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【還能怎樣】林祥泰:甲烷可燃冰

PanSci_96
・2014/11/25 ・2548字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

什麼是可燃冰?

 

圖1如上圖,林祥泰教授一開頭便直接破題:顧名思義,可燃冰就是可以燃燒的冰塊。將這種冰塊放入玻璃皿或拿在手上點火即可燃燒,但由於冰塊體本身在燃燒過程中保持低溫,所以不燙手。

為什麼這種冰塊可以燃燒呢?

圖片2原來它不是普通的冰塊,而是水與甲烷(CH4,天然氣主要成分)在高壓低溫的條件下所合成的特殊冰塊,這種甲烷與水的混合物又可稱為甲烷水合物、甲烷冰或天然氣水合物;又因它在常溫常壓下可直接點火燃燒,故又稱可燃冰。

可燃冰與冰?

 

圖2可燃冰與冰的基本結構都是由水分子(H2O)組成,但排列出來的分子形狀差異很大,一般冰塊的結構(上圖右)整齊簡單地層層排列,而可燃冰(上圖左)則是由多個籠狀結構重複堆疊而成。放大可燃冰的結構(下圖)仔細觀察,籠狀結構讓可燃冰有多的空間可以容納甲烷分子,以構成可燃的甲烷冰。

可燃冰能量密度高,1立方公尺的可燃冰可釋出150立方公尺的天然氣,根據過去的統計,台灣每人每年的平均天然氣用量為430立方公尺,換算後則代表家中找塊空地存放3立方公尺的可燃冰,即可提供每人一年的天然氣用量!若可燃冰這種新型態的能源未來開發成功,那麼受惠最多的應屬偏鄉及高山地區居民了,因為這種能量密度高的可燃冰除了提供天然氣之外,還能同時提供乾淨的水源。

哪裡可以找到可燃冰?

圖4甲烷可燃冰的形成除了需要水與甲烷之外,還必須有適當的環境才能夠存在。可燃冰只能穩定存在於高壓低溫的環境,若在常溫常壓下它就會溶解。

1965年後,人類陸續發現天然的甲烷可燃冰,自然界的甲烷可燃冰存在於極區的永凍層,或大陸斜坡與大陸隆堆一帶的海床下面。

圖5海底當然有足夠的海水,但哪裡有大量甲烷可以與海水合成甲烷水合物呢?海底礦層的甲烷由兩種方式生成,一是死亡動植物沉積於海底後,因地熱而熱裂解,產生大量的甲烷;另外海底也有特別的微生物能透過化學反應生成甲烷。

 

圖片4高緯度永凍層區的可燃冰存在於地下約150~2000公尺之間,而深水區可燃存在於海床下約1000公尺內。

 

圖7全世界的可燃冰分布位置幾乎都在陸地沿岸附近,而台灣附近的西南海域也探測到兩個可燃冰蘊藏區。

 

可燃冰為什麼重要?

圖片8根據(上圖)有機碳在地球上的分布比重,可以發現(Gt=giga ton=109 ton=1012 kg)甲烷水合物的量為現存化石燃料的兩倍,或許能夠解決化石燃料即將用罄的能源危機。又與化石燃料相比,可燃冰是較為乾淨的能源。最後,可燃冰特殊的籠狀結構似乎能用來封存CO2 等溫室氣體,減緩日漸加劇的溫室效應;另外它還可能運送氣體,也可以對海水進行淡化,是很有潛力的新能源。

 

圖片6對台灣來說,目前我們使用的能源中有99.2%仰賴進口,而地質探勘的資料顯示西南海域的甲烷可燃冰存量,換算後約可供給台灣50~270年天然氣的使用量。即使技術尚未純熟且成本高,但此待開發的新能源是台灣目前唯一能夠自主開發使用的大量天然資源。況且若開始課徵碳稅,取出天然氣利用後的可燃冰能夠封存二氧化碳,達到溫室氣體的減量。

可燃冰的開採?

圖片7甲烷可燃冰適合存於高壓低溫的環境下,目前開採甲烷可燃冰的方法有兩種:第一種是升溫解離,在可燃冰賦存區開一個井後,灌熱水進去使其溫度上升,水合物一溶解,甲烷即釋出。第二種是減壓解離,一樣在可燃冰賦存區開井,接著把裡面的涵水抽出使其壓力降低,水合物溶解後甲烷就能釋出了。

 

圖片11世界各國對可燃冰的開採現況如下:2002年加拿大與德、日、美、印共同合作,為第一批在永凍原開採天然氣水合物的科學實驗小組;2008~2013年間美國測試以二氧化碳開採甲烷水合物,證實開採甲烷的同時可封存二氧化碳。而由於日本能源大多為進口,所以他們正積極開發可燃冰的開採技術,也是全球第一個掌握海底可燃冰開採技術的國家,正在評估準備商業開發。

 

可燃冰對未來的衝擊?

雖然甲烷可燃冰好處多多,但我們還是必須評估這個新能源可能會帶來的影響與衝擊。首先是能源使用型態的改變,從原本習慣的石化能源轉換到甲烷。第二是甲烷對環境的影響,根據美國研究表示,使用甲烷可燃冰所產生的二氧化碳量比使用頁岩氣所產生的二氧化碳量多好幾倍,加上甲烷本身也是溫室氣體,其暖化地球的威力是二氧化碳的25倍,故我們必須仔細評估利用甲烷天然氣是否會讓溫室效應加劇。

圖片16一旦開採可燃冰,開採區附近的生態及地質會遭到嚴重的破壞,周遭的生物棲息地被破壞必然導致生物聚落消失,而對地質的影響則更大,因為取出甲烷後的地層或海床會變得不穩定,可能崩毀或滑移,釀成地震或海嘯。最好的解決辦法是在取出甲烷的同時灌入二氧化碳封存,但這個技術目前並不純熟,尚待改進。

 

圖片13林祥泰教授的結論是:「甲烷可燃冰可以說是大自然給人類的GIFT」。GIFT可以解釋為禮物,可燃冰是儲存天然氣的大寶藏;GIFT亦可解釋為毒藥,可燃冰的開採對環境與生態有很嚴重的影響。究竟甲烷可燃冰是禮物還是毒藥,這就得看人類的造化了!

[Q&A]

Q:開採可燃冰的最大困難?
A:管線堵塞。

Q:對台灣來說可燃冰的開採是很急迫的嗎?
A:其實最近頁岩氣的開採,讓石化危機解除了,等到石化用完全球會先用頁岩氣,再過一段時間才會認真的來開發可燃冰。

 

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。


 

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PanSci_96
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觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

Brown BL, Creed RP, Dobson WE (2002) Branchiobdellid annelids and their crayfish hosts: are they engaged in a cleaning symbiosis? Oecologia 132: 250–255

Brown BL, Creed RP, Skelton J, Rollins MA, Farrell KJ (2012) The fine line between mutualism and parasitism: complex effects in a cleaning symbiosis demonstrated by multiple field experiments. Oecologia 170: 199–207

Farrell KJ, Creed RP, Brown BL (2014) Preventing overexploitation in a mutualism: partner regulation in the crayfish–branchiobdellid symbiosis. Oecologia 174: 501–510

Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

Tanaka K, Wada K, Hamasaki K (2016) Distribution of Holtodrilus truncatus, a Branchiobdellidan Ectosymbiotic on Atyid Shrimps in the Kii Peninsula, Western Japan, with Reference to Salinity Tolerance and Host Preference. Zoological Science, 33: 154–161

大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262


 

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著