綠藻變原油？微藻生質燃料的新技術！

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

「氣候工作」公司（那間我付錢請他們把碳排放埋到冰島的公司）是由克里斯多福．格巴德（Christoph Gebald）與簡．沃茲巴赫（Jan Wurzbacher）這兩位大學時代的朋友共同創辦的。「我們是上大學第一天認識的，」沃茲巴赫回憶道，「我想我們第一週就問了彼此：『嘿，你想要做什麼？』然後我說：『嗯，我想要創立自己的公司。』」他們後來將研究所的獎學金分為兩份；兩人都花一半時間做博士班的研究，並且用另一半時間讓公司成長。

就跟拉克納一樣，他們兩個人面對了許多質疑。有人說，他們做的事情只是在轉移焦點。如果大家認為有方法能從大氣中抽走二氧化碳，那他們就會排放更多。「大家會反對我們說：『嗯，老兄，你們不該這麼做，』」沃茲巴赫跟我說，「但我們一直很頑固。」現年 35、6 歲的沃茲巴赫身材纖瘦，頂著一頭孩子般的蓬亂黑髮。我和他在「氣候工作」公司的蘇黎世總部碰面。那棟建物裡不僅有辦公室，也有金屬加工廠，現場不僅帶著科技新創的氛圍，也有點腳踏車店的感覺。

「把二氧化碳從流動的空氣中抽出來並不是什麼尖端科技，」沃茲巴赫跟我說，「這也不是什麼新鮮事。過去五十年來，人類都會從氣流中過濾二氧化碳，只是用途不同。」

從空氣中抽碳所面臨的挑戰

譬如在潛水艇中，船員呼出的二氧化碳必須排出去，否則會累積出對人體而言很危險的濃度。

但是能從空氣中抽出碳是一回事，要能大規模執行則又是另一回事。燃燒化石燃料會產生能源，從科技中捕捉二氧化碳也「需要」能源。只要能源是透過燃燒化石燃料所產生的，那就一定會增加必須捕捉的碳量。

第二個重大挑戰是處置方式。捕捉下來的二氧化碳需要送到安全的地方儲存。「玄武岩的好處是我們很好對外解釋，」沃茲巴赫說，「如果有人問：『嘿，但這真的安全嗎？』答案很單純：兩年內，它就會變成位在地下一公里處的石頭。就這麼簡單。」合適的地下儲存地點並不少見，但也不普遍；這表示，若要打造大型的碳捕捉工廠，要不是必須有個合適的地理位置，否則就得把二氧化碳運到遠處。

最後是成本的問題。把二氧化碳從空氣中取出來需要經費，現在這需要花很多的錢。把一噸重的碳排放變成石頭，需要付給「氣候工作」公司 1000 美元。我將 544 公斤的配額，都用在飛往雷克雅維克的單程飛機上，於是包含回程飛機以及去瑞士的航程在內的碳排放，就只能留在空中飄蕩。沃茲巴赫跟我保證，隨著愈來愈多的捕捉裝置裝設完成，價格也會下降；在 10 年左右的時間內，可望降到每噸 100 美元。

如果碳排放以類似比例課稅的話，那麼就更容易計算：基本上，只要抽出一噸二氧化碳，就能少付一噸的碳稅。但如果碳仍舊能免費排入大氣中，那又有誰願意付這筆錢呢？即使一噸只要付 100 美元，把十億噸二氧化碳（只是世界年度排放量的一小部分）埋起來，就需要花上 1000 億美元。

我也問沃茲巴赫，這個世界是否已準備好為直接從空氣中捕捉碳的技術付費。「也許我們太早投入了，」沃茲巴赫若有所思地說，「也許時機正好；又或許我們遲了一步——天曉得。」

生質能與碳捕集和封存 BECCS

一如有許多方式能把二氧化碳釋放進空氣中，其實也有很多（潛在的）方式能移除二氧化碳。一種名為「加速風化（enhanced weathering）」的技術可說是我在赫利舍迪電廠參觀到的工程的反向版。這個概念並非將二氧化碳注入石頭中，而是將石頭帶到地表與二氧化碳接觸。

首先，要先將人為開採並碾碎的玄武岩散布到世界上炎熱、潮溼地帶的農田裡，而二氧化碳與這些碎掉的石頭起化學反應後，就能將其從空氣中抽取出來。或者有人也提出，可以碾碎火山岩中常見的綠色礦物質：橄欖石，再撒入海洋中溶解。這麼做能使海洋吸收更多的二氧化碳，而且還有另一個好處：對抗海洋酸化。

另一類負排放科技（negative-emissions technologies，簡稱為 NETs）的靈感則源自於生物。植物生長時會吸收二氧化碳，而當它們腐朽時，二氧化碳就會回到大氣中。種植新的森林能在植物體成熟之前吸收碳；有一篇瑞士研究人員最新的研究評估，種植一兆棵樹就能在接下來數十年中，從大氣中移除 2000 億噸的碳。其他研究人員認為，這項數據將事實誇大了十倍甚至更多。儘管如此，他們也評道，新植林吸收碳的能力「還是很重要」。

為了解決朽木的問題，許多人提出各種技術方案。其一是將成樹砍倒並埋在溝渠裡；因為缺乏氧氣，就能防止樹木腐朽，以及隨之而來的二氧化碳排放。另一個計畫則只需要蒐集玉米梗等作物殘留物，並倒入深海；在黑暗、冰冷的深海裡，這些農餘腐爛的速度會很慢，甚至完全不腐爛。這些聽起來可能很怪的想法，也都是從自然中汲取靈感。在石炭紀（Carboniferous），有大量的植物遭到淹沒並埋於地底。這些植物後來就變成煤礦——如果這些東西可以保留在地底，理論上就能把碳永遠留在那裡。

林地復育（Reforestation）與注入地下的技術相互結合後，即為「生質能與碳捕集和封存（Bioenergy with carbon capture and storage）」——BECCS（發音為「becks」）。

IPCC 所使用的預測模型極度傾向 BECCS，因為它可以同時達到負排放與發電兩種目的。這種「魚與熊掌兼得」的辦法，以氣候數學的角度來看，幾乎所向無敵。

BECCS 的構想是種植能從空氣中吸取碳的樹木（以及部分穀物），接著便透過燃燒樹木來發電，所產生的二氧化碳再從煙囪直接捕捉下來、送入地底。（2019 年，世界首個 BECCS 的前導實驗已在英格蘭北部一座木顆粒燃料發電廠展開。）

替代方案的土地面積要廣、數量要大

這些替代方案所面臨的挑戰就跟直接從空氣中捕捉碳一樣，問題在於規模。馬里蘭大學的教授（University of Maryland）曾寧（Ning Zeng）是首創「樹木砍伐與儲存」概念的人。根據他的計算，若要每年消去 50 億噸的碳，總共需要 1000 萬條埋樹溝渠，而且每一條都要跟奧運標準游泳池一樣大。「假設有一組一共 10 人的人馬每週可以用機械施工，挖出一條溝渠，」他寫道，「那也需要 20 萬組（200 萬名工人）人馬與機器。」

根據德國科學家一篇最新的研究，若要藉由「加速風化」移除十億噸的二氧化碳，那就得要開採、碾碎並運送約 30 億噸的玄武岩。作者群指出，需要開採、磨碎與輸送的石頭「雖然數量非常大」，但其實還比每年約 80 億噸的煤礦開採量要來得少。

若要種植十億棵樹木，大約需要造出 906.5 萬平方公里大的新林地。這片森林面積之廣，會跟包含阿拉斯加在內的美國國土差不多大。這麼大片的耕地不再用於生產農作的話，可能造成上百萬人面臨飢餓。喬治城大學的教授歐盧費米．泰伊洛（Olúfẹ́miO. Táíwò）近期表示，有一種危機是「我們每邁出一大步的同時，卻在公平正義上倒退兩步。」然而，大家也不清楚，用未開發的土地是否就會比較安全。

樹木是深色的，所以若把凍土變成森林，反而會增加地球要吸納的能量，並造成全球暖化，最後也無法達成目標。解決這個問題的方法之一，可能是用 CRISPR 技術基因改造出淺色的樹木。就我所知，目前還沒有人提出這個構想，但似乎只是遲早的事。

江殷儒
中央研究院生物多樣性研究中心 副研究員​
​台灣微生物歲時記

 

直到現在，我依然享受騎乘機車的自在隨意。

初夏時節，騎機車自南港舊庄進入遍植包種茶的淺山地帶後，轉汐碇路可到達石碇。沿途林蔭鬱鬱，山澗處處，令人暑氣全消。沿著靜安路蜿蜒而行，隨著滿山遍野的天燈殘骸漸增，即達平溪十分一帶。進入雙溪後，群山猛然往兩側退去，道路豁然開朗，筆直地進入貢寮。繼續向東行進，嗅聞到海風氣味後，即可到達農田連綿廣衍的田寮洋。

田寮洋面積約200公頃，是雙溪河下游的洪氾平原。雙溪河在此處形成大曲流，可供洪水宣洩。因此，田寮洋具有調節雙溪河水位的功能。

田寮洋以稻田、筊白筍田為構成主體。經由水田耕作的持續干擾，田寮洋得以遠離陸化的命運，長期維持濕地的型態。周遭環繞低矮的丘陵，加上如馬賽克鑲嵌般的水塘與草澤，讓棲地多樣化的田寮洋成為台北盆地重要的生物庇護所，成為許多留鳥的寶貴棲所，亦是候鳥南北遷徙的補給站。跟著水鳥遷徙傳佈的，除了令人聞之色變的禽流感，還有各式各樣的微藻類，肉眼可見、姿態嬌媚的團藻。

如果藻類也可以成為神奇寶貝的話，團藻絕對是最值得收服的對象之一。

團藻性喜棲息於富含有機質的靜水域，如淺塘與雨後的暫時性水窪。初夏的田寮洋，在棲息著少量滿江紅的水田裡，很容易發現團藻的蹤跡，甚至會形成極度優勢的藻類純群。團藻與滿江紅要求相似的水質條件；然而，佈滿滿江紅的水田，由於光照缺乏，又會抑制團藻的生長。另一方面，團藻對農藥敏感。因此，棲息著團藻的水田，通常是禁絕或低度用藥的友善耕作水田。

團藻的藻體是直徑1～5毫米的中空球形群體，是少數肉眼可見的微藻。在野外可以利用透明封口袋採集水田的水樣，於陽光下利用放大鏡貼近封口袋，即可觀察到一顆顆的團藻。也因為極易觀察，顯微鏡之父─荷蘭微生物學家雷文霍克在十八世紀初期即描述過團藻。

分類上團藻屬於綠藻門，這類的藻類由於富含葉綠素 a 和 b，外觀呈現亮綠色。作為最原始的多細胞生物之一，團藻由數百至數萬個單細胞在球體表面排列組成，鑲嵌於由醣蛋白組成的膠質結構。同時，單細胞具有朝外的兩條游動鞭毛及感光用的眼點。

團藻（Volvox spp.）的拉丁字義為「滾動」，顧名思義，放大鏡下的團藻會以優雅的姿態，緩緩地向光照處滾動（影片如下）。這需要令人驚異的協調性。因此，看各自獨立的單細胞，彼此需透過相連的原生質聯絡絲進行緊密的溝通協調。

https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=nzO-ZSsqc9U

在演化研究上，團藻是相當重要的研究材料。因為團藻可能是單細胞真核生物過渡到多細胞生物的早期生命形式，也是有性生殖發生的起源。日本東京大學生物科學系的野崎久義教授在團藻演化上就有傑出的研究貢獻。

但如果你嘗試連續地培養團藻，難度其實很高，就像企圖強留夏日花火；最後你會在秋天前的某一日發現團藻的藻體萎縮崩潰。

藻類往往具有非常複雜的生活史，團藻就是如此。我們肉眼見到的球形群體，其實只是其生活史的一個片段。

在合適的水質條件下，團藻傾向進行無性生殖。群體內少數體型較大的生殖細胞會持續分裂，進而發展成子群體，隨後掉入空腔內。當母群體老化破裂後，子群體們即會釋出到環境中。溫度的劇烈變動及乾燥等理化條件，會促成團藻細胞產生費洛蒙，誘導團藻進入有性生殖，結果便是產生厚壁的休眠孢子，隨後沉入田土中，等待另一個夏天。

這樣的生活史，與水稻田的季節作息相呼應，彷彿團藻是上帝擔憂水稻太過孤單而創造的玩伴。當你漫步於夏日的田寮洋，除了利用望遠鏡觀察遠處的水鳥，不妨彎下腰，拿起放大鏡，仔細觀察田水中的寂靜角落，或許你也能發現那美麗炫目的團藻。

參考文獻

1. Nozaki H, Ueki N, Takusagawa M, Yamashita S, Misumi O, Matsuzaki R, Kawachi M, Chiang YR, Wu JT. Morphology, taxonomy and mating-type loci in natural populations of Volvox carteri in Taiwan. Bot Stud. 2018 Apr 3;59(1):10.
2. Nishii I, Miller SM. Volvox: simple steps to developmental complexity? Curr Opin Plant Biol. 2010 Dec;13(6):646-53.

本文轉載自MiTalkzine，原文《初夏田寮洋的團藻》

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