科學寶可夢 #88 臭泥：命運坎坷的垃圾怪獸

• Bacillus cohnii 　 
• 科氏芽孢桿菌
• 形狀：圓
• 直徑：0.6 至 0.7 微米
• 前進：使用布滿細胞表面的鞭毛

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬，還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌，這是一種一點都不起眼，但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境，像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境，全世界都有其蹤跡，甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡，它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期，德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現，當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場，裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼，相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值，還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力，可以存活數十年或數百年，在特定的條件下甚至超過數百萬年（球形離胺酸芽孢桿菌（→ 78頁）還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南．尤利烏斯．科恩（Ferdinand Julius Cohn），細菌學的奠基者，也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中，能產生石灰，孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性，令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌，並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起，封裝於黏土球裡，然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密，便無事發生。但如果出現裂縫，開始長時間滲水，細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂，會消耗添加進去的物質，並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫，只需數天時間即可修補完畢。

如此一來，科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題，否則定期必須進行的繁複維修，造成的損失可高達數十億歐元。除此之外，此細菌也能用在保護現存的建築物，在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌，用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過，此項產品至今尚未成熟，黏土顆粒仍然占據太多空間，進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用，以及孢子平均分布與釋放，與石灰形成的速度及過程等等，都還在改良中。如今，研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何，科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌，現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡，灑在布滿灰塵的泥土上，六至四十八小時內就會產生石灰，將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩，即固化灰塵。從前為了抑制灰塵，礦業公司必須使用大量的水，如今，藉由細菌的幫忙，就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。

身為一名訓練師，你真的了解你的寶貝們嗎？寶可夢圖鑑讀熟了沒？

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔！每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧！來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

汙水廠內的死亡邂逅  #88 臭泥

仔細看看臭泥的設計，你會發現它是一個很特別的存在，在越來越多寶可夢走向可愛風和 變種的日常生活用具（如鈴鐺、棺材、吊燈、餐具…..倒底是有先有這些寶可夢還是先有他們對應的用具啊）的潮流中，臭泥是少數原型是「垃圾」的寶可夢，長得醜又沒人愛。

「會出現在骯髒的地方。靠喝工廠流出的汙泥廢液為生。」 （紅、綠、葉綠、綠寶石）

「淤泥凝結而生。很臭不可以碰，通過後的痕跡也寸草不生。」（黃、銀、魂銀）

反正就是一堆髒東西的聚合體，幾乎所有的圖鑑都同意這一點（註1），而且還是廢水中的汙泥！這下有趣了，因為不管是工廠排出的廢水還是汙水處理中的汙泥，其實都是有生物存在的。

大家一般所看到的泥巴，裡面不只水和無機物，還有許多的微生物，就算是有毒的工業廢水，也會有細菌滋生。臭泥很有可能就是這些微生物的聚集體，之後再透過某種方式變成現在的樣子。

如何處理麻煩的臭泥們？

多重的毒素分析起來相當複雜（註2），尤其是我們還不知道究竟是含有重金屬還是其他東西，所以這裡我想用一個比較另類的想法來討論臭泥。既然誕生於工廠汙水，那表示寶可夢世界臭泥最多的地方，應該就是汙水匯集的汙水處理廠（註3），但是寶可夢世界從來沒有臭泥成災，也沒有很明顯的臭泥聚集地，所以只有一個可能——臭泥們被處理掉了。

處理掉充滿劇毒微生物的泥巴？別驚訝，因為現在的汙水處理廠中，汙泥也扮演著很重要的角色，也就是所謂的活性汙泥法。

所謂的活性汙泥法是藉由汙水處理過程中產生的沉積物，淨化汙水的方法。這些活性汙泥跟大家想的不太一樣，這些誕生於沉澱池底部的底汙泥，本身帶有有機質，並成褐色絮狀、看起來像黏稠的黏土，但是他們並不會臭。而且不是每一個進入汙水處理廠的淤泥都可以成活性汙泥，它們都需要經過一些手續加工，才能變成能從汙水中去除生化有機物、吸附懸浮固體的活性污泥，同時也能去除磷和氮汙染物。

首先，這些汙泥需要經過重力的沉積（Thickening），然後去除多餘的水分，因為真正的本體是那些有機物和微生物聚集而成的固體，活性汙泥通常高達一半以上的重量都是有機物。再來是透過厭氧或好氧反應將這些汙泥們穩定化（Stablization），讓他們更容易被處理、控制、並且沒有味道，並加入凝聚劑讓這些淤泥再更「團結」一點（Conditioning），最後以真空抽取等方式再次去除水分（Dewatering）。這幾個步驟通常獨立於基本汙水處理的過程：攔阻、過濾、沉澱,,,,之外，會在另外的設施進行，所以可以很有效地針對汙泥本身處理。完成程序之後的汙泥就是貨真價實的活性污泥，被置於汙水沉澱池中進行生物性的作用去除汙染物（註4）。

至於這些活性汙泥們，都是由什麼東西組成的呢？

不外乎就是細菌、真菌、原生動物和小型動物輪型動物（註5）們，汙泥為這些生物們提供了一個能夠吃飽喝足的家，在汙水中只要有氧氣和他們所需的養分，他們就能消化汙水中的氮磷汙染物，一旦數量繁殖過多，就會重複上述的步驟，然後只將部分的汙泥在流放回去，剩下會送往廢棄物處理，如掩埋。

很顯然的，臭泥在寶可夢世界經歷了一樣的事情。

這些由工業廢水產生的寶可夢，隨著下水道進入處理廠之後，很可能就經過了這些的處理程序，什麼抽水~沉澱~篩選之類的，最後才不會對世界造成無害，想想還真是可憐。而且我猜，有可能就因為這樣的處理過程，可能還會產生「活性臭泥」這種新種寶可夢，不會臭，而且可以修滅臭泥，就像反物質湮滅一樣。

臭泥從哪裡來的？

幸好寶可夢世界找到了消滅臭泥的方法，但不能治標不治本，所以臭泥是哪裡來的？

稍微再仔細看一下……

「在來自月亮的 X 射線照射下，汙泥變成了臭泥。最喜歡的就是髒東西。」 （火紅、鑽石、白金、珍珠、黑白、X）

月亮的 X 射線？這好像有點怪怪的，不是嗎？

月亮本身不會發光，它是藉由反射太陽光才能夠發亮的，如果只考慮物理性質，月光和日光是完全相同的，而且量更少，所以和伽瑪射線、紫外線一樣很大一部分會被上層大氣阻擋。

別說月光了，如果照太陽光就會突變，整個地球根本就充斥著各種奇怪的生物啊！果不其然，從最新的圖鑑我們知道了……

「工廠排放的汙泥廢液是其主要的餌料。最近數量減少了。」（太陽）

哈哈你看吧！數量減少了。這種不靠譜的能量來源當然無力啊！（註6）~

要找到強大的 X 射線，現實生活中我想得到的來源大概就是黑洞了，但這裡是寶可夢世界，還有一個可能……神獸。我猜一定是某一天突然神獸降臨，散發出了強大的 X 射線，所以臭泥大量產生。隨神獸離開之後，臭泥理所當然又快速減少，真是短命的生物啊！嗚呼哀哉~

註解：

1. 除了這篇文章提到的敘述，其他的圖鑑還有「黏稠有彈性的身體從什麼細縫中都能進去。潛入排水管喝髒水。」（紅寶石）、「從被汙染的海底淤泥裡出生，喜歡髒東西，從身體裡排出有很多的細菌的液體。」（藍寶石、綠寶石）……等等，喝髒水能過活嗎？能，因為就像接下來講的裡面有細菌、微生物，但我想臭泥喝髒水的原因應該是要補充自己的細菌，不是要能量。而第二個突見敘述基本上和本文的立論點打架，海底不只月光照不進去，這裡是要多髒才會有足夠的東西給臭泥吃啊。
2. 水晶版有敘述「當兩隻臭泥聚在一起，就會產生新的毒物」，這讓我想到複合型毒物，然後想到毒理學那一大堆講義和有機、無機……劈哩啪啦的複雜化學結構。不過既然會寸草不生，大概是某種酸吧我猜。
3. 真心覺得寶可夢的場景太少了，每一次看到工廠類的公共設施都是發電廠，汙水廠也很有趣啊！核電廠也不錯~
4. 汙水處理的過程中有分處理程序，第一級為物理性的攔阻、沉積、過濾；二級為這裡提到的生物性處理；三級處理不多因為通常是一些昂貴的處理法如臭氧、紫外線。沉澱池是二級處理中最重要的過程，還分為主要和次要，其中的活性汙泥還有濃度之分。
5. 輪型動物屬於動物界的真後生動物亞界中的扁蟲總門，窩蟲就是屬於扁蟲總門。基本上這門的生物都沒有體腔，大部分有假體腔，所以腸胃和皮層之間沒有很多區別，棲于海水、淡水和陸地多種生境中。
6. 也有可能是寶可夢世界的環境稽查做得更認真了，這我們就無從得知了。

參考資料

1. Pokemon Database
2. MOONLIGHT IS A MANY-SPLENDORED THING
3. The Growth of Bacterial Populations
4. 環境工程 Sludge Treatment

• Candidatus Pelagibacter ubique 
• 遍在遠洋桿菌
• 外觀：通常如月牙般略彎之小桿 
• 長：0.37 至 0.89 微米 寬： 0.12 微米至 0.20 微米

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子，遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的^[1]，可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡，就有數以百萬計這種細菌，據推測，遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028，這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項： 海水所含養分非常貧乏，微生物要生存，就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量，最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣：擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量，剛剛好，不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師，其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間，少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝，剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統，能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置，擁有必要的運輸系統，以及一切所需的酵素，能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小，就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如，更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因，會侵入其他生物的細胞中，將別人的新陳代謝系統據為己用。

如果養分充足，細胞內無須再具備持家基因，生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌（Mycoplasma genitalium），這是一種對人類致病的病原體，會在尿道、子宮等黏膜造成感染，體積僅有三百乘以六百奈米左右，但無法獨立生存^[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌，但直至今日為止尚未能成功培養，因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外，遍在遠洋桿菌的維生機制，效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對，共含約一千四百個基因，是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西，只有必要的配置。甚至連遺傳密碼，也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物，遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）所組成。但比起其他細菌，遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁，此點便是出於效能，因為 C 與 G 含有較多的氮（而這在海水中是稀有元素），製造起來較為困難，如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡，算是特異獨行的一支。因為除了它之外，所有立克次體目的細菌，都必須在其他生物細胞內才能存活，其中也有不少病原菌，例如普氏立克次體菌，流行性斑疹傷寒的病原菌，透過蝨子傳染。

生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造，對生態而言，它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量，比全球海洋魚類總重量還要多，且占有海洋細菌生物量的四分之一；在溫暖的夏季，甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物，因此在地球的碳循環上，也扮演一個重要的角色。

由於數量實在太龐大，因此也容易引起敵人的覬覦：至今已知有數種病毒，會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年，人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前，人們只認得它的 rRNA（核糖體核糖核酸）序列，是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一，但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基，以及高度稀釋的樣本，並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

• [1] 審定注：一些寄生型細菌和古菌更小。
• [2] 審定注：該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。

• Colwellia psychrerythraea 
• 冷紅科爾韋氏菌
• 形狀：小桿狀
• 顏色：淺紅色
• 長：2.5 至 3.5 微米
• 直徑：0.5 微米
• 前進：使用鞭毛

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知，在生命出現的早期，地球上炎熱期與冰凍期交互出現，前者平均溫度可達攝氏五十度，後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊，使地球溫度升高，經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳，又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說，今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋，其中三分之二又是寒冷的深海帶，終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡，淡水僅占百分之二點五，溫度卻也沒有太大差別：百分之九十的淡水，都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後，最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度，不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是，有些地方雖有溫暖期，但在夜間或冬天會變得異常寒冷，像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度，但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像，為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中，冷紅科爾韋氏菌特別引人注目：這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走，在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境，研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

冷紅科爾韋氏菌能在液態氮（這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質）中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素，讓它被包覆在網狀的分子結構裡，就像穿了一件毛衣，保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶，在極冷和高壓下仍然可以保持液態，這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年，發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔．科爾韋（Rita Colwell）之名來命名，以示敬意。科爾韋生於一九三四年，在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌，而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類^[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時，就會吸引這些細小的甲殼類動物前來，細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後，立即成立安全用水供應網，設法以盡可能簡單的工具，例如自造的過濾器，防止因飲用水造成的傳播感染。

此後，她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司，以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬，南極一座山塊^[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea，則由希臘文 psychros（冷）及拉丁文 erythraeus（紅色）組成，因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活，還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物，甚至還能利用硫來產能，因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外，此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因，得到以下結果：病原菌在低溫下正常生長，但在常溫時停止生長，細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗，使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

• [1] Copepoda，橈腳類或譯橈足類，海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
• [2] massif，又稱地塊，地質學中的一個結構單元，比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。