌分解後，會將營養鹽元素再度溶出，但是HNLC海域生物量少，加上鐵在pH8的海水中形成氫氧化合物而溶解度降低，及從河川所供應的鐵在沿岸大都已沉澱下來，無法運送到外洋，所以外洋的鐵之主要來源為藉由風搬運灰塵，因之HNLC海域離大陸相當遠，所以落塵量少。
為了證實鐵對生物生長的限制，Martin等人利用在阿拉斯加灣、南極海以及赤道的太平洋所採集的海水，進行添加與不添加鐵源，來培養比較植物浮游生物不同生長率的船上實驗。所得到的結果，添加鐵源培養的浮游生物（特別是大型的矽藻類），其生長率顯示出明顯的快速。因此可明確的認為這些大型的植物浮游生物是受到鐵的限制。
施撒鐵源的抑制實驗
Martin等人進一步認為，若於南極海進行人工施撒鐵源，則可促進植物浮游生物的增殖，並能促進大氣中二氧化碳的吸收。估算植物浮游生物直接利用南極海表層硝酸及磷酸離子所需要的鐵量，大約是30萬噸，若施撒的鐵源，以100％的效率促進植物浮游生物增殖的話，則可將每年人為因素蓄積在大氣中二氧化碳的一半量，轉化成有機物。因為在海水中，二氧化碳會與水反應而溶解成碳酸氫離子及碳酸離子。海洋深層是擁有達大氣中二氧化碳總量60倍碳酸化合物巨大的碳儲存庫。於海洋表層所生成的有機物，沉降到深層去，在那裡被分解成碳酸化合物，則這些碳就可被隔離在深海數百年。若每年於南極海施撒數十萬噸的鐵，使海洋深層的碳酸化合物濃度，顯現稍高的穩定狀態，則會有抑制大氣二氧化碳增加的效果。
1995年，Coale等人繼續於赤道附近的太平洋（72 平方公里）海域，進行施撒數百公斤的硫酸鐵實驗，結果，大型植物浮游生物繁殖速度倍增，且生物量增加了20倍，海水的二氧化碳分壓，約下降20％。1999年Boyd等人，於澳大利亞南方的南極海（50平方公里）海域，進行鐵的施撒實驗，在13天內，植物浮游生物（主要為矽藻）生產量增加了4倍，且於一個月後，此海域的衛星照片顯現了廣及1,100平方公里的高葉綠素海域，顯示了鐵施撒的長期影響之可能性。
開發微細藻類的高效能
另一方面，植物浮游生物如綠藻Chlorella等，具有較高的光合成能力，可有效的利用太陽光。雖然植物浮游生物的生質體（Biomass），因含許多的水分，不能像木材一樣，拿來直接燃燒，但植物浮游生物的細胞內，所含有的碳水化合物及脂質，則受到矚目；具有用來生產乙醇、汽油、柴油等的液體燃料，以及氫和甲烷等氣體燃料的潛力。因此，於45年前，Oswald教授開始提倡大量培養微細藻類，生產能源的構想，並進行大量培養微細藻類來處理廢水，將所得到的藻類生質體，做為基質用來做甲烷發酵製程。此構想後來被美國國家再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）納入計畫內，進行利用太陽能培養微細藻類固定二氧化碳，並提高藻類細胞內的脂質，用來生產液體燃料的製程開發研究。
而國內的生物技術開發中心也與台電公司合作，進行鐵錯合物影響海洋植物浮游生物Isochrysis sp. CCMP1324動力參數之研究。此案利用台中火力發電廠所產生之二氧化碳煙氣，進行對於富含二十二碳六稀酸（DHA）且廣泛運用於水產養殖的生物餌料海洋微細藻類，探討其固定二氧化碳及再資源化之應用。
DHA為人體大腦及視網膜神經組織中結構脂質的成分，扮演著重要的營養物質角色。且DHA和其他ω-3系列脂肪酸一樣，為預防人類各種疾病的重要物質。魚肉通常是日常飲食中這些脂肪酸的來源，但，魚類這些脂肪酸的起源，為來自於餌料中的海洋微生物。因此，該計畫將這些海洋微生物中的Isochrysis sp. CCMP1324海洋微藻，利用光合反應器進行大量培養，及以連續流混合反應槽（Continuous Stirred Tank Reactor）操作試驗，進行探討Isochrysis sp. CCMP1324的二氧化碳固定情形。實驗結果顯示，當煙道氣體以每分鐘流量為8.0公升的速率進入藻類光合反應器時，則培養有藻類的光合反應器之固定二氧化碳效率最佳，為每分鐘可固定86.20毫克的二氧化碳，相當於每天每公升的藻類光合反應器可固定730毫克的二氧化碳。
仍有待深入探討
雖然鐵營養源可使海洋植物浮游生物快速生長，固定大量的二氧化碳，然而伴隨而生的有機物，勢必會沉入海洋深層，極有可能導致深海的氧氣缺乏，海洋整體生物的生產量可能會降低。但至目前為止，尚未有人進一步去確認海洋有機物沉降量增加所帶來的影響。因此有關是否要施加鐵源於海洋，使藻類增生，以做為抑制大氣中二氧化碳之政策，仍有待更深入的探討。（作者為財團法人生物技術開發中心助理研究員）