海洋微生物與生物技術— 除污與去毒 黃顯宗.

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1 海洋微生物與生物技術— 除污與去毒 黃顯宗

2 海洋的污染 陸上污染源 船舶污染源 傾倒廢棄物污染源 大氣污染源 海床探勘與開採行為的污染源

3 海洋污染來源的分佈相對比例 楊磊：海洋污染與防治

4 台灣綠牡蠣 北台灣

5 Oil and other chemical pollution
 Oil pollution of the marine environment is a major problem.  Exxon Valdez oil spill occurred in Prince William Sound, Alaska, on March 24, 1989

6 Oil spill 世界經濟依賴石油作為能源與許多產品的原始材料（raw materials）
每年超過3 billion tones石油經過提煉（extracted）， 在提煉、運輸和使用過程中，約0.1％ 會流入海洋 特別是運油輪（oil tankers）的漏油事件 正常的輪船都有Ballast tank作為穩定船體用，排放水時就會把污染物排至港口海洋等 船難更是大片漏油的來源 造成自然生態、漁業、觀光等損失 環保單位（environmental agencies）受到極大的壓力（intensive pressure），進行問題快速與有效地抒解（alleviate）

7 對環境和生物的傷害 魚類：影響生存的水體，攝入傷害健康，影響卵與發育等 鳥類：特別是水鳥，影響保溫、飛翔、覓食、食用污染的食物 其他哺乳類
Procedures for capturing, treating, and releasing animals may hurt them more than the oil does，處理效果存疑 其他哺乳類

8 對環境和生物的傷害 images 影像

9 處理海洋油污外洩 trapping with booms skimming the surface to remove the oil
Using absorbent materials to soak up oil applying dispels chemicals setting fire to oil slicks 使用藥劑（dispersants）和用火對於環境生態傷害大  微生物降解（biodegradation）

10 綜合理化作用（Physical & chemical）
 Evaporation:油污發生時，比較輕量的部分會先揮發掉 about 50% of a typical light crude oil evaporates within 20 hours Dissolution:部分水溶性（water-soluble） These compounds are the most likely to be acutely toxic to sea life.

11 綜合理化作用（Physical & chemical）
Dispersion:oil is broken up into small droplets and spread through the water 可被乳化（emulsified）進入水中散掉 happen in the presence of adequate mixing energy (e.g. by wave action or high pressure leaks) 可是，水入油的乳化情況會造成viscous mousse，需要長時間降解，造成海岸的原油污染 beach tar 海浪和氣候的影響很大

12 綜合理化作用（Physical & chemical）
Photo-oxidation:部分經過楊光的光化學氧化降解（photolysis） Important in breaking aromatic ring structures, enhances the availability of such compounds to microbes and hence microbial degradation Photooxidized polyaromatic hydrocarbons (PAHs) are more toxic to water-dwelling organisms

13 微生物降解（biodegradation）
自然世界長年的漏油（hydrocarbons），造成自然演化出分解油污的微生物，有超過160屬（genera）生物 細菌為主，酵母菌和絲狀真菌（filamentous fungi）亦有被報導 Oceanospirillales, Alcanivorax, Cycloclasticus, Psueduomonas, Acinetobacter，和一些藍綠細菌、藻類等 光合自營（photoautotrophs）和異營生物（heterotrophs）的混合微生物（consortia）有效breakdown

14 微生物降解（biodegradation）
在無氧環境中（anoxic environment），Sulfur-reducing bacteria (SRB) 和甲烷菌（methanogens）可把石油當作唯一的能源和碳源（carbon source）  通常這些作用菌只佔環境菌的少量（<1％），在油污情況下增加至10％，共同作用，各負責降解過程中部分角色，約70％的原油可被生物降解（biodegradable） Asphaltene(瀝青質、瀝青烯)和一些resin（ 樹脂）成分難於分解

15 有氧降解過程

16 有氧降解過程

17 有氧降解過程 有氧降解，第一步是將氧氣分子使用oxygenase酵素加入至n-akanes中，形成alcohols，繼續氧化成為aldehydes 和脂肪酸，進入tricarboxylic acid cycle (TCA)中  Polyaromatic hydrocarbons (PAHs) 含有多個環狀化合物，需要特定的微生物作用，耐久（persist），特別是使用頻繁的港口河口，這類污染物在沉積層較多，屬無氧環境 降解時，多產生methane等，carboxylation反應，開啟破環步驟

18 乳化劑（emulsifiers）的增強作用
當油污乳化成小滴（droplets），容易被微生物所攝入 乳化過程受到生物表面活性劑（biosurfactants，含有hydrophilic and hydrophobic regions）促進  許多微生物具有hydrophobic表面，容易吸附油滴，有些微生物且分泌這些類似活性物質

19 乳化劑（emulsifiers）的增強作用
Acinetobacter calcoaceticus特有效，會生成emulsan，一種extracellular glycolipid biosurfactant 因此，可以篩選自然存在優良菌株，或人工改造使大量生成這些生物表面活性劑 Emulsan 且可以用來降低原油的黏稠度（viscosity），增加採油效率

20 加入營養素（nutrients）增加生物降解速度
原油可作為細菌的碳源，不過，缺少其他營養素，如氮和硫，致使限制了降解的速率 添加無機或有機的營養素，如同肥料，增加這些自然間的反應 在油污中，加入（seeding）外來的微生物（exogenous microorganisms）在實驗室中證明有效增加速率

21 外來的微生物 基因工程可創造出「superbug」來消化（digest）油污的成分
原油的Bioremediation應用廣泛，發展出許多商業產品， 對於處理海洋的污染仍有疑問，試驗困難，降解本就自然會發生的，部分小型成分檢測容易，頑強（recalcitrant）難解成分監測困難

22 Bioremediation用於脆弱（vulnerable）海岸的除油污
實驗室研究容易，不過對於實際的應用鮮有幫助（provide little information） Mesocosm（中型生態池）和 controlled release有做過實驗，不過範圍不可能大 政府也少允許（few authorities are willing）人工刻意地去污染海岸

23 Bioremediation用於脆弱（vulnerable）海岸的除油污
所以許多資訊來自意外油污的處理（accidents），如Exxon Valdez事件 添加ammonium phosphate, ammonium nitrate或urea等，增加降解速率10倍 方法是使用親油脂成分（oeophilic），讓營養素可達油污，slow-release fertilizer， 如microemulsion of urea in brine，再用油脂包裹

24 Bioremediation用於脆弱（vulnerable）海岸的除油污
陸地上的處理，更困難，整土（tilling）可增加通氧， 海洋沉積物的處理，用不上翻土等 可考慮加上chemical oxidants或 alternate electron acceptors，促進降解作用，不過需考慮對生態的影響

25 Bioremediation 台灣：生物復育？ 大陸：生物修复？

26 處理製品 National Oil and Hazardous Substances Pollution Contingency Plan (NCP)應變計畫中的處理 MC -- Microbial Culture EA -- Enzyme Additive NA -- Nutrient Additive

27 處理製品 Literature review on the use of commercial bioremediation agents for cleanup of oil-contaminated estuarine environments, US EPA

28 Microbes can be counted on to biodegrade oil over time.
However, the process may not be fast enough to prevent ecological damage.

29 New ways to find oil-eating microbes
microbes isolated from many different environments are able to biodegrade oil constituents each metagenomes for gene sequences associated with the enzymes involved in oil degradation Mutations and gene transfer events that improve fitness have an immediate effect

30 影響微生物除油因子 Physical nature of the oil Chemical nature of the oil
Availability of nutrients Availability of oxygen Water temperature Pressure pH and salinity Other microbes

31 Microbes are important in the distribution of persistent organic pollutants
許多化學品難於降解，如有機氯化合物（DDT, Aldrin, chlordane等），一些工業製品，如polychlorinated biphenyls (PCBs)和副產品（如dioxins, furans） 通常由陸地放流入海洋，或從大氣沉降（deposition）  部分揮發的特性，可懸浮於空氣中，移到到不同的地理環境

32 Microbes are important in the distribution of persistent organic pollutants
脂肪溶解的特性，讓他們可以在生物體內累積，影響到生育、型態等生理變異 人類吃了這些生物累積的魚，也容易致病  海洋微生物，表面積比例寬，參與吸附和降解這些化合物，同時也會造成海洋中廣泛的散佈

33 河口、海洋環境存在着對甲胺磷（農藥降解能力强的微生物，如紅樹林 馴化、分離、應用
Microbes are important in the distribution of persistent organic pollutants 河口、海洋環境存在着對甲胺磷（農藥降解能力强的微生物，如紅樹林 馴化、分離、應用 甲胺磷 Methamidophos

34 海洋分離Bacillus spp.孢子表面的蛋白質可以促進氧化，例如錳（manganese）的氧化
Bacteria are effective in the removal of heavy metals from contaminated sediments 重金屬有毒性，不同態的重金屬毒性不同  微生物，如硫還原細菌（SRB）、Bacillus spp.和 Pseudomonas spp. 有效固定金屬，轉為nonbioavailable form，或轉變成比較不毒的型態。  海洋分離Bacillus spp.孢子表面的蛋白質可以促進氧化，例如錳（manganese）的氧化

35 將溶解性的Mn(II)氧化成 不溶解的Mn(III, IV) oxides、oxyhydroxides
Bacteria are effective in the removal of heavy metals from contaminated sediments 將溶解性的Mn(II)氧化成 不溶解的Mn(III, IV) oxides、oxyhydroxides 過程中，有機的或無機的化合物，在無氧環境中，作為電子的接受者，用於含氯化合物等降解  自然界中，在海床上形成manganese nodules，內含其他成分，如nickel和cobalt等，在海底中，採收困難

36 Methylated elements在環境中的移動，可能進入人體，造成健康的傷害
Mobilization of mercury by bacterial metabolism leads to accumulation of toxic methylmercury 環境中的微生物進行微量元素(trace elements)的microbial methylation reactions，如 mercury, arsenic, cadmium和lead Methylated elements在環境中的移動，可能進入人體，造成健康的傷害

37 魚類累積汞就是重要的健康傷害 汞雖然是自然存在的元素，在燃煤和垃圾焚化過程中所產生，是主要的來源
其他殺蟲劑（pesticides）和廢棄的電子產品、電池等 每年約兩千噸汞棄入到環境中，隨著大陸和印度工業化的發展，愈來愈多 以Hg2+進入海洋，經過細菌轉化，轉化為 methylmercury(CH3Hg+)，methyl來自methylcobalamin，有時會成為(CH3)2Hg

38 魚類累積汞就是重要的健康傷害 Methylmercury是神經毒素（neurotoxin），同時造成肝、腎、心血管的傷害
影響懷孕婦女胎兒神經的發育，日本50年代Minamata Bay中毒事件 生育年齡、懷孕婦女等，建議少吃這些可能有methylmercury的魚類

39 主要依靠Vibrio fischeri的生物螢光（bioluminescence）
Microbial systems can be used for monitoring the environment for toxic chemicals 例如 Microtox system就是一個商品化的系統，用來快速檢測毒性（rapid toxicity testing），用在水、沉積物和土壤檢體的檢測 主要依靠Vibrio fischeri的生物螢光（bioluminescence） 提供標準化冷凍乾燥的培養菌，使用photometer測試光亮度

40 QwikLite bioassay使用同樣的原理 使用dinoflagellate Pyrocystis lunula的發光能力
Microbial systems can be used for monitoring the environment for toxic chemicals QwikLite bioassay使用同樣的原理 使用dinoflagellate Pyrocystis lunula的發光能力  比使用魚和兩棲類的生物檢測敏感度高  應用V. fischeri 的lux 或水母（jelly fish）的 green fluorescent protein (GFP)作為這些毒性物質降解或檢測的基因表現，作為reporter來使用

41 台灣的阿瑪斯號貨輪油污事件

42 台灣的情形 柳大洪：海洋溢油污染應變 300

43 大陸的海洋油污染情形？ 請查閱大陸的情形

44 Oil spill和影響

45 延伸閱讀 Microbes and oil spills: a report from the Academy of Microbiology 301 Wildlife and oil spills, US EPA文件 302 Literature review on the use of commercial bioremediation agents for cleanup of oil-contaminated estuarine environments, US EPA文件 306

46 延伸閱讀 海洋污染與防治，以台灣為主 303 微生物在海洋污染环境中的生物修复作用 304 海洋發光细菌的發光及其應用 305