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海神草堪稱「藍碳製造機」!——海草與細菌的共生,如何幫地球固碳?

陳宜龍_96
・2021/12/03 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

聯合國氣候峰會 COP26 剛剛落幕,過程中各國代表持續協商,冀望能達成共識,為降低溫室氣體排放、降低全球氣候變遷風險而努力。除了減少二氧化碳等溫室氣體排放的「減排」措施外,如何增加碳封存的「增匯」機制,也為人所關注。尤其是保護及利用各類天然生態系良好運作,更是諸多方案的首選,因為這些區域不但是野生生物棲息地、生物多樣性的熱點,更是天然碳匯所在。

光合自營作用,能將二氧化碳轉化並固定於生物體中,達到固碳效應,並有機會長期封存。在海洋生態系中,這就是所謂的「藍碳」。沿岸環境裏,藍碳主要供獻來自於紅樹林、珊瑚礁及海草床三大生態系。然而單純提供二氧化碳不足以趨動光合作用,植物生長還需要其它營養物質,例如磷酸鹽及硝酸鹽氮。

近期《自然》(Nature)期刊的研究報告指出,單位面積儲碳量高於陸地森林的海草床,其植株根部的內共生固氮細菌對於海草儲碳的效果功不可沒[1]

被譽為「地中海之肺」的海神草。具備固碳能力強大且長壽的特質。圖/維基百科

海草的固氮能力在「根系」

許多海草生長旺盛的區域,幾乎量測不到含氮營養鹽。過往研究學者都以為海草是從周圍海水及沉積物中吸收其它微生物固氮後的產物。沒想到,來自地中海的海神草(Posidonia oceanica,又譯為大洋海神草)獲取氮源的策略,居然相仿於陸地上豆科植物與根瘤菌間互利共生的夥伴關係。一樣都具備固氮能力,且來自根系內部特定的共生細菌。

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這篇研究[1]從巨觀到微觀,進行多維空間尺度分析;利用不同時間尺度的資訊來闡述過程機制;並採取次世代及三代定序的優勢解晰細菌群落消長,並從總體基因體、比較基因體及轉錄體分析指徵功能基因的變化。多樣化研究手段的結果都支持作者的觀點。

從單一植株根系添加穩定氮同位素的實驗發現,海神草固氮能力在根系,且在 24 小時內,就有高達 20% 的氮從根系轉移到葉片;再者,該植物最高的固氮速率來自夏季植株,此時環境中的無機氮濃度較其它季節低,甚至低於偵測極限。

與細菌的共生,讓海神草可旺盛固氮!

菌相分析的結果顯示,植株部位與周圍沉積物的細菌群落組成不同;有明顯固氮能力時的根系又異於沒固氮時期者,且迥異於與沒此功能的葉部組織。屬於伽瑪變型菌的 Celerinatantimonas 是造成差異最主要分類群。

從 16S 核醣核酸序列相似程度來區分,與此分類群最近似的物種是分離自鹽澤植物根部、具固氮能力的細菌 Celerinatantimonas diazotrophica。因此,作者命名該新種細菌為 Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna)。

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作者進一步利用螢光原位雜交法(fluorescence in situ hybridization)這項顯微技術,發現夏季時,海神草根部內的細菌細胞數量,高達 80% 都是 Ca. C. neptuna,並且分布於根部細胞間隙及細胞內部。再搭配 nanoSIMS 這種影像質譜儀對每個樣本的氮同位素比值進行奈米尺度解析。

結果發現,先前穩定氮同位素添加實驗時的同位素訊號,就出現在這新種細菌的細胞內,強烈暗示在夏季時分,海神草旺盛的固氮作用,就是靠這種細菌幫的忙。

Ca. C. neptuna的基因體圖譜。海神草旺盛的固碳作用,得利於共生的固氮細菌Ca. C. neptuna 。圖/Nature

海神草提供「糖」,讓根部細菌頭好壯壯!

除了前面提到生理測試支持「固氮作用由海神草根部共生細菌完成」的論點外,該研究進一步提供基因體及轉錄體的證據。

作者從海神草根部總體基因體序列組裝出 Ca. C. neptuna 的基因體(metagenomic-assembled genome),並在基因註解後發現,該細菌具備固氮作用必要的基因,而且這些基因在海神草顯著固氮時期也有較高的轉錄作用。

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與此同時, 海神草可能提供蔗糖給這類細菌作為碳源及能量所需,因為較高的轉錄作用也反應在細菌的胞外蔗糖分解、糖類運輸蛋白及涉及糖解作用等特定的功能基因。

除了以上直接涉及氮、碳循環外,作者在該細菌基因體及轉錄體中也發現許多與兼性內共生(facultative endophytic symbiont)有關的指標基因。

這些參考指標是基於前人研究陸生植物與內共生細菌的夥伴關係而來。例如:涉及運動及固著的基因(flaAflp)、群體感知(quorum-sensing)調節有關的基因(luxR)、去除過氧化物毒害作用的基因(dps,ahpC/F)。這些基因是跨物種間建立互利關係的指標因子。

Ca. C. neptuna 的共生關係中,海神草可能提供蔗糖作為其碳源及能量所需。圖/Nature

海神草的共生固氮菌是如何獲得?這篇文章並沒有進行相關實驗。從演化觀點來看,海草約在一億年前由陸域開花植物遷移到海洋環境。長期適應、演化的結果,其陸域型根部菌相被海洋微生物所取代。

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從細菌的親緣樹推測,Ca. C. neptuna 的祖先可能來自海岸環境,在缺乏含氮營養鹽下獲得固氮的能力,並與海洋開花植物形成緊密的共生關係。

近期還有一篇文章同樣探討海洋缺氧區域的固氮作用。研究人員的數學模式指出:固氮作用也可發生在海洋的無光區(aphotic ocean),在浮游生物活體和死亡殘體所聚合的顆粒之中,也就是所謂的海洋雪(marine snow particles),其內部的缺氧區2。透過這兩項研究,顯示海洋氮元素循環還有很多值得探究的秘密。

參考資料

  1. Mohr, W., Lehnen, N., Ahmerkamp, S. et al. Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04063-4
  2. Chakraborty, S., Andersen, K.H., Visser, A.W. et al. Quantifying nitrogen fixation by heterotrophic bacteria in sinking marine particles. Nat Commun 12, 4085 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23875-6

與此研究題材相關或具特定技術的部分台灣團隊:

  1. 海草床研究:中興大學生命科學系林幸助老師
  2. 運用螢光原位雜交法技術於微生物樣本:
    成功大學環境工程系:吳哲宏老師
    中央研究院生物多樣性研究中心:湯森林老師
  3. nanoSIMS 平台:中央研院院「奈米級二次離子質譜儀實驗室
  4. 總體基因體序列組裝及分析:台北醫學大學醫學資訊研究所吳育瑋老師

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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一餐變災難:台北素食餐廳爆食物中毒,這些細菌你不可不知!
careonline_96
・2024/08/30 ・2532字 ・閱讀時間約 5 分鐘

北市素食餐廳的食物中毒事件已造成二死四危急,引發眾人關注。食物中毒可能是因為食物內含有細菌、病毒、或寄生蟲,當這些病菌持續在腸胃道理作亂、生長,就會引發不適。另外,食物中毒也可能與細菌製作出的毒素有關。

食物中毒的症狀

食物中毒算是個很廣泛的說法,包含了各種不同的細菌或病毒感染,多數在幫表現症狀的初期,我們還不知道究竟是哪一種細菌或病毒造成的,因為一般食物中毒還輕微的時候,就是腸胃炎的症狀。患者會肚子絞痛,想要跑廁所,開始有腹瀉症狀。這時要注意自己的糞便是純粹水便,還是含有血絲或大量的血便,這與猜測致病原有關係,要記得就診時告知醫師腹瀉的狀況。另外,還要告知有沒有發燒、嘔吐等情形。

另外,我們也需要注意這些噁心嘔吐及腹瀉症狀發生的時間點,不同的細菌或病毒造成症狀的時間不一樣,有的短至三十分鐘內患者就開始上吐下瀉,有的則是要過上一星期才發病。不過通常是吃到含有病菌的食物後一到三天發病。

多數的食物中毒症狀並不嚴重,很多人會覺得自己只是腸胃不舒服一下下,拉個幾次就會過去了。然而如果有以下狀況,最好趕快就診:

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  • 脫水嚴重:尿尿的量變少,覺得頭暈目眩,嘴巴很乾
  • 一直吐:什麼東西都吃不了,一進食就吐
  • 一直拉:成人拉肚子超過兩天,或是小孩拉肚子連續一天,就算是嚴重了。如果是新生兒,只要看到腹瀉,最好還是就醫。看到血便也是要就醫。
  • 肚子很痛或發燒
  • 家人發現患者意識狀況變差,或發現有複視皮膚變黃等等狀況。

引起食物中毒的知名病菌及其特色

接下來我們來看看幾個容易引起食物中毒的細菌或病毒。

  • 大腸桿菌(E. coli)

最常見的狀況是吃到沒有完全煮熟的絞肉,像是沒煎到全熟的漢堡排。不過大腸桿菌也會出現在受到污染的蔬菜(像是生菜沙拉)、水果、或生水之中。

  • 沙門氏菌(Salmonella)

沙門氏菌存在沒有煮熟的肉類與蛋類食物,或是喝到沒有完全經由巴斯德滅菌過程的乳製品。

  • 金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)

備餐的時候沒有先洗手,而處理食物後沒有再經過烹煮,像是切肉片肉排,切三明治或包裝三明治,就可能讓人因金黃色葡萄球菌而食物中毒。

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  • 產氣莢膜桿菌(Clostridium perfringens)

產氣莢膜桿菌存在自然界,可以形成具有耐熱性的孢子,有些甚至在沸水中仍能存活許久。因此,除了生肉、蛋類、奶類可能含有產氣莢膜桿菌外,土生土長的蔬菜、穀類也可能含有產氣莢膜桿菌。當燉煮的肉湯、肉汁放在室溫一陣子,沒有放到冰箱冷藏的話,可能會引起食物中毒。

  • 肉毒桿菌(Clostridium botulinum)

這屬於少見但容易致死的食物中毒。肉毒桿菌是存在自然界土壤與水源的常見細菌,如果沒有藉由煮沸煮熟來殺死肉毒桿菌的話,是無法停止其生長的。最容易造成食物中毒的狀況有兩種,一種是吃到沒有正確保存的醃漬物或罐頭食物,尤其是居家自己醃漬的小品,無論是醃菜、醃魚、醃肉,都可能會導致肉毒桿菌滋生。另一種傳染途徑是讓小於一歲的幼童吃到蜂蜜或玉米糖漿,裡面的孢子可能含有肉毒桿菌而造成幼兒食物中毒,記住記住,千萬不要以為讓幼兒吃蜂蜜很營養喔,會因為感染肉毒桿菌而致死的。

肉毒桿菌會影響神經肌肉的控制,造成的食物中毒特色是患者的視力出現複視,講話講不清楚,肌肉無力,無法吞嚥,有這種狀況務必趕緊就醫。

  • 李斯特菌(Listeria)

李斯特菌可以存在未經巴斯德滅菌過程的牛奶及乳酪中,也會存在於豆芽、瓜類、和香腸熟肉裡。

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  • 諾羅病毒(Norovirus)

諾羅病毒的傳染能力很強,只要碰到帶有諾羅病毒的餐桌表面、再將食物送往口中,就可能感染。因此只要有個人感染諾羅病毒,很容易在與他人共餐的同時藉由分享食物、備餐等狀況而傳給其他人。

預防食物中毒

  • 擤鼻嚏、咳嗽、抽菸、上廁所之後,請記得都要好好洗手
  • 如果是備餐的人,請好好清洗蔬菜及水果,用來備餐的表面及餐具也都要在準備食物之前好好清洗。
  • 肉類、蛋類等務必都要好好煮熟,不要讓生肉或未煮熟的肉或肉汁去污染到其他食物。
  • 不管是煮過的食物或生肉,不要任其停留在室溫內超過兩小時,放兩個小時後的食物都不安全,請儘早把食物冰到冰箱。解凍的食物要趕快煮一煮,不要放在室溫過久。
  • 保存食物的時候,生的肉類要與蔬菜水果、煮過的食物、或加工食物分開擺放。
  • 買含有沙拉醬、美乃滋的食物沒吃完一定要冰起來。
  • 不知道放了多久的食物請丟掉。一打開有味道,或是罐頭蓋子鼓起的一定要丟掉。

預防食物中毒的重點是自己常洗手,並好好保存食物,備餐時也要用心。

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溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

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封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

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更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

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