研究動機

海洋中的溶解態有機物的總碳量和大氣中的相仿。溶解態的有機碳，包含了生物攝食過程中釋放到水中的有機物與生物活動下的液態排泄物和分泌物，是水中異營性微生物的能量與物質的來源。雖然海洋學家們普遍認為海水中的溶解態有機物質是生物經由固定無機碳而來，但碳-14定年結果顯示海水中的溶解態有機物比起溶解態的無機碳（碳酸鹽）老得許多，對於海水中溶解態有機碳的其他來源跟循環機制都還有很多不瞭解之處。海底熱液系統和岩石圈的老碳可能有交換，故推測熱液送入海中的有機物可能會有比較老的碳。加上海洋中廣泛存在有多環芳香烴的溶解有機物，推測可能是跟海洋熱液活動排到海洋中有關。本研究主要是利用在深海採樣、化學分析方法上的突破，來探究海底熱液系統對於海水中溶解有機碳循環的影響。

海底熱液樣品採集

深海熱液的採樣需透過水下潛艇的協助（圖一、圖二），本人在美國的研究地點是大量存在深海（2600 公尺）洋脊側翼玄武岩層中的中溫（65°C）地下水層。在研究過程中多次與Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) 的水下技術團隊合作，使用了遠端遙控潛艇Remotely operated vehicle ROV-JASON和載人潛艇 human-occupied submersible HOV-Alvin。我在博士修業期間，與指導老師Dr. James Cowen跟老師的技術員謝志強先生一起建造的水下自動採樣系統，採集到高純度（90-100%）且大體積（>20L）的海底熱液樣品。而後與WHOI的Dr. Daniel Repeta合作，進行有機物的萃取，接著利用加速質譜儀與核磁共振儀進行溶解態有機碳碳同位素與功能基的分析。

海底熱液中溶解態有機碳大多來自深海

深海洋脊側翼玄武岩層中溫暖的熱液中仍存有溶解態有機碳，其濃度約為深層海水中的1/3到1/4。其所含的碳-14豐度比海水中來得少，但卻比熱液中的無機碳的碳-14來得多，這樣的碳-14豐度分佈與深層海水中的溶解態有機碳與無機碳是相反的（圖二、圖三）。再加上熱液中的無機碳容易受到岩層中的老碳稀釋而變得缺乏碳-14，因此光是用衰退時間尚無法解釋熱液中的溶解態有機碳之碳-14豐度組成。我們利用熱液中顆粒態有機碳（含微生物體）碳-13的組成成分來推估採集到的熱液樣品中經由熱液生物產生的有機物所佔的比例，結果顯示最多只有27%的溶解態無機碳可能是來自熱液中微生物製造產生的，熱液中顆粒態有機碳(0.07 ±0.02 µmol/L)濃度極低，也顯示必須要有很多的碳產生，才可能足以改變含量相對高的溶解態有機碳(14 ± 2 µM)的碳同位素組成。我們的結果並不支持在2010年McCarthy等人發表的文章顯示附近區域採集的熱液中高分子有機物中碳-14與無機碳的碳-14豐度相似，而推測熱液有機物皆為熱液系統中的微生物經由化學能製造產生的結論。從我們整理出來的全球海水中與熱液樣品中溶解態有機碳的碳-13與碳-14組成變化，可以看到隨著濃度的減少，碳-13與碳-14的含量也相對變少，也就代表著被移除的有機物中是相對富含碳-13與碳-14的，且被移除的有機物濃度與組成與之前文獻中報導過的海水中高分子溶解態物質等都相符，因此我們推論熱液中的溶解態有機物大多是來自深層海水進如岩石層中，依據成分不同有差異性的被移除後，留存下來最無法被分解的有機物。

海底熱液中溶解態有機碳富含環狀結構

本研究中一個大突破是利用核磁共振氫的波譜觀察到熱液中較深海海水中的溶解有機碳富含多環芳香烴結構，因此海水中的部分多環芳香烴的溶解有機物有可能是從熱液中低碳-14的無機碳自生而來，此觀察結果也提供了另一個使得熱液有機碳中碳-13與碳-14豐度偏低的解釋。而熱液中存在的多環芳香烴結構，推測可能是熱液系統的高溫使有機物產生濃縮反應而形成，但其確切的產生機制還需要更多的研究才能得知。

目前研究

為延續之前的研究，本人的團隊目前於台灣附近海域進行海底熱液溶解態有機物的組成研究。最近與中山大學的林玉詩老師共同合作，利用噴發在淺海（15-25公尺） 的龜山島熱泉區（40-100 °C）海底熱液，在臺灣建立熱液樣品採集與分析方法。淺海熱液的採樣因水淺，導致研究船無法太靠近，我們採樣方式改利用研究船的小艇和攜帶水下採樣器材與監測儀器，由我跟專業潛水人員潛水至到海床上尋找適當的泉口施放器材與採集水樣。由於熱泉化學組成屬性與海水很不相同，有的實驗分析，例如水中還原態二價硫，必須於水下在水樣採集後立刻進行固定以避免在空氣中被氧化（圖四），其他的熱液樣品則迅速送回到研究船後，立刻進行培養實驗、過濾、萃取與進行部分的成分分析，以降低將熱液樣品送回到陸地實驗室過程中可能造成的改變。未來希望能把深海熱液的採樣深度加深，申請利用臺大與海科中心的遠端遙控潛艇協助水樣的採集，配合在台大的各項尖端化學組成分析儀器，來更了解海底熱液環境對於海洋有機碳循環中所扮演的角色。

研究與教學—海洋熱液系統 (Submarine Hydrothermal Systems: Sampling, Biogeochemistry, and Habitats)

為了深耕、推廣與栽培台灣未來從事深海熱液研究人才，本人從107學年度開始，開設一門專門介紹海洋熱液系統的課程，為了讓學生接軌國際，全程用英文上課，使用的教材涵蓋了經典的文獻與最新發表的書籍與文章，介紹探索海洋熱液系統的各式水下探測、採樣方式、熱泉區特殊的沈積物與熱液化學組成、熱泉區特殊的生物圈等的。此課程於107上學期得到台大創新教學研究經費補助，配合本人的科技部計畫補助，而可以讓學生到龜山島熱泉區實際參與湧泉噴發到海表的觀察與採樣，並在期中安排到高雄的海科中心所屬的大型研究船勵進號上參觀台灣目前唯一的研究型遠端遙控潛水艇TORI-ROV（圖五）。期待未來這門課程持續開設，讓台灣有更多的學生知道台灣附近海域中富含的各式特別的熱液系統，並且願意選擇加入海洋研究的行列。