2016年5月14日

winogradsky微生物管柱(1)-細菌生態瓶的基本介紹

玩膩了一般的生態瓶嗎?不如玩玩這個細菌生態瓶吧!

在開始玩生態瓶之前,先了解一下基本知識。

用碳源區分自營生物與異營生物
生物體裡的分子,如醣類、蛋白質、脂質都是以碳為骨架的分子,因此生物必須想辦法從外界獲得碳來建構自己的細胞。可是碳怎麼來呢?如果碳的來源是其他生物的產物,像是葡萄糖、澱粉、脂肪酸那類的,那麼這樣的生物就叫做異營生物,比方說我們就是標準的異營生物,因為我們要吃其他生物產生的養分,這樣才能獲得碳。

而有些生物的碳來源,則是用二氧化碳,那這種就叫做自營生物。你可能會想,「欸,可是二氧化碳不是生物製造的嗎?」是沒錯啦,可是二氧化碳不全都是生物製造的喔。火山爆發也會增加二氧化碳,或是石灰岩被酸蝕也是有二氧化碳。所以如果某生物的碳源是二氧化碳的話,就算沒有其他生物存在,他也能夠獲得碳哪,所以才會叫做自營生物。(靠己獲得養)


用能量來源區分光合與化合生物
再來是以能量來源來區分,一大類是靠捕捉光能來獲得能量,另一類是靠化學物質來獲得能量,所以這樣可以分成光合生物化學合成生物(簡稱化合生物)。

不用多說,植物是光合生物,這個大家應該都知道。而我們則是化學合成生物,得靠分解醣類、蛋白質、脂質來獲得能量。

綜合以上兩個方向,不就會有四類型的生物嗎?分別是光合自營、光合異營、化合自營、化合異營,以下就把這四類型的生物舉個例吧。

  1. 光合自營生物:藻類、植物
  2. 光合異營生物:紫色非硫細菌、光合細菌
  3. 化合自營生物:硫化菌、鐵氧化菌
  4. 化合異營生物:動物、真菌

第一種和第四種,大家應該都熟,倒是第二種和第三種就是比較陌生的呢。而這裡要介紹的細菌生態瓶就是可以養出這些光合異營生物和化合自營生物喔!


製作Winogradsky column
第一個提出利用這種裝置來進行微生物培養與觀察的是俄國科學家,他叫做Winogradsky (1856-1953) ,所以這個裝置就叫做Winogradsky column,可以培養出不同種類的微生物,並且了解彼此產生的交互關係

材料很簡單,以下這些就可以了

  • 寶特瓶
  • 泥土
  • 報紙或碎紙
  • 雞蛋


寶特瓶是用來培養細菌的容器,用其他塑膠管、玻璃罐的都可以。微生物的來源是泥土,可以用田土或是池塘、河流的底泥,不用擔心沒有微生物,那些目標微生物可是廣泛分佈在土壤當中呢。

再來是微生物的碳源(碳的來源)和硫源(硫的來源)。報紙裡的纖維素是最簡單的碳源,撕成一條條就可以,或者直接去碎紙機挖出一些就可以用了。

硫源則是直接使用一顆蛋,連蛋殼一起加進去,這樣不只提供硫,還能提供其他營養。或是你可以用石膏粉(硫酸鈣)來提供硫。

課程中,也可以讓學生進行討論,設計不同的變因來進行實驗。變因包括:
光照與否
碳的量(不提供,或是不同量的碎紙)
硫的量(不提供,或是不同量的碎紙)

設計了實驗之後,建議先把實驗設計的變因寫在瓶子上,這樣後續裝置與觀察時,才能一目了然,像是有提供碳,瓶子上就寫C+;有提供硫,就寫S+。

挖取土壤之後,先裝在塑膠盆子裡,把土壤、碳源和硫源混合之後,裝入寶特瓶裡頭,再倒水進入瓶中。我建議是土壤佔1/2,水佔1/4,剩下的就是空氣了。裝完之後,是否密封蓋子要看後續想觀察什麼,如果想要收集微生物產生的氣體,那麼可以旋緊蓋子,當然你還得選用汽水瓶來當容器,不然氣壓過大可能會爆瓶,汽水瓶到6大氣壓大概都還沒問題。

如果沒有特別要收集氣體,可以不用加蓋,但是上面用塑膠袋蓋住瓶口,再用橡皮筋捆緊塑膠袋,並用針在塑膠袋上刺幾個小洞排出氣體。你甚至可以一開始就切掉寶特瓶上部,這樣才比較好裝泥土。

裝置弄好以後,放在能照到陽光的地方,每隔幾天觀察一次,就可以看到這些微生物的消長變化。

剛開始的一兩天,可能會看到水中有一些動物出現,像是搖蚊的幼蟲、線蟲、顫蚓...之類的。除了這些生物以外,水裡、土裡看起來都相當平靜,好像沒有任何生物會出現,實際上裡頭正是風起雲湧的時候啊。

無氧狀態的細菌
一開始加入的碎紙,裡頭的纖維素會被容器裡的異營細菌利用(意思就是紙被分解了)。這些細菌會快速生長而消耗氧氣,使得大部分的水體和土壤部份成為無氧狀態(anaerobic),只有最上面水層還是有氧狀態。

無氧狀態時,微生物都死了嗎?也沒有,因為有很多微生物在無氧狀態能夠進行無氧呼吸(anaerobic respiration),或是利用發酵作用(Fermentation )代謝有機物,這些過程會產生二氧化碳和一些有機酸。(有氧呼吸的過程是利用氧氣作為最終的電子接收者,而細菌的無氧呼吸,最終電子接收者有些是利用硝酸鹽(nitrate),有些利用硫酸鹽(sulphate ions))

當土壤部份的氧氣被耗盡時,一些能夠降解纖維素的梭菌(Clostridium)會開始生長。梭菌是絕對厭氧菌,在有氧的環境時,氧氣會殺死它們的營養細胞(vegetative cells),所以它們在有氧的環境時會以孢子的型態存在,等待無氧的那一天。

梭菌可以把纖維素分解為葡萄糖,並且發酵葡萄糖來產生能量,這個發酵的過程的產物是一些簡單的有機物質(乙醇、乙酸、琥珀酸)。

此外脫硫弧菌(Desulfovibrio)之類的硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria)可以利用無氧呼吸來利用這些發酵的產物。它們可以利用硫酸鹽或是硫代硫酸鹽(thiosulphate)作為電子接收者,將硫酸鹽還原成硫化氫或是硫離子。

硫化氫的味道大家一定聞過,想像以下幾個味道就是了:硫磺泉、臭雞蛋、陽明山的小油坑、某些屁味屎味,翻攪水溝會聞到的臭味也是它了。

硫化氫會和沉積物裡的鐵離子反應,生成黑色的硫化亞鐵(FeS,ferrous sulphide)(但有一說為產生硫化鐵)。湖的底泥、排水溝或是排水管裡總是看起來黑黑,就是這些物質。部份的硫化氫會往上擴散到水體,再被其他細菌利用。

水裡的光合自營菌-綠硫菌與紫硫菌
水裡的一些無氧光合細菌(naerobic photosynthetic bacteria)會利用水體的硫化氫,他們通常會在沉積物上方形成兩個有色區塊,綠色的是綠硫菌(green sulphur bacteria),另一個則是紅中帶紫的紫硫菌(purple sulphur bacteria)。

綠硫菌和紫硫菌這些光合細菌會從光照獲取能量,也從二氧化碳獲得碳(就和植物一樣)。但不同的是他們並不會在光合作用的時候產生氧氣,因為他們不是使用水作為還原劑,他們是使用硫化氫,所以最後就會產生硫。

植物的光合作用反應式
6 CO2 + 6 H20 = C6H12O6 + 6 O2

細菌的無氧光合作用是這樣的
6 CO2 + 6 H2S = C6H12O6 + 6 S (bacterial anaerobic photosynthesis)

如果經過平衡,是這樣的
6 CO2 + 12 H2S = C6H12O6 + 6 H20 + 12S

紫硫菌有比較大的細胞,而且他們會把硫的顆粒放在自己的細胞裡,例如Thiocapsa。而綠硫菌的細菌比較小,是把硫放到細胞外。

經由這些光合細菌產生的硫或硫酸鹽,會再被脫硫弧菌拿來利用,這就是自然水體中會有的硫循環(Sulfur cycle)。

水裡的光合異營生物-紫色非硫細菌
在光合細菌之上的水體,會呈現亮紅色,這是因為有大量的紫色非硫細菌(purple nonsulfur bacteria),包含了紅假單胞菌(Rhodopseudomonas), 紅螺菌(Rhodospirillum) 和紅微菌(Rhodomicrobium)等

這些細菌生活在無氧的環境裡,從光照獲得能量,但是利用有機酸作為碳源,所以這些細菌被稱為光合異營菌(photoheterotrophs)。有機酸的來源是其他細菌發酵的產物,例如前面提到的梭菌。

紫色非硫細菌的位置會在綠硫菌和紫硫菌之上,因為它無法忍受高濃度的硫化氫。(位置越高,硫化氫的濃度越低)

水裡還有哪些菌?
水中是氧氣濃度相對較高的地方,可能會有以下細菌:

能行光合作用的藍綠菌、有鞘細菌(sheathed bacteria)通常在水面上。

水中還可能有硫氧化菌(sulphur-oxidising bacteria),它們可以氧化擴散進水體的硫化氫,而其碳源是二氧化碳,所以是化合自營菌。

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上述資料翻譯改寫自此網頁
The Microbial World: Winogradsky column: perpetual life in a tube
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統整上述資料,由上而下可以看見這些細菌的分佈狀況
藍綠菌(Cynobacteria):光合自營
異營細菌(Heterotrophic bacteria):化合異營
鐵氧化細菌(Iron oxidizing bacteria):兼性化合自營或絕對化合自營
紫色非硫細菌(Puple nonsulfur bacteria):光合異營
紫硫菌(Purple sulfur bacteria):光合自營
綠硫菌(Green sulfur bacteria):光合自營
硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria):


請參考HHMI的這張圖


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