NTUBSE - 最近研究介紹

🎉人工溼地中甲烷氧化菌的季節性動態研究

人工溼地不僅能改善水質，亦是重要的碳匯系統，其土壤中的甲烷氧化菌在減緩甲烷排放方面扮演關鍵角色。本研究針對台灣不同年齡的人工溼地，應用 DNA 穩定同位素探針技術（DNA-SIP 🧬），結合甲烷氧化菌功能基因與群落組成分析，深入探討甲烷氧化菌的潛在活性與社群結構的季節性變化。

研究結果顯示，人工溼地中的甲烷氧化潛能在冬季顯著高於夏季，且隨著溼地年齡增加，社群組成逐漸由 Type II（Methylocystaceae，Alphaproteobacteria）轉向 Type I（Methylomonadaceae，Gammaproteobacteria）。此外，鹽度、硝酸鹽與硫酸鹽等環境因子亦影響社群分化與活性表現。此研究為人工溼地中應用 DNA-SIP 技術探討甲烷氧化菌動態的重要案例，對理解人工溼地在氣候調適與碳管理中的角色具有重要意義 🌍。

本文第一作者為本實驗室碩士班畢業生陳亭愷，研究相關內容為其碩士論文的主要成果之一。此成果近期已獲國際期刊 Journal of Environmental Management（IF=8.4，全球環境科學期刊排名前8.3%( 31/374)，Q1）接受刊登（September 2025）。

🎉紅樹林土壤中甲烷氧化菌的潛在活性與生態位分化研究

紅樹林為重要的藍碳生態系統，其土壤中的甲烷氧化菌扮演著減緩溫室氣體排放的關鍵角色。本研究針對台灣西部沿岸五處紅樹林地點（總長達 370 公里），應用 DNA 穩定同位素探針技術（DNA-SIP），結合甲烷氧化菌專一性基因分析與微生物群落結構調查，深入探討潛在活性甲烷氧化菌的空間分布與生態位分化。

研究結果顯示，台灣紅樹林土壤中以 Type Ia（Methylococcaceae 類群）為主導，並呈現明顯的南北地理變異與生態分層現象。此研究為亞洲地區少數應用 DNA-SIP 技術於紅樹林甲烷氧化菌的實證研究，對理解藍碳微生物機制具有重要意義。

本文已獲國際頂尖環境科學期刊 Environmental Science & Technology（ES&T，五年影響因子 IF=12.4，全球環境科學期刊排名前 5.3%）接受刊登（August 2025）。

🎉人工濕地脫氮微生物群落的演替與功能潛力分析

人工濕地不僅具有水質淨化的功能，更是微生物參與氮循環的重要場域。本研究針對北台灣三處不同完工年份（10、15、17 年）之人工濕地，系統性調查不同土層（0–2 與 2–5 公分）與季節下的土壤微生物群落結構，並透過高通量定序與 PICRUSt2 功能推論，進一步分析與脫氮功能相關的微生物類群。研究結果顯示，濕地年齡與土壤深度是影響微生物多樣性與組成的主要因子。年輕濕地中自營性脫氮菌（如 Thiobacillus、Sulfurifustis）相對豐富，並與硝酸鹽與硫酸鹽濃度正相關；年長濕地則累積較多可溶性有機碳，促進異營性脫氮菌（如 Chthoniobacter）的優勢。此研究強調濕地養成過程中的微生物功能轉變，對未來優化濕地營養鹽去除效能與設計具有重要參考價值。本文第一作者為本實驗室碩士班畢業生陳亭愷，研究相關內容為他碩士論文的部分成果，此成果近期已獲國際期刊「Microbial Ecology」接受刊登。 (June 2025)。

人工濕地復育後的土壤微生物變化

台灣在過去數十年間建立了很多人工濕地，本研究針對高雄數個不同完工年份的濕地其土壤微生物變化進行全面性的調查。研究透過磷脂脂肪酸技術 (PLFA) 探討濕地中的各種類型微生物組成結構，以及他們所受的環境壓力隨濕地完工年份的變化。

研究結果發現，濕地因為土壤長期厭氧狀態，濕地微生物主要以細菌為主，約佔90%的微生物總量。而真菌等約僅佔10%上下。另外從微生物環境壓力變化看出，在年輕濕地的微生物普遍反應的環境壓力較大，而隨著濕地完工時間變長，其微生物反應出來的環境壓力減少，推測可能與土壤有機物日漸增加，使微生物有更多的營養物質可使用，因此使其壓力減少。

相關結果剛被環境科學領域之頂級學術期刊「Science of The Total Environment 」接受 (Dec 2021)。

人工濕地碳儲存潛力

台灣在過去二十多年間，建造了許多處理非點源汙染或是防洪為主要目的的人工濕地。然而濕地快速生長的植物，能提供有效的碳匯場所，若能確實量化其中的碳吸存效率，將更能解析人工濕地生態系服務的價值。本研究室主持人執行科技部專題研究計畫，調查位在高雄市五個不同完工年份的人工濕地，其中土壤碳組成，以及累積的速率，其研究結果發現，土壤中的難分解有機碳約以2.33 to 0.08 g C m-2 day-1 的速率累積，並約在濕地完工後20-30年達到穩定，而少有繼續累積的效果。相關結果已發表於環境科學領域之頂級學術期刊「Science of The Total Environment 」。

海岸濕地碳儲存與淨溫室氣體減量

生態工程在近年來被大量使用作為汙水淨化、棲地復育、生態保育或是洪災管理的手段之一。濕地即為其中一種被大量應用的生態工法。濕地中的水生植物得以吸收水土中的營養鹽，有利移除過多的N及P。此外，這些新建造的人工濕地亦具有高度的碳吸存潛力。過去的研究即顯示，人工濕地的土壤碳儲存效率可介於 39 – 99 g C m-2 yr-1之間。然而由於濕地存在獨特的厭氧環境特性，使之成為自然界中主要的溫室氣體排放來源之一。且由於濕地植物儲存的碳來自於大氣的二氧化碳，但是排放出的溫室氣體卻可能同時包含氧化亞氮與甲烷等具高熱吸存效率之氣體。因此濕地對於大氣溫室效應的淨減量效果過去一直缺發大尺度且系統性的研究。本研究室主持人、美國地質調查所與北卡羅來納州立大學的團隊合作近日透過全尺度且長期的田野調查所蒐集的數據發現，在一個完工不久的年輕人工海岸濕地，具有相當高的淨溫室氣體減量的效果。其結果已發表於生態領域之優良學術期刊「生態工程(Ecological Engineering)」。

本研究位於北卡羅萊納州海岸的感潮濕地，該研究將一個約五公頃左右之人工濕地透過塑膠布控制其上下游集水區的流向，並且針對其潮汐可能流入或流出之可溶解有機碳、顆粒型有機碳進行連續性監測(每15 mins)，同時針對整個五公頃區域設置18個溫室氣體採樣箱，採集二氧化碳、甲烷與氧化亞氮排放量，另外對於人工濕地的植物生長，在每個季節各採集了8條穿越線，24個樣點的植物地上部、植物根系以及土壤有機碳含量變化分析。另外更設置了共計18個植物地上部與18個植物根系的腐植袋實驗。

藉著調查所有濕地可能的碳循環路徑，該研究發現，海岸型人工溼地其植物生長平均能以1.85 g C m−2 day-1的速率將大氣中的二氧化碳轉化為有機碳。且在長期間的調查發現，植物所吸存的C約有41-46%保留在植物體內、18.4%的C被土壤微生物分解成二氧化碳及甲烷、8.6-13.2%的C轉化為土壤有機碳而長期儲存。同時由於海岸濕地的高鹽鹼性，導致其土壤溫室氣體的排放以二氧化碳為主，因此該濕地對溫室效應的淨減量效果約為 −0.87 to −0.56 g CO 2-eq m−2 day−1(負值表示從大氣中減少)，因此海岸型人工濕地的建造與復育，確實對於溫室氣體具有實質的效果，且值得在未來繼續推行。

水稻田的甲烷氧化反應

往昔咸認為水稻田土壤是人為的主要甲烷排放源。然而包括水田在內的濕地生態系當中，土壤表層常存在可將甲烷氧化的嗜甲烷菌，遂能減低甲烷的淨排放量。在本研究室主持人與中研院生物多樣性研究中心及中國科學院土壤研究所的合作研究發現，台灣水稻田表層土壤可能存在高效能的嗜甲烷菌。該菌能有效地將水稻田深層土壤所產生之甲烷氧化成為二氧化碳，進而減低甲烷所造成溫室效應的影響。這項最新的研究成果已發表在土壤學的頂尖學術期刊「土壤生物與生物化學(Soil Biology and Biochemistry)」。

此篇論文是針對桃園、苗栗、台中、高雄、花蓮、台東等六個農業改良場中的水稻田土壤所進行的研究。研究團隊採集上述樣區水稻田的表層土壤，分析其中的土壤物理化學性質、甲烷氧化效能、嗜甲烷菌物種多樣性，藉以瞭解台灣水稻田土壤中的嗜甲烷菌群結構和分布。研究團隊更利用穩定同位素探針技術，標定嗜甲烷菌的DNA，並結合次世代定序技術，分析此等水稻田土壤中嗜甲烷菌群的親緣關係。

研究結果顯示：台灣水稻田土壤中的嗜甲烷菌群是以Type II型的Methylocystis 為主。此外，六處水稻田土壤中皆可能存在一種以上，與Mehtylocaldum親緣關係相近的Type Ib型嗜甲烷菌新物種。透過高濃度穩定同位素13C標定之甲烷誘導培養，更進一步證實台灣水稻田土壤中具備高效能的嗜甲烷菌群，主要是Type Ia型的Methylosarcina及Methylobacter。其中在苗栗、台中、高雄、台東農改場所發現的嗜甲烷菌與其他亞洲國家如日本、中國、韓國、菲律賓水稻田土壤中所發現的嗜甲烷菌差異極大。顯示台灣這些水稻田土壤所具備高效能的Type Ia型嗜甲烷菌，可能是過去前人研究中所未曾發現之新物種。

此項研究也顯示水稻田土壤中高效能的Type Ia及Type Ib型嗜甲烷菌，偏好於pH較為中性且好氧的土壤。反之，較為酸性或厭氧環境的土壤則較適合低效能的Type II型嗜甲烷菌。綜合而言，生態系中不同的嗜甲烷菌群各有其喜好和適合的棲地環境。若能透過不同的灌溉管理方式，營造出適合高效能嗜甲烷菌生長的棲地條件，應可有效降低水稻田甲烷的淨排放量，減輕水稻栽植對於溫室效應的影響。

海岸(鹹水)濕地為全球重要的生態系之一，其具備多樣性且高生產力的植物與活躍的土壤微生物活動，使之具有多種生態系統服務的功能。如水生植物吸收土壤與水體中的無機營養鹽類，並幫助消除水體中過多的氮與磷。另外多樣性的水生植物與無脊椎動物，也提供海洋生物棲息地及食物的來源。濕地同時也是全球多種天然的生態系中，具備最複雜且多樣化的土壤透氣性與厭氧環境條件的區域。過去近二十年間在台灣已開始注意到濕地的復育與管理，並且利用其獨特的厭氧土壤環境條件，將濕地作為人為活動與自然生態間的緩衝帶，同時在濕地土壤豐富的物理、化學及生物性作用下，減輕人為活動對生態系的直接影響。

也因為近年來氣候變遷與溫室效應日漸被重視，濕地這類具有高度生產力的生態系，亦成為研究學者開始關注的原因之一。過去研究認為，全球濕地生態系之總碳儲存量及每年初級生產量與森林生態系相比相近或甚至更高。而海岸濕地生態系其碳儲存總量更接近於淡水濕地生態系兩倍之多。然而，在過去一世紀以來，因為人為活動與氣候變遷的影響下，全球已經有超過25-50%的海岸濕地受到破壞，並且預估在未來的100年間，全球現有的海岸濕地將有30-40%更可能會因此消失。

海岸濕地的溫室氣體排放

濕地中主要可能排放的溫室氣體為二氧化碳、甲烷以及氧化亞氮，其中又以二氧化碳與甲烷最為重要。海岸濕地由於接受來自潮汐提供的硫酸鹽，其甲烷排放量受到最顯著的影響。硫酸鹽具有相比於二氧化碳而言較高的氧化還原電位與較多的吉布斯自由能，在厭氧環境中能提供硫酸還原菌更多的能量與甲烷產生菌競爭。過去的研究已經證實，土壤中的硫酸鹽濃度與溼地甲烷的淨排放量呈現反比。

在本研究室主持人與美國地質調查所、美國北卡州立大學合作的最近研究成果顯示，在高鹽分濃度(>20 psu)的海岸濕地，其主要的溫室氣體來源為CO2，具有將近90%的總溫室氣體排放。相對之下，海岸濕地的CH4排放量僅有不到10%，而海岸濕地的N2O排放量更是微乎其微。相關研究已經發表於Wetland期刊。

紅樹林海岸濕地甲烷氧化

海岸紅樹林之所以具有低濃度的甲烷排放，其一原因如同上述土壤中硫酸鹽的濃度影響，造成微生物物種競爭，降低濕地甲烷淨排放。另一個原因，科學家主要認為是因為濕地中表層好氧土壤存在能夠將甲烷氧化為二氧化碳的甲烷氧化菌，其高度的甲烷氧化能力，據信能氧化50-90%濕地深層土壤產生的甲烷。

本研究室主持人與中央研究院、中國科學院最近的研究，透過次世代基因定序以及同位素追蹤的技術，以同位素13C作為標記物，用以標記並辨識台灣淡水河口紅樹林土壤中甲烷氧化菌之活性菌種。其結果即顯示，紅樹林土壤中存在大量高甲烷氧化活性之甲烷氧化菌，而其菌種組成與淡水生態系統差異極大，並可能存在大量未知的甲烷氧化菌。相關研究成果已經發表於海岸生態的頂級學術期刊「微生物生態學 (Microbial Ecology)」。

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