摘 要 由 於 人 類 對 海 洋 資 源 過 度 的 利 用, 天 然 海 洋 資 源 日 益 匱 乏, 今 後 唯 有 發 展 水 產 養 殖 才 能 彌 補 天 然 海 洋 資 源 的 不 足, 因 此 水 產 養 殖 為 明 日 之 星 為 了 友 善 環 境 和 永 續 的 經 營 水 產

中 華 民 國 第 52 屆 中 小 學 科 學 展 覽 會 作 品 說 明 書 高 中 組 生 物 ( 生 命 科 學 ) 科 040710 小 兵 立 大 功 - 利 用 微 藻 淨 化 養 殖 廢 水 學 校 名 稱 : 國 立 嘉 義 高 級 中 學 作 者 : 指 導 老 師 : 高 二 李 岳 儒 翁 惠 珍 高 二 黃 庭 威 高 二 林 鉅 量 關 鍵 詞 : 周 氏 扁 藻 水 質 淨 化 永 續 發 展

摘 要 由 於 人 類 對 海 洋 資 源 過 度 的 利 用, 天 然 海 洋 資 源 日 益 匱 乏, 今 後 唯 有 發 展 水 產 養 殖 才 能 彌 補 天 然 海 洋 資 源 的 不 足, 因 此 水 產 養 殖 為 明 日 之 星 為 了 友 善 環 境 和 永 續 的 經 營 水 產 養 殖, 水 資 源 的 再 利 用 是 一 項 重 要 的 課 題 本 研 究 探 討 和 比 較 三 種 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 和 三 種 海 洋 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 攝 取 效 率 在 三 種 大 型 藻 中 以 孔 石 蓴 對 氨 和 磷 酸 鹽 的 攝 取 效 率 為 最 高, 而 在 三 種 海 洋 微 藻 中, 則 以 周 氏 扁 藻 為 最 高 進 一 步 比 較 孔 石 蓴 和 周 氏 扁 藻 對 氨 和 磷 酸 鹽 的 攝 取 效 率, 則 發 現 周 氏 扁 藻 攝 取 的 效 率 遠 高 於 孔 石 蓴 若 以 周 氏 扁 藻 處 理 海 水 吳 郭 魚 養 殖 廢 水, 可 以 有 效 地 去 除 水 中 的 氨 和 磷 酸 鹽, 而 文 蛤 也 可 以 有 效 地 將 水 中 的 周 氏 扁 藻 濾 食, 因 此 利 用 海 洋 微 藻 去 除 水 中 的 氨 和 磷 酸 鹽, 再 以 貝 類 清 除 水 中 的 微 藻, 可 以 有 效 地 進 行 水 資 源 的 再 利 用 壹 研 究 動 機 一 度 造 成 綠 色 革 命 的 奇 蹟 麥 曾 在 印 度 締 造 傳 奇, 然 而 近 年 的 研 究 數 據 卻 不 留 情 地 戳 破 了 這 個 神 話, 乃 因 目 前 已 處 於 陸 上 糧 食 供 應 的 巔 峰 期, 前 景 已 然 不 樂 觀 海 洋 占 了 地 球 面 積 的 十 分 之 七, 海 洋 水 生 生 物 是 提 供 人 類 動 物 性 蛋 白 需 求 的 重 要 來 源 之 一 由 於 全 球 人 口 已 超 過 七 十 億, 人 類 對 海 洋 資 源 的 過 度 利 用, 使 得 天 然 的 海 洋 資 源 日 益 匱 乏, 於 是 養 殖 漁 業 便 成 為 未 來 供 應 人 類 動 物 性 蛋 白 的 新 希 望, 而 水 產 養 殖 的 生 物 將 排 出 大 量 的 代 謝 廢 物, 如 此 龐 大 的 代 謝 廢 物, 除 了 對 養 殖 生 物 產 生 毒 害 的 作 用, 排 入 環 境 也 將 對 環 境 造 成 種 種 負 面 的 影 響 為 了 友 善 環 境 和 永 續 的 經 營 水 產 養 殖, 探 討 水 資 源 的 再 利 用 是 一 項 重 要 的 課 題, 因 此 水 資 源 再 利 用 便 成 了 水 產 養 殖 永 續 發 展 的 必 要 條 件 近 日 已 有 許 多 文 蛤 養 殖 業 者 引 進 孔 石 蓴, 作 為 文 蛤 養 殖 魚 塭 設 施 的 一 部 份, 以 利 水 質 的 淨 化 雖 然 普 遍 認 為 孔 石 蓴 可 快 速 地 吸 收 池 水 中 的 氨, 然 而 其 對 磷 酸 鹽 的 吸 收 能 力 仍 不 清 楚 龍 鬚 菜 為 臺 灣 西 南 沿 海 魚 塭 常 見 的 大 型 海 藻, 漁 民 常 將 龍 鬚 菜 和 蟳 混 養, 龍 鬚 菜 具 有 淨 化 水 質 的 能 力, 而 養 殖 的 龍 鬚 菜 可 作 為 九 孔 的 餌 料 自 從 九 孔 減 產 後, 漁 民 成 功 地 將 龍 鬚 菜 推 廣 為 餐 桌 上 的 佳 餚 絲 藻 也 為 魚 塭 常 見 的 大 型 藻, 有 絲 藻 存 在 的 地 方, 普 遍 認 為 水 質 較 好, 因 此 絲 藻 也 具 有 淨 化 水 質 的 能 力 然 而 有 關 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 吸 收 氨 和 磷 酸 鹽 的 資 料 有 限 雖 然 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 具 有 淨 化 水 質 的 能 力, 然 而 龍 鬚 菜 和 孔 石 蓴 除 了 可 作 為 九 孔 的 餌 料 外, 其 再 利 用 的 價 值 有 限 前 幾 年, 水 產 試 驗 所 曾 將 絲 藻 開 發 作 為 茶 包, 然 而 由 於 其 味 道 的 關 係, 市 面 上 的 接 受 度 並 不 高, 因 此 其 利 用 性 也 有 限 相 對 於 這 些 大 型 海 藻, 目 前 養 殖 業 者 常 用 的 海 洋 微 藻, 如 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 也 具 有 水 質 淨 化 的 能 力, 同 時 因 淨 - 1 -

化 水 質 而 增 殖 的 微 藻, 也 有 多 種 的 用 途, 譬 如 可 作 為 魚 蝦 類 幼 苗 和 貝 類 的 餌 料, 可 萃 取 生 物 活 性 物 質, 也 可 作 為 生 質 能 源 的 材 料 雖 然 三 種 微 藻 吸 收 氨 的 效 率 已 被 探 討 和 比 較, 然 而 三 種 微 藻 對 磷 酸 鹽 吸 收 效 率 的 資 料 闕 如, 有 必 要 作 進 一 步 的 探 討 貳 研 究 目 的 魚 蝦 類 養 殖 產 生 大 量 的 含 氮 廢 物 和 少 量 的 磷 酸 鹽, 而 貝 類 養 殖 除 產 生 大 量 的 含 氮 廢 物 外, 也 會 產 生 大 量 的 磷 酸 鹽, 因 此 去 除 這 些 營 養 鹽 便 成 為 養 殖 廢 水 淨 化 的 指 標 本 研 究 擬 探 討 和 比 較 三 種 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 和 三 種 海 洋 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 效 率, 篩 選 適 合 的 藻 種 作 為 淨 化 水 質 的 對 象, 並 以 此 藻 種 探 討 對 養 殖 廢 水 的 淨 化 能 力 參 研 究 設 備 及 器 材 一 實 驗 器 材 分 光 光 度 計 (Spectrophotometer U-3000, Hitachi) 離 心 機 離 心 管 血 球 計 數 盤 顯 微 鏡 振 盪 器 微 量 吸 管 天 秤 水 浴 槽 抽 風 櫃 二 實 驗 用 生 物 ( 一 ) 龍 鬚 菜 (Gracilaria sp., 圖 1) 由 雲 林 縣 口 湖 鄉 李 先 生 提 供 ( 二 ) 絲 藻 (Chaetomorpha crassa, 圖 2) 和 海 水 吳 郭 魚 (Oreochromis mossambicus) 由 水 產 試 驗 所 海 水 繁 養 殖 中 心 台 西 試 驗 場 提 供 圖 1 龍 鬚 菜 (Gracilaria sp.) 圖 2 絲 藻 (Chaetomorpha crassa) 圖 3 孔 石 蓴 (Ulva pertusa) ( 三 ) 文 蛤 (Meretrix lusoria) 購 自 雲 林 縣 台 西 鄉 文 蛤 養 殖 戶 ( 四 ) 孔 石 蓴 (Ulva pertusa, 圖 3) 由 雲 林 縣 麥 寮 鄉 呂 主 席 提 供 ( 五 ) 三 種 微 藻 周 氏 扁 藻 (Tetraselmis chui, 圖 4) 等 鞭 金 藻 (Isochrysis aff. galbana, 圖 5) 和 擬 球 藻 (Nannochloropsis oculata, 圖 6) 由 水 產 試 驗 所 海 洋 生 物 技 術 中 心 提 供 - 2 -

三 藥 品 圖 4 周 氏 扁 藻 (Tetraselmis chui) ( 一 ) 人 工 海 水 圖 5 等 鞭 金 藻 (Isochrysis aff. galbana) 圖 6 擬 球 藻 (Nannochloropsis oculata) 配 製 25 的 人 工 海 水 ( 如 附 表 1) 時, 將 25 公 克 的 海 水 素 溶 解 於 一 公 升 曝 氣 的 自 來 水 中 海 水 素 購 自 德 國 的 Meersaltz 品 牌 ( 二 ) 韋 因 培 養 液 韋 因 培 養 液 的 配 製 如 ( 如 附 表 2), 原 始 的 韋 因 培 養 液 含 有 硝 酸 鈉 和 磷 酸 鈉, 為 了 探 討 這 些 藻 類 對 氨 的 吸 收 效 率, 因 此 將 原 來 的 硝 酸 鈉 和 磷 酸 鈉 的 成 分 刪 除, 以 額 外 補 充 的 方 式 為 之 ( 三 ) 水 中 磷 酸 鹽 測 定 所 需 的 藥 品 1.Ammonium molybdate 溶 液 : 取 (NH4)6Mo7O24 4H2O 15 g 溶 於 500 ml 蒸 餾 水 貯 存 於 塑 膠 瓶, 避 免 陽 光 照 射 可 永 久 安 定 2.Ascorbic acid 溶 液 : 取 27 g ascorbic acid 溶 解 於 500 ml 蒸 餾 水 ( 最 好 使 用 Merck 出 品 者,ascorbic acid 容 易 受 氧 化 變 質 而 失 去 還 原 能 力 ) 3. 硫 酸 溶 液 : 取 140 ml 濃 硫 酸 加 900 ml 蒸 餾 水 稀 釋 4.Potassium antimonyl tartrate 溶 液 : 取 0.34 g potassium antimonyl tartrate( 酒 石 酸 銻 鉀 C8H6K2O13Sb2, 有 毒 ) 溶 解 於 250 ml 蒸 餾 水, 保 存 於 玻 璃 瓶 或 塑 膠 瓶 可 長 久 安 定 5. 還 原 混 合 試 液 : 取 120 ml ammonium molybdate 溶 液,300 ml 硫 酸 溶 液,120 ml ascorbic acid 溶 液 及 60 ml potassium antimonyl tartrate 溶 液, 混 合 均 勻, 不 要 放 置 超 過 6 小 時 ( 使 用 時 再 配 置 ) ( 四 ) 水 中 氨 氮 測 定 所 需 的 藥 品 1.Phenol-Alcohol: 取 11.1 ml 液 態 酚, 以 95%(v/v) 乙 醇 混 合 至 最 終 體 積 100 ml 每 週 製 備 Phenol 取 用 時, 先 進 行 隔 水 加 熱 待 其 溶 解 後 再 取 用 2.0.5% Sodium nitroprusside solution: 取 1.5 g 的 sodium nitroprusside(na2fe(cn)5no Mr=261.95), 溶 解 成 300 ml 的 0.5% sodium nitroprusside solution - 3 -

此 溶 液 需 儲 存 於 暗 色 瓶 中, 可 保 存 1 個 月 3.Alkaline solution: 取 100 g trisodium citrate(c6h5na3o7 Mr=294.1) 及 5 g 的 NaOH, 用 二 次 蒸 餾 水 溶 解 成 500 ml 的 alkaline solution 4.Sodium Hypochlorite solution: 有 效 氯 須 為 5% 以 上 5. 氧 化 還 原 試 劑 : 將 NO.4(sodium hypochlorite solution) 與 NO.3(alkaline solution) 以 1:4 的 比 例 混 合 使 用 前 才 配 此 溶 液 6.NH4Cl 儲 備 液 : 取 NH4Cl 3.82 g( 在 105 中 烘 乾 2 小 時 ), 用 二 次 蒸 餾 水 溶 解 成 1000 ml 的 1000 ppm NH4Cl-N solution 肆 研 究 過 程 或 方 法 一 比 較 大 型 藻 和 海 洋 微 藻 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 效 率 ( 一 ) 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 實 驗 1. 採 回 的 大 型 藻, 先 在 25 的 人 工 海 水 中 馴 養 一 週 ( 圖 7-1) 大 型 藻 培 養 液 的 配 製, 在 每 公 升 25 的 人 工 海 水 中 添 加 0.1 ml 貯 備 液 A 作 為 補 充 微 量 元 素 用 和 添 加 最 終 濃 度 為 3 mm Tris, ph 7.5 作 為 穩 定 水 質 用 另 外 分 別 添 加 最 終 濃 度 為 16 ppm 和 4 ppm 的 NH4 + -N 和 PO4-3 -P, 將 配 好 的 培 養 液 置 入 三 角 錐 瓶 中, 然 後 滅 菌 2. 將 10 克 龍 鬚 菜 置 入 滅 菌 過 含 有 培 養 液 1 公 升 的 三 角 錐 瓶 中, 再 添 加 0.1 ml 的 貯 備 液 C, 三 重 複 ( 圖 7-2) 3. 將 2 克 絲 藻 置 入 滅 菌 過 含 有 培 養 液 1 公 升 的 三 角 錐 瓶 中, 再 添 加 0.1 ml 的 貯 備 液 C, 三 重 複 ( 圖 7-3) 4. 將 2 克 孔 石 蓴 置 入 滅 菌 過 含 有 培 養 液 的 三 角 錐 瓶 中, 再 添 加 0.1 ml 的 貯 備 液 C, 三 重 複 ( 圖 7-4) 5. 培 育 溫 度 控 制 為 25 2, 光 照 度 為 9000 lux, 打 氣 量 為 3 L/min 藻 類 乾 重 的 測 定 則 以 105 烘 乾 至 恆 重 為 止 培 養 24 小 時 後, 測 定 培 養 液 中 殘 留 的 氨 和 磷 酸 鹽 ( 圖 7-5) - 4 -

採 回 藻 類 馴 化 圖 7-2 10 克 龍 鬚 菜 置 於 1 公 升 三 角 錐 瓶 中, 三 重 複 圖 7-1 將 採 回 之 大 型 藻 置 於 人 工 海 水 中 馴 化 一 週 圖 7-3 2 克 絲 藻 置 於 1 公 升 三 角 錐 瓶 中, 三 重 複 圖 7-5 培 養 24 小 時 後, 測 定 培 養 液 中 殘 留 的 氨 和 磷 酸 鹽 磷 酸 鹽 圖 7-3 2 克 孔 石 蓴 置 於 1 公 升 三 角 錐 瓶 中, 三 重 複 氨 圖 7 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 實 驗 流 程 示 意 圖 ( 二 ) 海 洋 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 實 驗 1. 取 回 的 藻 種 各 以 2 ml 分 別 接 種 於 18 ml 的 韋 因 培 養 液 中 保 種, 鹽 度 為 25 溫 度 為 20 1 側 面 光 照 度 為 500 lux( 以 Digital Lux Meter, DX-100), 連 續 照 光 ( 圖 8-1) 實 驗 用 培 養 液 的 配 製 如 大 型 藻 所 用 的 培 養 液, 培 養 條 件 亦 與 大 型 藻 同 2. 取 20 ml 的 藻 種 接 種 於 含 有 180 ml 韋 因 培 養 液 的 250 ml 三 角 錐 瓶 中 搖 晃 培 養, 當 三 角 錐 瓶 中 的 藻 類 生 長 至 OD750 nm 0.2~0.3 時, 再 以 1:10 比 例 接 至 1000 ml 三 角 錐 - 5 -

瓶 中 打 氣 培 養 ( 打 氣 強 度 為 3 L/min), 光 照 度 為 9000 lux, 連 續 照 光, 培 養 至 對 數 生 長 中 期 (OD750nm 0.5~0.6), 此 即 為 實 驗 用 藻 種 實 驗 開 始 時, 周 氏 扁 藻 ( 圖 8-2) 等 鞭 金 藻 ( 圖 8-3) 和 擬 球 藻 ( 圖 8-4) 的 起 始 濃 度 分 別 為 1 10 5 1 10 6 和 2 10 6 cells/ml 3. 每 隔 24 小 時, 採 樣 測 微 藻 藻 數 氨 和 磷 酸 鹽 的 含 量 ( 圖 8-5) 圖 8-1 藻 種 準 備 圖 8-2 周 氏 扁 藻 在 1 公 升 三 角 錐 瓶 中 培 養, 三 重 複 圖 8-5 每 隔 24 小 時, 採 樣 測 微 藻 藻 數 氨 和 磷 酸 鹽 的 含 量 圖 8-3 等 鞭 金 藻 在 1 公 升 三 角 錐 瓶 中 培 養, 三 重 複 氨 磷 酸 鹽 圖 8-4 擬 球 藻 在 1 公 升 三 角 錐 瓶 中 培 養, 三 重 複 血 球 計 數 盤 計 算 藻 數 圖 8 海 洋 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 實 驗 流 程 示 意 圖 - 6 -

二 以 周 氏 扁 藻 淨 化 海 水 吳 郭 魚 養 殖 用 水 ( 一 ) 試 驗 用 海 水 吳 郭 魚 的 平 均 體 重 為 10±0.2 g, 將 30 尾 吳 郭 魚 蓄 養 在 500 公 升 的 FRP 桶 中, 每 日 投 餵 魚 體 重 3% 的 通 寶 牌 鰻 魚 浮 性 飼 料, 在 蓄 養 期 間 給 予 充 分 的 打 氣, 飼 養 溫 度 為 25, 鹽 度 為 25, 每 日 採 水 測 氨 和 磷 酸 鹽 的 含 量 飼 料 的 成 分 為 粗 蛋 白 質 45% 粗 脂 肪 3% 粗 灰 分 16.5% 粗 纖 維 1.2% 和 水 分 11 % ( 二 ) 當 水 中 氨 - 氮 的 含 量 達 7 ppm 時, 取 50 公 升 經 1 m 濾 心 過 濾 水 質 後, 置 入 兩 個 藻 類 培 養 缸 (15 60 40 cm)( 圖 9-1), 每 個 培 養 缸 加 入 3.5 公 升 的 周 氏 扁 藻 ( 圖 9-2), 起 始 濃 度 為 1 10 5 cells/ml 每 隔 適 當 時 間 採 水, 測 量 微 藻 藻 數 氨 和 磷 酸 鹽 的 含 量 光 照 度 為 9000 lux,24 小 時 照 光, 打 氣 強 度 為 5 L/min, 溫 度 為 25 ( 三 ) 當 藻 類 培 養 缸 水 中 氨 - 氮 的 濃 度 為 0 時, 將 120 粒 文 蛤 (14 1.2 g) 置 入 其 中 一 缸 濾 食 藻 類, 兩 小 時 後 撈 出, 再 置 入 另 一 批 120 粒 文 蛤, 繼 續 濾 食 藻 類 三 小 時 ( 圖 9-3 9-4 9-5) ( 四 ) 每 隔 適 當 時 間 採 水, 測 量 微 藻 藻 數 氨 和 磷 酸 鹽 的 含 量 圖 9-1 經 初 步 過 濾 的 吳 郭 魚 養 殖 廢 水 圖 9-2 加 入 3.5 公 升 起 始 濃 度 為 1 10 5 cells/ml 之 周 氏 扁 藻 圖 9-5 左 缸 水 已 經 過 文 蛤 濾 食, 右 缸 水 則 無 圖 9-4 濾 食 中 的 文 蛤 圖 9-3 已 去 除 氨 但 未 經 濾 食 的 藻 水 圖 9 以 周 氏 扁 藻 淨 化 海 水 吳 郭 魚 養 殖 用 水 流 程 圖 三 水 質 檢 測 方 法 ( 一 ) 氨 - 氮 (ammonia-n) 的 測 定 水 中 氨 - 氮 濃 度 的 分 析 參 考 陳 (1981) 的 phenol hypochlorite 法, 其 原 理 為 氨 在 鹼 性 環 境 - 7 -

中 會 與 phenol 反 應 生 成 indophenol blue, 此 呈 色 效 果 在 sodium nitroprusside 存 在 下 更 顯 著 取 離 心 (12000 rpm 10 min, 4 ) 之 試 水 2 ml 與 0.08 ml 的 phenol-alcohol 均 勻 混 合, 再 加 入 0.08 ml 的 0.5% sodium nitroprusside 及 0.2 ml 的 氧 化 還 原 試 劑, 充 分 混 合 後, 在 室 溫 22-27 下 靜 置 1 小 時 後, 以 分 光 光 度 計 測 量 波 長 640 nm 的 吸 光 值, 並 以 NH4Cl 配 製 成 不 同 氨 - 氮 濃 度 ( 圖 10-1) 並 製 作 檢 量 線 ( 圖 10-2), 推 算 試 水 中 氨 - 氮 的 濃 度 待 測 樣 本 吸 光 值 濃 度 (ppb) 圖 10-1 以 NH4Cl 配 製 成 不 同 氨 - 氮 濃 度 圖 10-2 由 檢 量 線 推 測 出 待 測 樣 本 之 氨 - 氮 濃 度 ( 二 ) 磷 酸 鹽 - 磷 的 測 定 水 中 磷 酸 鹽 - 磷 濃 度 的 分 析 參 考 陳 (1981) 的 Molybdenum blue-ascorbic acid 法, 其 原 理 為 過 濾 試 水 中 的 磷 酸 鹽 在 酸 性 溶 液 中 與 ammonium molybdate 反 應 形 成 ammonium phosphomolybdate complex( 磷 鉬 酸 銨 ), 其 在 ascorbic acid 之 存 在 下, 被 還 原 成 molybdenum blue, 用 分 光 光 度 計 以 波 長 885 nm 測 定 之 ( 圖 11-1 圖 11-2) 待 測 樣 本 吸 光 值 濃 度 (ppb) 圖 11-1 以 KH2PO4 配 製 成 不 同 磷 酸 鹽 - 磷 濃 度 圖 11-2 由 檢 量 線 推 測 出 待 測 樣 本 之 磷 酸 鹽 - 磷 濃 度 ( 三 ) 微 藻 藻 數 的 計 算 以 血 球 計 數 盤 (Neubauer chamber) 計 數, 計 算 方 法 如 陳 (2006) 所 述 - 8 -

伍 研 究 結 果 與 分 析 一 比 較 大 型 藻 和 海 洋 微 藻 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 效 率 ( 一 ) 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 實 驗 圖 12A 與 B 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 攝 取 氨 (A) 和 磷 酸 鹽 (B) 的 情 形 圖 12A 顯 示 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 攝 取 水 中 氨 的 情 形 控 制 組 的 實 驗 條 件 和 實 驗 組 相 同, 有 打 氣 和 照 光, 但 沒 有 實 驗 生 物, 控 制 組 的 氨 - 氮 濃 度 由 第 0 天 的 13 ppm 下 降 至 第 1 天 的 11.83 ppm, 一 天 下 降 的 幅 度 約 為 最 初 濃 度 的 9%, 因 此 氨 - 氮 消 失 量 扣 除 最 初 濃 度 的 9% 即 為 實 驗 組 生 物 氨 - 氮 的 攝 取 量 絲 藻 和 孔 石 蓴 可 快 速 地 攝 取 氨, 經 過 一 天 的 培 養, 水 中 的 氨 - 氮 濃 度 快 速 地 分 別 由 14 和 15.2 ppm 降 至 3.55 和 3.23 ppm, 由 此 推 知 絲 藻 和 孔 石 蓴 氨 - 氮 的 攝 取 量 分 別 為 9.19 和 10.6 mg; 然 而 龍 鬚 菜 攝 取 氨 的 能 力 顯 著 地 較 絲 藻 和 孔 石 蓴 為 差, 經 過 一 天 的 培 養, 龍 鬚 菜 僅 能 攝 取 3.81 mg 的 氨 - 氮 - 9 -

圖 12B 顯 示 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 攝 取 水 中 磷 酸 鹽 的 情 形 控 制 組 磷 酸 鹽 - 磷 的 濃 度 由 第 0 天 的 3.92 ppm 下 降 至 第 1 天 的 3.90 ppm, 下 降 的 幅 度 低 於 1%, 所 以 因 非 生 物 性 因 素 而 損 耗 的 量, 可 以 忽 略 不 計 此 三 種 大 型 藻 類 對 磷 酸 鹽 的 攝 取 量 並 不 大, 經 過 一 天 的 培 養, 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 分 別 攝 取 0.28 mg 0.76 mg 0.49 mg 的 磷 酸 鹽 - 磷, 其 中 絲 藻 的 攝 取 率 最 為 快 速, 甚 至 比 龍 鬚 菜 高 出 2 倍 多 圖 13 大 型 藻 ( 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 ) 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 每 日 的 比 攝 取 量 圖 13 顯 示 龍 鬚 菜 絲 藻 和 孔 石 蓴 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 每 日 的 比 攝 取 量 (specific uptake, 攝 取 量 (mg)/ 乾 重 (g)) 由 於 絲 藻 和 孔 石 蓴 作 為 實 驗 的 量 為 2 克 濕 重, 然 而 龍 鬚 菜 卻 為 10 克 濕 重, 因 此 將 攝 取 量 轉 換 為 比 攝 取 量, 龍 鬚 菜 的 攝 取 效 率 就 遠 小 於 絲 藻 和 孔 石 蓴 其 中 孔 石 蓴 氨 - 氮 的 比 攝 取 量 高 達 38.8 mg/g 乾 重 / 天, 顯 著 地 高 於 絲 藻 的 21.3 mg/g 乾 重 / 天 和 龍 鬚 菜 的 1.89 mg/g 乾 重 / 天 ; 而 三 種 大 型 藻 對 磷 酸 鹽 - 磷 的 比 攝 取 量, 則 以 孔 石 蓴 的 1.8 mg/g 乾 重 / 天 和 絲 藻 的 1.74 mg/g 乾 重 / 天 為 最 大, 而 以 龍 鬚 菜 的 0.14 mg/g 乾 重 / 天 為 最 低 - 10 -

( 二 ) 海 洋 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 實 驗 圖 14A B 與 C 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 攝 取 氨 (A) 和 磷 酸 鹽 (B) 以 及 微 藻 增 殖 (C) 的 情 形 - 11 -

圖 14A 顯 示 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 攝 取 水 中 氨 的 情 形 三 種 微 藻 中 以 周 氏 扁 藻 對 氨 的 攝 取 效 率 最 佳 經 過 培 養 一 天, 可 吸 收 58% 的 氨, 經 過 兩 天 的 培 養 即 可 吸 收 水 中 全 部 的 氨 而 擬 球 藻 氨 的 攝 取 效 率 是 三 種 微 藻 中 最 低, 經 過 兩 天 的 培 養, 水 中 尚 殘 留 20% 的 氨 圖 14B 顯 示 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 攝 取 水 中 磷 酸 鹽 的 情 形 三 種 微 藻 中 以 周 氏 扁 藻 對 磷 酸 鹽 的 攝 取 效 率 最 佳 經 過 二 天 的 培 養, 可 吸 收 96% 的 磷 酸 鹽, 然 而 等 鞭 金 藻 僅 可 攝 取 64%, 而 擬 球 藻 僅 可 攝 取 26% 雖 然 擬 球 藻 在 第 三 天 培 養 的 攝 取 率 高 於 周 氏 扁 藻 和 等 鞭 金 藻, 然 而 擬 球 藻 在 培 養 結 束 後, 水 中 仍 殘 留 25% 的 磷 酸 鹽, 因 此 擬 球 藻 對 磷 酸 鹽 攝 取 的 效 率 為 三 種 微 藻 中 最 低 圖 14C 顯 示 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 增 殖 的 情 形 三 種 微 藻 大 小 的 順 序 為 周 氏 扁 藻 > 等 鞭 金 藻 > 擬 球 藻, 其 每 個 細 胞 的 乾 重 分 別 為 370 pg, 40 pg 和 10 pg(chen et al., 2012), 由 於 周 氏 扁 藻 的 細 胞 最 大, 因 此 其 初 始 細 胞 濃 度 9.8 10 4 cells /ml 為 最 低, 而 擬 球 藻 初 始 細 胞 濃 度 194 10 4 cells/ml 為 最 高 經 過 三 天 的 培 養, 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 的 細 胞 濃 度 分 別 為 200 10 4 cells/ml 1180 10 4 cells/ml 和 4454 10 4 cells/ml 由 圖 14A 發 現 經 過 二 天 的 培 養, 水 中 氨 已 被 攝 取 完, 然 而 由 圖 14C 發 現 周 氏 扁 藻 細 胞 濃 度 由 培 養 二 天 的 142 10 4 cells /ml 增 加 至 培 養 三 天 的 200 10 4 cells/ml 圖 15 微 藻 ( 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 ) 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 首 日 的 比 攝 取 量 圖 15 顯 示 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 首 日 的 比 攝 取 量 周 氏 扁 藻 擬 球 藻 和 等 鞭 金 藻 氨 - 氮 的 比 攝 取 量 分 別 為 241 205 和 138 mg/g 乾 重 / 天, 以 周 氏 扁 藻 氨 - 氮 的 比 攝 取 量 為 最 大 而 周 氏 扁 藻 等 鞭 金 藻 和 擬 球 藻 對 磷 酸 鹽 - 磷 的 比 攝 取 量 分 別 為 40.5 31.1 和 12.4 mg/g 乾 重 / 天, 其 大 小 順 序 為 周 氏 扁 藻 > 等 鞭 金 藻 > 擬 球 藻 因 此 三 種 微 藻 中, 以 周 氏 扁 - 12 -

藻 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 比 攝 取 量 為 最 佳 ( 三 ) 比 較 大 型 藻 和 海 洋 微 藻 對 氨 和 磷 酸 鹽 吸 收 的 效 率 圖 16 周 氏 扁 藻 和 孔 石 蓴 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 首 日 比 攝 取 量 圖 16 比 較 周 氏 扁 藻 和 孔 石 蓴 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 首 日 比 攝 取 量, 周 氏 扁 藻 對 水 中 氨 的 首 日 比 攝 取 量 約 為 孔 石 蓴 的 6.2 倍, 而 對 磷 酸 鹽 的 首 日 比 攝 取 量 約 為 孔 石 蓴 的 22.5 倍 本 研 究 繼 續 以 周 氏 扁 藻 處 理 海 水 吳 郭 魚 所 產 生 的 養 殖 廢 水, 探 討 周 氏 扁 藻 去 除 廢 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 效 率 - 13 -

二 以 周 氏 扁 藻 淨 化 海 水 吳 郭 魚 養 殖 用 水 圖 17 周 氏 扁 藻 去 除 海 水 吳 郭 魚 所 產 生 廢 水 的 氨 和 磷 酸 鹽 以 及 文 蛤 濾 食 微 藻 的 效 率 圖 17 顯 示 周 氏 扁 藻 去 除 海 水 吳 郭 魚 所 產 生 養 殖 廢 水 的 氨 和 磷 酸 鹽 以 及 文 蛤 濾 食 微 藻 的 效 率 將 吳 郭 魚 養 在 半 噸 桶 的 海 水 中, 水 中 的 氨 - 氮 和 磷 酸 鹽 - 磷 分 別 由 剛 開 始 的 1.06 ppm 和 0.22 ppm 上 升 至 飼 養 6 天 的 6.41 ppm 和 1.08 ppm 此 時 加 入 周 氏 扁 藻, 經 過 0.71 天 的 培 養, 水 中 的 氨 - 氮 和 磷 酸 鹽 - 磷 分 別 降 至 1.99 ppm 和 0.62 ppm, 再 經 1 天 的 培 養, 氨 - 氮 和 磷 酸 鹽 - 磷 分 別 降 至 0 ppm 和 0.07 ppm 然 而 周 氏 扁 藻 濃 度 則 由 9.8 10 4 cells/ml 增 加 至 51.1 10 4 cells/ml 此 時 置 入 文 蛤 濾 清 水 中 的 藻 類, 經 過 5 個 小 時, 藻 類 濃 度 由 51.1 10 4 cells/ml 降 至 13.1 10 4 cells/ml, 此 時 水 中 氨 - 氮 和 磷 酸 鹽 - 磷 的 濃 度 分 別 為 0 ppm 和 0.11 ppm, 顯 示 本 處 理 系 統 可 達 淨 化 水 質 的 目 的 - 14 -

陸 討 論 一 水 產 養 殖 的 重 要 性 : ( 一 ) 目 前 世 界 人 口 正 以 一 分 鐘 140 人 一 日 20 萬 人 一 年 7 千 3 百 萬 人 的 速 率 成 長, 總 人 口 數 已 超 過 70 億, 但 其 中 至 少 還 有 17% 的 人 口 仍 面 臨 飢 餓 與 營 養 不 良 等 問 題 ( 二 ) 隨 著 人 類 無 節 制 的 耕 種 放 牧 濫 砍 濫 伐 森 林 與 工 業 的 發 展, 氣 候 益 趨 惡 劣, 荒 漠 化 的 面 積 逐 漸 擴 大, 土 地 肥 沃 轉 趨 貧 瘠, 生 產 力 一 日 不 復 一 日 ( 三 ) 在 地 球 面 積 中, 陸 地 只 占 少 部 分, 可 耕 地 更 受 到 環 境 與 地 形 的 限 制 相 對 地, 佔 地 表 面 積 71% 的 海 洋, 蘊 藏 200 萬 種 以 上 生 物 的 廣 袤 海 洋, 儼 然 一 座 耀 眼 的 金 山 ( 四 ) 然 而 過 度 開 發 海 洋 資 源, 已 造 成 漁 源 枯 竭, 所 以 為 了 分 散 漁 業 發 展 對 海 洋 造 成 的 環 境 壓 力, 水 產 養 殖 無 疑 是 最 佳 辦 法 二 水 產 養 殖 的 困 境 : ( 一 ) 儘 管 水 產 養 殖 有 諸 多 優 點, 其 缺 點 亦 不 容 忽 視 目 前, 最 嚴 重 的 莫 過 於 水 資 源 的 過 度 利 用 在 年 雨 量 變 率 大 的 台 灣, 每 逢 秋 冬 時 有 缺 水 的 狀 況 而 水 產 養 殖 業 需 耗 費 大 量 的 水 資 源, 為 節 省 成 本, 不 少 漁 民 以 抽 取 地 下 水 來 維 持 魚 塭 乾 淨 的 水 質, 然 而 過 度 地 超 抽 地 下 水 資 源 已 造 成 地 層 下 陷 等 問 題, 也 造 成 環 境 的 破 壞 與 污 染, 為 求 永 續 發 展, 勢 必 發 展 水 資 源 循 環 再 利 用 的 系 統, 而 顯 然 地, 生 物 性 的 方 法 會 是 解 決 生 物 性 汙 染 的 最 佳 辦 法 三 生 物 性 淨 化 方 法 : ( 一 ) 在 探 討 三 種 大 型 藻 類 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 攝 取 的 情 形 時, 為 了 和 後 續 海 洋 微 藻 作 比 較, 因 此 採 用 4 ppm 的 磷 酸 鹽 - 磷 為 起 始 濃 度, 然 而 因 大 型 藻 對 磷 酸 鹽 的 吸 收 效 率 低, 因 此 在 實 驗 的 第 三 天 以 後, 培 養 液 都 會 呈 現 混 濁 狀, 而 磷 酸 鹽 的 濃 度 也 會 大 幅 度 地 下 降, 顯 然 地 微 生 物 已 大 量 繁 殖, 在 進 行 龍 鬚 菜 的 實 驗 時, 甚 至 部 分 的 實 驗 在 第 二 天 即 混 濁, 因 此 在 無 奈 的 情 形 下, 本 實 驗 僅 比 較 培 養 第 一 天 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 的 攝 取 量 ( 二 ) 由 比 較 三 種 微 藻 吸 收 氨 的 實 驗 發 現 周 氏 扁 藻 在 初 期 即 吸 收 大 部 分 的 氨, 使 培 養 液 中 的 氨 濃 度 大 幅 地 降 低, 而 往 後 在 此 低 氨 濃 度 的 環 境 中 卻 依 然 能 夠 以 穩 定 的 速 率 持 續 增 殖 由 此 可 推 論 周 氏 扁 藻 在 培 養 初 期 所 攝 取 的 氨 儲 存 在 細 胞 內, 因 此 當 環 境 中 已 缺 氨, 細 胞 仍 能 增 殖, 等 鞭 金 藻 也 有 類 似 的 現 象 四 展 望 ( 一 ) 依 本 實 驗 的 結 果, 可 設 計 出 一 套 魚 蝦 類 周 氏 扁 藻 文 蛤 循 環 養 殖 的 系 統 將 魚 蝦 類 養 殖 池 中 的 池 水 以 適 當 的 流 量 輸 入 藻 類 池 中, 然 後 添 加 周 氏 扁 藻, 適 當 的 打 氣 和 照 光 一 段 時 間, 使 周 氏 扁 藻 充 分 吸 收 水 中 營 養 鹽, 當 水 體 藻 色 逐 漸 變 濃, 水 中 營 養 鹽 濃 度 顯 著 地 下 降 時, 便 可 將 藻 水 以 適 當 的 流 速 引 至 文 蛤 養 殖 池, 讓 文 蛤 充 分 地 攝 食 水 - 15 -

中 的 藻 類, 當 池 水 水 色 逐 漸 澄 清 後, 再 將 文 蛤 池 池 水 引 至 魚 蝦 類 的 養 殖 池 充 分 地 循 環 利 用 水 資 源, 而 在 此 過 程 中 所 生 產 的 文 蛤 亦 可 銷 至 市 場, 增 加 經 濟 效 益 ( 二 ) 本 實 驗 僅 探 討 以 生 物 性 方 法 解 決 生 物 性 的 水 汙 染, 期 待 未 來 能 夠 將 生 物 性 方 法 應 用 於 工 業 廢 水 等 非 生 物 性 水 汙 染 的 淨 化, 期 望 如 此 能 達 到 與 自 然 和 平 共 處 永 續 發 展 等 目 的, 共 同 維 護 唯 一 的 地 球 柒 結 論 一 三 種 大 型 藻 對 氨 比 攝 取 量 大 小 的 順 序 為 孔 石 蓴 > 絲 藻 > 龍 鬚 菜 ; 而 對 磷 酸 鹽 的 比 攝 取 量 大 小 的 順 序 為 孔 石 蓴 = 絲 藻 > 龍 鬚 菜 二 三 種 微 藻 對 氨 比 攝 取 量 大 小 的 順 序 為 周 氏 扁 藻 > 擬 球 藻 > 等 鞭 金 藻 ; 而 對 磷 酸 鹽 比 攝 取 量 大 小 的 順 序 為 周 氏 扁 藻 > 等 鞭 金 藻 > 擬 球 藻 三 在 本 實 驗 所 探 討 的 大 型 藻 和 微 藻 中, 對 水 中 氨 和 磷 酸 鹽 去 除 效 率 最 佳 的 為 周 氏 扁 藻 四 周 氏 扁 藻 能 夠 有 效 地 去 除 吳 郭 魚 養 殖 用 水 中 的 氨 和 磷 酸 鹽, 而 且 文 蛤 也 能 有 效 地 濾 清 水 中 的 藻 類, 使 水 資 源 能 夠 循 環 再 利 用 捌 參 考 資 料 及 其 他 一 陳 建 初,1981 水 質 分 析, 九 大 圖 書 公 司,102-103 基 隆 市 二 陳 明 耀,1997 生 物 餌 料 培 養, 第 316-318 頁 水 產 出 版 社, 基 隆 市 三 蘇 惠 美,1999 餌 料 生 物 之 培 養 與 利 用, 台 灣 省 水 產 試 驗 所 東 港 分 所, 屏 東 四 李 安 進 陳 淑 美 合 譯 (2000) 第 八 章 海 洋 生 物 技 術 生 物 科 技 概 論 ( 翁 秉 霖 鄭 信 男 邱 華 賢 編 譯 ) 學 富 文 化 事 業 有 限 公 司 五 陳 士 元 黃 獻 龍 李 安 進 (2005) 培 養 液 藻 種 生 長 階 段 和 接 種 體 積 對 周 氏 扁 藻 成 長 的 影 響 中 華 生 質 能 源 學 會 會 誌 24, 19-26 六 陳 士 元 (2006) 周 氏 扁 藻 吸 收 氨 - 氮 效 率 及 其 應 用 於 循 環 系 統 的 探 討 國 立 嘉 義 大 學 水 產 生 物 學 系 碩 士 論 文 七 李 安 進 (2007) 第 十 一 章 水 產 養 殖 貝 類 之 繁 養 殖 農 業 概 論 農 林 漁 牧 專 書,pp.384-393 八 李 安 進 吳 美 錚 合 譯 (2007) 亞 洲 漁 業 科 學 在 二 十 一 世 紀 的 角 色 與 貢 獻 教 師 之 友,48, 2-16 九 李 安 進 吳 美 錚 合 譯 (2009) 水 產 養 殖 在 糧 食 危 機 中 扮 演 的 角 色 嘉 義 大 學 通 識 學 報,7, 1-20 十 李 安 進 吳 美 錚 合 譯 (2010) 水 產 養 殖 與 糧 食 危 機 : 機 會 與 限 制 嘉 義 大 學 通 識 學 報,8, 1-14 - 16 -

十 一 徐 振 豐 張 睿 昇 周 立 進 (2011) 澎 湖 的 海 藻 與 生 活 應 用 澎 湖 縣 政 府 文 化 局 pp. 43-79 十 二 Chen, S.Y., Pan, L.Y., Hong, M.J., Lee, A.C., 2012. The effects of temperature on the growth of and ammonia uptake by marine microalgae. Botanical Studies. 53, 125-133. 玖 附 錄 一 附 表 1 人 工 海 水 成 分 表 Electrolyte Concentration (g L -1 ) NaCl 24.53 Na2SO4 4.09 KCl 0.70 NaHCO3 0.20 KBr 0.10 H3BO3 0.03 NaF 0.003 MgCl2 5.20 CaCl2 1.16 SrCl2 0.03 二 附 表 2 韋 因 培 養 儲 備 液 配 製 培 養 藻 類 時, 在 每 1000 ml 的 人 工 海 水 中 加 入 0.1 ml 貯 備 液 A 和 最 終 濃 度 為 3 mm Tris, ph7.5 以 及 加 入 最 終 濃 度 分 別 為 16 ppm 和 4 ppm 的 NH4 + -N 和 PO4 +3 -P 滅 菌 冷 卻 後, 當 開 始 培 養 藻 類 時, 再 添 加 0.1 ml 貯 備 液 C 貯 備 液 A Na2EDTA 45 g 貯 備 液 B ZnSO4 7H2O 4.4 g H3BO3 33.6 g CoCl2 6H2O 2.0 g FeCl3 6H2O 1.3 g CuSO4 5H2O 2.0 g MnCl2 4H2O 0.36 g (NH4)6Mo7O24 4H2O 0.9 g 貯 備 液 B 1 ml 加 蒸 餾 水 至 100 ml 加 蒸 餾 水 至 1000 ml 貯 備 液 C 維 生 素 B1 200 mg 維 生 素 B12 10 mg 加 蒸 餾 水 至 100 ml - 17 -

評 語 040710 利 用 微 藻 淨 化 養 殖 廢 水, 並 且 發 現 周 式 扁 藻 的 效 果 很 好, 而 且 可 以 提 供 廢 水 循 環 的 模 式 是 很 好 的 想 法, 具 環 保 意 義 而 且 有 後 續 性 040710- 評 語