王珮玲Wang, Pei-Ling臺灣大學:海洋研究所陳冠樵Chen, Kuan-ChiaoKuan-ChiaoChen2010-05-062018-06-282010-05-062018-06-282009U0001-0402200914035000http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/181229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+、SO42-、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。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, CH4 and 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 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.目 錄試委員會審定書 i謝 ii要 iiibstract iv一章 緒論 1-1 前言 1-2 前人研究 2-2-1 義大利火山島淺海熱泉熱力學上的研究 2-2-2 黃石公園溫泉熱力學上的研究 3-2-3 台灣地區溫泉與溫泉地球化學上的研究 5-3 研究目的 7二章 研究方法 10-1 資料蒐集與採樣點選擇 10-2 水化學分析工作 10-2-1 溫泉水中陽離子與微量元素分析 10-2-2 溫泉水中主要陰離子分析 10-2-3 溫泉水中有機酸分析 13-2-4 溫泉水中總有機碳分析 13-2-5 溫泉水中總溶解 HS- 分析 13-2-6 溫泉水中 Fe2+ 與 Fe total 分析 14-2-7 溫泉中沉積物礦物相分析 14-3 氣體化學分析 14-3-1 氣瓶準備工作 14-3-2 採集氣體方法 15-3-3 溫泉水中溶解氣體分析 15-3-3-1 標準氣體配置 16-3-3-2 檢量線測定 16-3-4 溶解氣體濃度計算與校正 19-3-4-1 溶解氣體濃度測量 19-3-4-2 溶解氣體濃度計算 19-4 熱力學原理與自由能計算 23-4-1 熱力學基本原理介紹 23-4-2 化學反應自由能計算 24-4-3 化學反應方程式選擇 25-4-4 Geochemist''s Workbench軟體應用 25-4-4-1 推定穩定存在礦物相 26-4-4-2 溫泉水樣之反應自由能計算 31-5 化學反應之能量通量原理與計算 35-5-1 能量通量基本原理 35-5-2 能量通量計算 36-5-3 微生物能量通量需求計算與微生物數量評估 38三章 結果 40-1 溫泉水陰陽離子分析 40-1-1 溫泉水陽離子分析結果 40-1-1-1 北台灣溫泉水主要陽離子分析結果 40-1-1-2 東台灣主要陽離子分析結果 43-1-1-3 南台灣主要陽離子分析結果 43-1-2 主要陰離子分析結果 46-1-2-1 北台灣溫泉水陰離子分析結果 46-1-2-2 台灣東部溫泉水陰離子分析結果 49-1-2-3 台灣南部溫泉水陰離子分析結果 49-1-3 有機酸分析結果 51-1-3-1 溫泉水中甲酸濃度 51-1-3-2 溫泉水中乙酸濃度 52-1-3-2 溫泉水中丙酸濃度 52-1-4 總溶解有機碳分析結果 53-1-5 礦物相分析結果 54-1-5-1 X光繞射分析鑑定 54-1-5-2 溫泉水中穩定礦物相模擬結果 54-2 溫泉水中溶解氣體濃度分析結果 55-2-1 溫泉水中溶解之 O2、N2 55-2-2 溫泉水中溶解之 H2 56-2-3 溫泉水中溶解之 CH4、C2H6、C3H8 57-2-3-1 北部溫泉水中 CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度 57-2-3-2 東部、南部溫泉水中CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度 58-3 自由能計算結果 59-3-1 北台灣溫泉之化學反應自由能計算結果 59-3-2 東台灣與南台灣溫泉之化學反應自由能計算結果 62-4 能量通量計算結果 65-4-1 北台灣溫泉之化學反應的能量通量計算結果 65-4-2 東台灣與南台灣溫泉之化學反應的能量通量計算結果 67四章 討論 69-1 微生物可能使用的代謝途徑 69-1-1 非自發性化學反應 73-1-2 自發性化學反應 76-2 反應自由能之大小關係與區域上的變化 79-2-1 北台灣溫泉 79-2-2 東台灣溫泉 80-2-3 南台灣溫泉 80-3 熱力學在分子生物分析與微生物培養研究上的印證 81-3-1 北部溫泉 ─ 磺山 82-3-2 北部溫泉 ─ 龍鳳谷 82-3-3 北部溫泉 ─ 硫磺谷 83-3-4 北部溫泉 ─ 富源 84-3-5 北部溫泉 ─ 磺港 85-3-6 北部溫泉 ─ 小油坑 86-3-7 東部溫泉 ─ 紅葉 87-3-8 南部溫泉 ─ 新養女湖Ⅱ 87-3-9 南部溫泉 ─ 關仔嶺 87-4 溫度、化學物種濃度變化與自由能變化 88-4-1 北台灣溫泉 ─ 磺山 88-4-2 北台灣溫泉 ─ 龍鳳谷 92-4-3 北台灣溫泉 ─ 硫磺谷 95-4-4 北台灣溫泉 ─ 小油坑 96-4-5 東台灣溫泉 ─ 紅葉溫泉 102-4-6 南台灣溫泉 ─ 新養女湖Ⅱ 103-5 由能量通量討論微生物間之競爭關係 105-5-1 北台灣溫泉 ─ 磺山 105-5-2 北台灣溫泉 ─ 龍鳳谷 105-5-3 北台灣溫泉 ─ 硫磺谷 106-5-4 北台灣溫泉 ─ 富源 107-5-5 北台灣溫泉 ─ 磺港 107-5-6 北台灣溫泉 ─ 小油坑 108-5-7 東台灣溫泉 ─ 紅葉 108-5-8 南台灣溫泉 ─ 新養女湖Ⅱ 109-5-9 南台灣溫泉 ─ 關仔嶺 110五章 結論 111考文獻 112文部分 112文部分 118錄 119表一 化學反應與微生物代謝列表 119表二 溫泉水化學與溶解氣體濃度 125表三 溫泉中微生物可利用之礦物相 128表四 化學反應自由能 129表五 分子生物與微生物純化資料表 141表六 溫泉水化學反應自由能與通量 143目錄 2-1、本研究採樣地點。 12 2-2、採集氣體裝置示意圖。 15 2-3、化學反應自由能示意圖。 24 2-4、穩定礦物相圖。 30 2-5、化學物種pKa、溫度與pH值作圖。 31 2-6、能量通量示意圖。 36 3-1、北部溫泉水中陽離子濃度。 41 3-2、北部溫泉水之陽離子圓餅圖。 42 3-3、東部、南部溫泉中陽離子濃度。 44 3-4、東部、南部溫泉水之陽離子圓餅圖。 45 3-5、北部溫泉水中主要陰離子濃度。 46 3-6、北部溫泉水之主要陰離子圓餅圖。 48 3-7、東部、南部溫泉水中主要陰離子濃度。 49 3-8、東部、南部溫泉水之陰離子圓餅圖。 50 3-9、各溫泉水中甲酸濃度。 51 3-10、各溫泉水中乙酸濃度。 52 3-11、各溫泉水中丙酸濃度。 53 3-12、各溫泉水中DOC值。 53 3-13、各溫泉水中溶氧與溶氮濃度。 55 3-14、各溫泉水中溶解氫氣濃度。 56 3-15、北部各溫泉水中 CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度。 57 3-16、東部南部各溫泉水中 CH4(aq)、C2H6(aq)、C3H8(aq) 濃度。 58 3-17、北台灣溫泉之化學反應自由能計算結果。 62 3-18、東台灣與南台灣溫泉之化學反應自由能計算結果。 64 4-1、台灣熱泉系統之107個化學反應之自由能值。 78 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 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 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 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 4-6、龍鳳谷溫泉 ─ 丙酸與氧氣反應之自由能變化。 92 4-7、龍鳳谷溫泉 ─ 丙酸與氧氣反應之能量通量變化。 93 4-8、龍鳳谷溫泉 ─ 二價鐵與氧氣反應之自由能變化。 94 4-9、龍鳳谷溫泉 ─ 二價鐵與氧氣反應之能量通量變化。 94 4-10、硫磺谷溫泉 ─ 丙酸與元素硫反應之自由能變化。 95 4-11、硫磺谷溫泉 ─ 丙酸與元素硫反應之能量通量變化。 96 4-12、小油坑溫泉 ─ 元素硫與三價鐵之反應自由能變化。 97 4-13、小油坑溫泉 ─ 元素硫與三價鐵之反應能量通量變化。 98 4-14、小油坑溫泉 ─ 元素硫與氧氣之反應自由能變化。 99 4-15、小油坑溫泉 ─ 元素硫與氧氣之反應能量通量變化。 100 4-16、小油坑溫泉 ─ 甲酸與氧氣之反應自由能變化。 101 4-17、小油坑溫泉 ─ 甲酸與氧氣之反應能量通量變化。 101 4-18、紅葉溫泉 ─ 氫氣與氧氣反應之自由能變化。 102 4-19、紅葉溫泉 ─ 氫氣與氧氣反應之能量通量變化。 103 4-20、新養女湖Ⅱ ─ 氫氣與二氧化碳反應之自由能變化。 104 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目錄 2-1、台灣溫泉水化學與地質特徵。 11 2-2、各種標準氣體的成分、濃度、偵測器種類與管柱類型。 18 2-3、本研究所測量氣體之kHΘ與 -△solnH/R 列表。 20 2-4、活度係數計算公式列表。 27 2-5、各離子活度係數對照表。 27 2-6、陽明山地區溫泉水 pH值、Eh值、Fe2+與SO42-濃度範圍。 28 4-1、微生物最低自由能需求。 71 4-2、微生物能量通量需求。 72application/pdf2470482 bytesapplication/pdfen-US熱泉生態系統嗜熱微生物代謝作用自由能能量通量hydrothermal ecosystemthermophilic microorganismmetabolismfree energyenergy fluxthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/181229/1/ntu-98-R95241302-1.pdf