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高端海洋研究計畫
高端海洋研究計畫

目標
本校海洋中心以籌組研究團隊爭取校外資源,建構核心設施與關鍵技術服務平台,支援海洋卓越教學與特色研究為定位,協助本校達到世界級海洋頂尖大學的願景。

具體措施及創新作法
本校積極致力於海洋特色研究,配合本校海洋專業設備和師資外,除結合國內外研究機構與產官學界,並延攬國內外海洋專業高階人才,由本校主導研究方向、進度與研究成果,進行之研究含括:全球氣候變遷、龜山島為極端環境作為全球環境變遷之研究基地、養殖科技、藻類技術與應用、海洋生態保育、智慧航運、海事研究與發展、海洋政策與事務及海洋工程與新能源等領域。

執行成果
本年度研究亮點特色包含:
1. 針對東沙島上兩處海草床海水碳化學參數的日夜變化進行觀測。研究結果顯示水體動力環境對調節海草床生地化的過程扮演了重要的角色。在半封閉的內潟湖中,由於水體動力能量較低以及駐留時間較長,有利於沉積物中厭氧代謝作用生成鹼度並累積在上覆的水體當中。根據熱力學原理可知,鹼度的增加可提高海水對海洋酸化的緩衝能力以及對大氣二氧化碳的吸收能力。此研究證實了在適當的水體動力環境下,海草床具有減緩海洋酸化以及促進大氣二氧化碳吸收的生態服務功能。因此,海草床的保育與復育具有減緩人為活動排放二氧化碳所造成環境問題的潛力。傳統上,海草床減緩海洋酸化以及促進大氣二氧化碳吸收的能力被認為主要來自水體中高的基礎生產力。但本研究發現,在合宜的水體動力環境下,沉積物中厭氧代謝作用,對海草床此等生態服務功能亦有重要貢獻。本研究結果對欲以海草床保育與復育來作為減緩人為活動排放二氧化碳所造成的環境問題,提供了一個過去研究所未曾發現的重要過程,深具生態工程上的實際應用潛力。
Chou, Wen-Chen; Chu, Hui-Chuan; Chen, Ying-Hsuan; Syu, Rong-Wei; Hung, Chin-Chang; Soong, Keryea. 2018. Short-term variability of carbon chemistry in two contrasting seagrass meadows at Dongsha Island: Implications for pH buffering and CO2 sequestration. Estuarine, Coastal and Shelf Science 210: 36-44 [MARINE AND FRESHWATER BIOLOGY, 23/106]

圖說:半封閉(上圖)與開放(下圖)的水體環境相較而言,由於能量較低以及水的駐留時間較長,有利於海草床沉積物中厭氧代謝作用生成鹼度並累積在上覆的水體當中,因而提高了海水對海洋酸化的緩衝能力以及對大氣二氧化碳的吸收能力。

2. 海底熱泉的影響與全球變遷的因素有幾個共同點,例如高溫和高二氧化碳濃度、低pH值、排出亞硫酸鹽化合物等有毒化學物質、高濃度的微量金屬、高濁度等等。二氧化碳和其他氣體濃度的增加降低了海水的 pH 值而導致海洋酸化,故研究生活在海底熱泉內外的生物並與生活在海底熱泉範圍外的生物群進行比較,可了解海洋生物賴以適應極端環境的行為、遺傳、演化等途徑。其中,淺海區域的海底熱泉因為較易進行採集調查更是天然的實驗室,可採取直接觀察和實驗方法來研究極端環境與全球變遷對生物的效應,以及生物的適應方式。作為自然棲息地,海底熱泉有利於了解和預測全球變遷對未來海洋和海中生物的影響。 龜山島處於台灣東北角在較淺的水域 (15~300米深) 有幾個世界記錄pH值最低的海底熱泉,其所產生的氣體主要由二氧化碳和少量硫化氫組成。此處海底熱泉可分為“黃色熱泉〞和“白色熱泉”兩種類型。黃色熱泉液體的溫度為 78~116°C,而白色熱泉液體的溫度為30~65°C。黃色熱泉流出物 pH 值極低 (可低至 1.52),且化學組成廣泛。白色熱泉流出物的特徵則在於銅、鐵、甲烷等濃度相對較低。在每次漲潮後大約3.5小時,海底熱泉液達到最高溫。來自海底熱泉的液體湧上海面,然後通過潮汐運動進行運輸和混合。在海底熱泉產生的氣體主要由二氧化碳和少量硫化氫組成。 龜山島海底熱泉區域的熱泉礦化產物主要是硫質的煙囪、土墩、球狀物沈積等等。龜山島在海底熱泉排氣口和海面水體中的細菌群落之總體基因特徵顯示具有大量的化學自養菌種,與大多數淺海海底熱泉生態系統一樣,此處的細菌可通過光合作用和化學合成來獲取能量。龜山島海域的大型動物包含螃蟹、海葵、蝦虎魚、水蟌、軟體動物、海蛇等,這些生物體通常少量分布於海底熱泉的周圍,並且其生活史受到海底熱泉噴發很深的影響,故龜山島淺海海底熱泉作為研究與預測全球變遷對生物體的影響和其適應機制的樣板。
海洋中心自2006年從教育部第一期 「發展國立一流大學及頂尖研究中心計畫」成立以來,便以龜山島熱泉生態和生物為主要研究重點,累計發表論文達18篇,本年度從多樣性調查結果發表兩篇論文,分別記錄6個台灣台灣新紀錄貝類和報導一種扇蟹可棲息於熱泉噴口附近。
(Tseng, L.-C., Limviriyakul, P., Ho, P.-H., Hwang J.-S. (2018). The presence of Macromedaeus distinguendus (De Haan, 1835) (Brachyura, Xanthidae) in the shallow hydrothermal vent system off northeastern Taiwan. Crustaceana. 91(7): 879–895. [MARINE & FRESHWATER BIOLOGY, 95/106];Chen, C., Chan, T.Y. Chan, B.K.K. (2018) Molluscan diversity in shallow water hydrothermal vents off Kueishan Island, Taiwan. Marine Biodiversity. 48: 709-714. [MARINE & FRESHWATER BIOLOGY, 33/106])。
龜山島熱泉生態海洋中心以前的研究證實其是一個具化學合成與光合作用的特殊生態系,為對龜山島淺海熱泉及周邊底棲生物的營養階層進行更深入的研究,本年度從熱泉噴口至300公尺以外距離,利用碳、氮同位素分析不同距離的多種底棲生物如烏龜怪方蟹、海葵、螺類、珊瑚、大型藻類、浮游動物、水中的有機顆粒和化學合成細菌,發現龜山島熱泉中高階消費者的主要營養來源自光合作用(藻類佔0.12~0.73,浮游動物佔<0.01~0.62),化學合成作用能量僅佔0.04~0.28,惟底棲消費者的營養來源有很大的種內差異,較接近熱泉噴口的都會多利用化學合成的能量,顯示熱泉除能影響生物群聚變化外,亦可改變消費者食性及其在食物鏈中的位階。
(Wang, T.-W., Lau, D.C.P., Chan, T.-Y., Chan, B.K.K. (submitted) Autochthony and isotopic niches of benthic fauna at shallow-water hydrothermal vents. Royal Society Open Science [MULTIDISCIPLINARY SCIENCES, 17/64])

圖說:烏龜怪方蟹及其食物之碳、氮同位素關係 (A),於熱泉噴口不同距離烏龜怪方蟹的碳、氮同位數關係 (B) 及其食物比例 (C)。顯示熱泉噴口不同距離的烏龜怪方蟹食性有明顯變化並能影響其在食物鏈中的位階。

另與國內潛水專家合作開發出具獨立電源的水下紅外線縮時相機,用以探討龜山島熱泉的優勢種烏龜怪方蟹的日常活動與環境因子的關聯。目前國內使用的水下攝影裝置多是需接有線電源,以電池供應電源的水下攝影裝置則無法在夜間進行攝影。惟龜山島為無人島,近熱泉地區的海岸為不穩定的峭壁,且離岸50公尺,十分難架設插電的水下攝影裝置。海洋中心使用具獨立電池的紅外線水下攝影紀錄裝置,是國內首次嘗試使用這種設備於海洋生物研究。初步結果顯示熱泉噴口的怪方蟹密度是與潮汐和水溫具有相關性,但與光度無關,亦即退潮時水溫會較高,怪方蟹的密度亦較多,本實驗獲得的結果應可更了解極端環境下海洋生物的適應模式。

3. 日本龍蝦主要分布於台灣及日本,在兩地都是重要的漁業資源,以往日本龍蝦的幼苗入添模式僅建立在日本海域發現的幼生上,並認為主要緣黑潮擴散。本研究首次在台灣沿海採獲日本龍蝦的幼生,再利用分子遺傳分析證實日本和台灣的日本龍蝦都屬同一族群,從而修正日本龍蝦的入添模式,即其後期又生可擴散至更南方至台灣南部海域,且黑潮支流是主要負責台灣海峽日本龍蝦的幼苗入添。
(Chan, T.-Y., Yang, C.-H., Wakabayashi, K. (online). Amended larval recruitment model for the Japanese spiny lobster Panulirus japonicus based on new larval records and population genetic data in Taiwan. Journal of Oceanography. doi.org/10.1007/s10872-018-0498-5. [OCEANOGRAPHY, 31/64])

4. 秘雕魚常出現在養殖和核電廠溫排水地區,成因是為高水溫引致幼魚脊椎骨的變異。但秘雕魚的脊椎變異能否康復未曾有深入的研究。針對核二廠溫排水對烏魚幼魚脊椎骨的影響進行一系列的研究顯示,幼魚在水溫超過34°C兩周後脊椎便開始有變化,4周後便有十分明顯的變異。如脊椎有變化的幼魚在26°C水溫8周後則可回復正常的脊椎骨。即在生長過程中, 骨骼本身的再塑作用 (remodeling) 可能足以矯正早期的發育畸形,研究結果顯示秘雕魚確實是熱污染引起,但在熱污染排除後卻有康復的可能,這發現在海洋生物熱污染防治上具有重要的參考價值。而以環境保護的立場而言, 因寒冷或是降載的季節而降低的水溫可能有助於區域內魚類族群的正常生長。
(Shao, Yi Ta; Chuang, Shang-Ying; Chang, Hao-Yi; Tseng, Yung-Che; Shao, Kwang-Tsao. 2018. Largescale mullet (Planiliza macrolepis) can recover from thermal pollution-induced malformations. PLoS One 13(11): e0208005. [MULTIDISCIPLINARY SCIENCES, 15/64])

5. 對蝦類是蝦類中最具經濟價值的一群,包括養殖漁業中的草蝦、白蝦、劍蝦等。以全粒線體基因序列分析對蝦總科中所有的科和族共20種,顯示在遺傳演化關係上,經濟價值最高的對蝦科其實不是一個單元系,其下三個族中,一個族是與管鞭蝦科、鬚蝦科和深對蝦科較接近,而另一個族則是與單肢蝦科為姊妹群,故對蝦科下的三個族都需提昇為獨立的科。研究結果將對蝦總科的分類系統從傳統的5科修訂至7科,且顯示對蝦類是起源自淺海,後來才逐漸演化至深海環境。
(Cheng, Jiao; Chan, Tin-Yam; Zhang, Nan; Sun, Song; Sha, Sha, Zhong-li. 2018. Mitochondrial phylogenomics reveals insights into taxonomy and evolution of Penaeoidea (Crustacea: Decapoda). Zoologica Scripta 47(5): 582-594 [ZOOLOGY, 10/167])

6. 與新加坡大學合作,使用印尼科學院 (LIPI) 的大型研究船於爪哇西方3月14日~4月6日進行深海生物多樣性研究調查航次,由海洋中心提供深海底棲生物採集網具及技術,成功採集大量深海生物並為新加坡和印尼媒體廣泛報導。本調查的蝦類樣本都由海洋中心人員負責進行研究。目前至少發現有3個世界新種,其中1新種萊伯蝦更已撰寫成學術論文投稿。
(Komai T., S.-C. Chang, T.-Y. Chan (in submission) A new deep-sea species of the caridean shrimp genus Lebbeus White, 1847 (Decapoda: Thoridae) from southern Java, Indonesia. The Raffles Bullentin of Zoology [Zoology: 121/167])

7. 利用轉錄體分析石斑魚在神經壞死病毒(NNV)感染晚期的免疫基因狀態,發現有大量的先天免疫基因被活化,包括表面受體與干擾素系統皆在腦組織中有活耀的表現,但有趣的是在後天免疫的部分中,T細胞抑制因子如PD-L1與LAG3卻是正向調控,這暗示著T細胞弱化在宿主無法有效去除NNV的持續性感染現象中,可能扮演重要的角色,這樣的轉錄體分析成果讓我們對魚類病毒感染的機制有更深入的了解。
Tso, Chun-Hsi; Lu, Ming-Wei. 2018. Transcriptome profiling analysis of grouper during nervous necrosis virus persistent infection. Fish and Shellfish Immunology 7: 224-232. [VETERINARY SCIENCES, 3/140]

8. 馬祖沿岸夜光蟲數量變化與環境的關係研究,海耀 (glowing sea) 是渦鞭毛蟲綱夜光蟲 (Noctiluca scintillans) 的藻華現象,此自然海洋生態在馬祖列島是一相當知名的觀光景點。馬祖列島夜光蟲藻華的機制以往仍然沒有任何文獻可查,海洋中心在馬祖列島南竿鄉介壽澳口進行夜光蟲的數量與不同環境因子間的關係研究。採集水文資料 (溫度、鹽度、降雨、溶氧)、生物資料 (葉綠素a及矽藻數量)、及化學資料 (NO21-+NO32-, PO43- and SiO44-) 等環境因子。結果顯示溫度是一個控制夜光蟲出現與否的主要因子。夜光蟲食泡裡發現了矽藻的存在,而PCA分析顯示矽藻數量與夜光蟲數量有著很高的負相關,此結果暗示著矽藻從夜光蟲那承受了很高的攝食壓。夜光蟲最大生物量表現在閩江泛水期期間 (從四月到六月),該期間也是矽藻呈最大生物量的時候且鹽度與矽酸鹽濃度呈負相關。在不同時間尺度下,矽藻生物量與鹽度/矽酸鹽的相互關係似乎顯示著馬祖海域的矽酸鹽是由閩江水所帶來的。而當環境變得較不適合夜光蟲、且其數量變少時,夜光蟲可能藉由有性生殖繼續存活。根據研究結果海洋中心協助連江縣政府成立馬祖藍眼淚生態館於8月開幕,內部展示結合本校研發人工大量培育及量化藍眼淚(夜光蟲),場景並運用科技創造虛擬實境環境,彷彿讓人親臨現場,供遊客近距離的觸摸認識,藉由專業導覽解說,帶領遊客與藍眼淚深層的互動,理解自然的美妙外,也能尊重生態上的重要保育涵義。
(Tsai, Sheng-Fang ; Wu, Lu-Ying; Chou, Wen-Chen ; Chiang, Kuo-Ping. 2018. The dynamics of a dominant dinoflagellate, Noctiluca scintillans, in the subtropical coastal waters of the Matsu archipelago. Marine Pollution Bulletin 127: 553-558 [ MARINE & FRESHWATER BIOLOGY, 9/106])