在冰川融化的河川中量化微生物呼吸：PyroScience 助力全球冰川溪流研究
瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）河川生態系實驗室近期於 The Vanishing Glaciers Project（https://www.glacierstreams.ch）中，針對全球冰川融化對高山河川生態系功能的影響展開研究，特別關注碳與營養鹽循環的變化。
隨著氣候變遷導致冰川快速退縮，冰川融水溪流的水文條件與營養供應正急遽改變。微生物代謝在調節碳循環中扮演關鍵角色，但在這些低溫、低營養與低生物量環境中進行原位監測極具挑戰。
為此，研究團隊設計了一套現地實驗系統，成功在全球超過 170 條冰川融水溪流中量化了微生物呼吸作用，作為全球河川能量學研究的重要一環。
實驗設計與方法
研究人員使用客製化的微生物呼吸測試系統（如圖 1），將溪床沉積物與經過無菌濾過的溪水裝入 50 mL 玻璃瓶中（共 8 組樣本）。
每個瓶子皆配有 PyroScience OXSP5 光學氧氣感測貼片，由 SPFIB-BARE-CL2 光纖連接至兩台 FireSting-O₂ 光學氧氣量測儀進行即時監測。為維持自然條件，整個系統直接放置於溪流中以保持原位溫度（in-situ temperature）。
氧氣濃度以 15 秒間隔連續紀錄 2 小時，並根據溫度進行漂移修正後，依乾燥沉積物重量計算氧氣消耗速率。
圖 1：
A) 位於冰川源頭附近的現地部署系統
B) 放入溪水中維持原位溫度的培養瓶
C) 呼吸盒內部配置，顯示標示清楚的樣本瓶與光纖連接
📈 實驗結果
透過氧氣時序數據（如圖 2），研究人員得以精確計算底棲微生物的有氧呼吸速率。在數據處理過程中，研究團隊排除初始 3000 秒資料、限制溫度變化小於 1 °C 並確認氧氣消耗的線性關係，以確保數據穩定性。呼吸速率資料結合放射性標記法（³H-leucine）測得的細菌碳生成速率（BCP），可計算出微生物碳利用效率（CUE）。
圖 2： 微生物呼吸培養過程中溶解氧濃度的下降。
氧氣濃度（mg L⁻¹）隨時間呈線性下降，反映底棲樣本中的有氧微生物呼吸作用。樣本通常培養約 2 小時，並在數據分析時排除最初 3000 秒的量測資料。
研究結果顯示：
- 在 88% 的溪流樣本中觀測到明顯呼吸反應。
- 平均 CUE 為 0.15，顯示微生物主要進行維持代謝（maintenance metabolism），尤其在接近冰川源頭的高海拔區域。
數據結合酵素活性與營養比例分析後，揭示隨冰川退縮，微生物群落由碳限制逐漸轉為磷限制的全球性趨勢。
結論與研究意義
這項研究首次以全球尺度揭示了冰川融水溪流中微生物代謝的能量學格局。
結果指出，冰川影響減弱後，溪流生態系將經歷由低代謝、低碳利用效率向高生產力但潛在營養瓶頸的重大轉變。
PyroScience 的高靈敏光學氧氣感測技術使得研究人員能在極端環境中捕捉細微氧氣動態，精準量化微生物呼吸速率，並將現地數據連結至全球碳循環模型，為氣候變遷下的淡水生態研究提供關鍵依據。
🔧 研究中採用的 PyroScience 產品
- OXSP5 — 光學氧氣感測貼片（非侵入式、耐低溫）
- SPFIB-BARE-CL2 — 光纖讀取線纜，用於連接感測貼片
- FireSting-O₂ (FSO2-4) — 四通道光學氧氣量測儀
- TSUB21 — Pt100 溫度感測器
PyroScience 光學感測解決方案以高精度與穩定性聞名，特別適用於極端氣候、生態與地球化學研究，協助科研人員揭示地球最嚴峻環境下的生命訊號。
資料來源：PyroScience 官方網站
