1、第四章：生物科學與環境第四章：生物科學與環境生物資源生物資源1.生物資源指人類可以利用的生物或其產 物，生物包括動物、植物和微生物等。2.由生物資源的功能可了解維護生物資源維護生物資源和 生物多樣性生物多樣性的重要：(1)生物資源提供人類日常生活所需人類日常生活所需、工業 原料、教育與研究題材。(2)生物多樣性可維持生態系的穩定維持生態系的穩定。(3)生物資源可解決環境汙染環境汙染、垃圾處理垃圾處理 和能源供應能源供應(如生質能源)等問題。合理使用生物資源合理使用生物資源-永續利用永續利用要合理的使用生物資源，就需要先了解要合理的使用生物資源，就需要先了解生物資源的特性。生物資源的特性。1.生
2、物資源分布不均生物資源分布不均：例如：陸地上並非到處皆有森林，而部分 生物只生存在熱帶雨林中等。2.生物資源具可回復性生物資源具可回復性：生物可藉由繁殖或 生長而使數量與質量回復到原有狀態，因 此能在合理範圍下，不斷的提供需求能在合理範圍下，不斷的提供需求。生物資源的特性生物資源的特性(續續)3.生物族群有齡期分布和生殖季節的特性生物族群有齡期分布和生殖季節的特性：生物沒有成長到生殖期不會繁殖後代。(1)象要經約10 年的生長才能達性成熟，母象懷孕期約為22 個月，約每39 年 才生一頭幼象；喬木類植物的更新常 需要幾十年到上百年。(2)生物的繁殖通常有季節性，若過了生殖 季節就不會有生殖作用
3、。生物資源的特性生物資源的特性(續續)4.生物資源需要有一定的空間生物資源需要有一定的空間(土地或水域土地或水域)要增加生物資源的產量，就要增加空間 供其生長、繁殖。但在增加空間的同時，也可能破壞其他生物棲息地。5.生物資源易受環境因素的影響：生物資源易受環境因素的影響：寒冷和乾旱易使生物大量死亡，如珊瑚 對溫度變化相當敏感。合理使用生物資源的原則合理使用生物資源的原則1.生物資源涵蓋基因、物種與生態系三個層次，維護這些多樣性，是人類永續發展的基礎。2.從保護和培育方面著手，遵守合理使用的原則 (1)首先要知道哪些生物該保護？哪些生物可充分利用？(2)再調查其分布、族群現狀、棲地與生態環境 狀
4、況、利用現狀和危害存活的原因等。(3)建立檔案資料，供後續分析判斷。3.生物資源現況的調查現況的調查是生物資源能否合理使用 的基礎。合理使用生物資源的原則合理使用生物資源的原則(續續)1.生物資源還包含基因資源、細胞資源和生 態系資源等，是涵蓋多層次的概念。2.保護生物資源的具體做法：設置如生物資源中心、保種中心、種子庫 、基因銀行、國家公園和自然保護區等。種子庫種子庫古人的保育觀念古人的保育觀念孟子孟子梁惠王篇梁惠王篇 數罟不入污池，魚鱉不可勝食也，數罟不入污池，魚鱉不可勝食也，斧斤以時入山林，材木不可勝用也。斧斤以時入山林，材木不可勝用也。細細密的漁網不入水池，魚鱉就吃不完，密的漁網不入水
5、池，魚鱉就吃不完，刀斧依一定時令入山伐木，木材就用不完。刀斧依一定時令入山伐木，木材就用不完。合理使用生物資源的原則合理使用生物資源的原則(續續)1.利用生物資源的強度與開發速度不能超出 生物資源的再生能力生物資源的再生能力。2.過度利用不只是使資源匱乏，也易造成 物種的滅絕和生態系的崩潰。3.利用生物時應注意其齡期分布和繁殖期：(1)將捕獲的幼小魚類或獸類放回。(2)動物繁殖期不可狩獵或釣魚。4.減少棲地的開發破壞、減少汙染或進行 汙染整治，以維持生物資源的永續發展。注意生物的齡期分布和繁殖期注意生物的齡期分布和繁殖期以美國緬因州的龍蝦資源為例以美國緬因州的龍蝦資源為例，政府以法規來確保龍蝦
6、的永續發展：1.龍蝦要58年的成長期才能繁殖，每產下 50,000個卵才能得到2隻成年龍蝦，成長率極低！2.旅遊船載遊客出海捕龍蝦，捕捉到的龍蝦 需量頭的長度，頭長小於頭長小於3.25英吋及腹部英吋及腹部 抱卵的雌蝦需放回大海抱卵的雌蝦需放回大海，否則分別罰款 500及1,000美元。讓讓衰退的生物資源衰退的生物資源重新恢復重新恢復1.對於已經出現衰退的生物資源，要重建或恢復重建或恢復 其生態環境，協助其恢復到一定的數量。2.培育稀有及瀕臨滅絕的生物，應注意大量的培 育，可能會破壞生態平衡，帶來另一種災害。3.制定各種保護法保護法，禁止濫捕、濫伐、濫墾和濫 植，禁止珍稀的動植物的買賣等活動。例
7、如：根據1992 年的生物多樣性公約生物多樣性公約、瀕臨滅絕野生瀕臨滅絕野生 動植物國際貿易公約動植物國際貿易公約等國際性法規來制定規範。生物資源的現狀生物資源的現狀 1.地球的生物資源相當豐富，但由於人類造成的 棲地破壞、環境汙染、濫捕、濫伐、尤其是全 球氣候的變遷，已經使地球上有許多生物滅絕。2.根據自然期刊 2014 年公布的生命狀態報告中，指出765個物種已滅絕個物種已滅絕、5,522個物種受到滅絕個物種受到滅絕 威脅，這其中包括威脅，這其中包括13%的鳥類、的鳥類、26%的哺乳類、的哺乳類、41%的兩棲類的兩棲類。這是恐龍滅絕和冰河期之後，最嚴重的物種消失。3.有專家推測，到二十一世
8、紀末，全球氣候的變 遷會導致50的植物面臨生存威脅，超過75 的維管束植物可能完全消失。生物資源的現狀生物資源的現狀-以森林為例以森林為例1.世界現存的動、植物，半數以上在森林中。2.森林有涵養水源、保持水土、淨化空氣、調節 氣候的功能，更直接提供木材、紙漿、食物和 藥物等，可說是地球最珍貴的財富。3.在過去數百年來森林被過度砍伐，其中1990 2010 年間有135 個百萬公頃的森林消失（約 37個臺灣大小）。許多的物種還來不及命名，就已消失或瀕臨絕種。森林資源的減少森林資源的減少 1990年至年至2010年間全世界森林覆蓋面積年間全世界森林覆蓋面積（資料來源：聯合國 糧食暨農業組織）台灣的
9、魚類資源台灣的魚類資源1.臺灣淡水魚原生種有266 種，其中的20物種 因外來種、汙染、棲息地破壞等，處於危急狀 態，目前約有目前約有20 種以上為瀕臨絕種或已絕種種以上為瀕臨絕種或已絕種。(2012 年10 月林務局臺灣淡水魚類紅皮書)2.中研院研究團隊發現，30年來北海岸魚種從120 種銳減至30種，只剩四分之一，魚源枯竭速度 超乎預期。若魚源枯竭，台灣將成無魚之島。(2016 年1月3日新聞報導)外來魚肆虐，日月潭奇力魚快絕跡外來魚肆虐，日月潭奇力魚快絕跡搶救搶救生物資源生物資源1.所有的資料都顯示生物資源大量而快速的消失，不久人類可能面臨資源枯竭、生物多樣性降低 和生態系崩潰的困境，無
10、法永續發展。保護生物資源已經是刻不容緩的事！2.該如何保護生物資源？(1)減緩氣候變遷。(2)停止過度利用。(3)停止汙染環境。(4)保護生物棲息環境。(5)抑制人口的膨脹等。替代能源替代能源1.化石燃料終會用完，需尋找替代能源。2.替代能源的種類：核能、地熱、太陽能、風力、海浪、生質能核能、地熱、太陽能、風力、海浪、生質能3.選擇替代能源要考量因素：(1)維持能源供應不能中斷能源供應不能中斷。(2)能源裝置的安全性安全性。(3)減少碳的排放減少碳的排放，以降低氣候變遷的危害。4.目前並沒有任何一項科技可以解決全部的 問題，但多元能源的時代多元能源的時代已經來臨。替代能源替代能源-以風力發電為
11、例以風力發電為例1.優點：乾淨、用之不盡。2.缺點：需要風速大、風向穩定的條件，符合此條件的風場也有限，導致風力發電 不容易大規模發展。替代能源替代能源-以太陽能發電為例以太陽能發電為例1.優點：取之不盡、不會產生汙染。2.缺點：太陽能轉換成電能的效率低，需 相當大的安置面積，而且易受氣候和晝夜 的影響，所以不易大規模的設置。生質能源生質能源1.定義：利用生物產生的有機物，經過各種 處理方式，所獲得的可用能源。2.主要型式：生質氫、生質甲烷、生質氫、生質甲烷、生質柴油、生質乙醇生質柴油、生質乙醇發展生質能源的優點發展生質能源的優點1.含硫量低，燃燒後汙染少燃燒後汙染少，安全、低污染2.原料來自
12、生物有機物質，是可分解、可再 生的永續性資源永續性資源。3.可用各式廢棄物為原料可用各式廢棄物為原料(如廚餘、糞便)，提供能量又可減少廢棄物，並保護環境。4.生質能源為可自行掌握的在地能源可自行掌握的在地能源，具有 能量自主、農業發展、環境保護與經濟 發展等綜合效益。生質能源的生質能源的二氧化碳淨排放量為零二氧化碳淨排放量為零1.生質能源的碳來自大氣中的二氧化碳，經 由光合作用轉化成有機物質。2.生質能源燃燒後會再以二氧化碳的形式回 歸大氣，放出的碳等於吸收的碳，所以為 碳的零排放，不會加劇溫室效應。生質能源的生命週期生質能源的生命週期使用生質能源的使用生質能源的缺點缺點1.生產程要消耗能源生
13、產程要消耗能源，無法達零碳排放。2.與人爭糧、與糧爭地，影響糧食的價格 (1)原料可能是各種食用油（如大豆油）或 食物（如玉米），容易和糧食競爭。(2)生質能源作物需要大量的土地需要大量的土地。3.植物將太陽能轉存於有機物中的效率偏低效率偏低。4.成本偏高成本偏高，生質能的生產規模通常不大規模通常不大，成為推廣的最大難題。生質能源生質能源-生質氫生質氫1.定義：由微生物微生物將有機物發酵產生的氫氣2.為何氫氣將成為未來生質能源的主角？(1)高熱能值高熱能值：氫氣的熱能值高熱能值高。(每公斤產生的能量是汽油的3倍，天然 氣的3.5倍)(2)潔淨無汙染潔淨無汙染：燃燒時不產生二氧化碳。(3)永續供
14、應永續供應：原料為水、有機廢棄物原料為水、有機廢棄物。來源較不虞匱乏。沒有與糧食資源競爭的弊病1.熱化學法熱化學法：從石油、天然氣轉換製得。2.電化學法電化學法：是利用電能分解水產生氫氣。上述兩者都因消耗大量能量，上述兩者都因消耗大量能量，不符合節能減碳！不符合節能減碳！3.生質氫生質氫：透過微生物發酵微生物發酵產生氫氣，才是 不汙染、能處理環境汙染物、可再生的永續能源。生產氫氣的方法生產氫氣的方法發展發展 生質氫生質氫 面臨的問題面臨的問題1.漏氣難察覺漏氣難察覺 (1)氫氣是分子量最小的氣體，滲透性強 (2)無色、無味。2.儲存、運輸及安全的難題儲存、運輸及安全的難題 (1)氫氣密度小，不
15、易儲存不易儲存。(2)須高壓高壓或低溫將其壓縮低溫將其壓縮成壓縮氫氣或液 態氫，非常耗能非常耗能。(3)氫氣的燃點甚低，極易引燃極易引燃。生質氫的應用生質氫的應用1.氫氣可直接用於燃燒。2.已用於汽車及電子產品上(用氫燃料電池氫燃料電池發電)3.若能解決儲存、運輸及安全問題，增加發酵 效率，並降低成本，將進入氫能的時代氫能的時代。氫燃料電池混合動力氫燃料電池混合動力大巴士大巴士(德國，德國，2009)高壓氫動力電池車高壓氫動力電池車(日本，日本，2005)生生質質能能源源生生質質氫氫(A)2014年發表的氫燃料電池車年發表的氫燃料電池車(B)美國於美國於2013年推出的氫反應電池年推出的氫反應
16、電池生質能源生質能源-生質甲烷生質甲烷1.利用微生物的厭氧發酵厭氧發酵，來處理牲畜糞便糞便 ，可產生生質甲烷。2.甲烷（CH4）所含熱能值高熱能值高，極適合於燃 燒、發電及引擎的使用。瑞典一輛使用生物氣瑞典一輛使用生物氣體燃料的巴士體燃料的巴士 生質能源生質能源-生質乙醇生質乙醇(酒精酒精)1.醣類物質經微生物（主要是酵母菌酵母菌）酒精 發酵後，產生乙醇，可當汽油的代用品可當汽油的代用品。C6H12O6 2C2H5OH 2CO22.汽油中添加乙醇的混合物稱為酒精汽油。酒精發酵只能製成約1317 的酒精，須經蒸餾和脫水，成為無水乙醇後，才能 和汽油混合使用。生質乙醇的優缺點生質乙醇的優缺點1.優
17、點優點：傳統引擎使用酒精汽油時，不必傳統引擎使用酒精汽油時，不必 經過任何調整就可使用經過任何調整就可使用2.缺點缺點：其蒸氣和空氣混合時，極易爆炸極易爆炸，因此在貯存、運輸和使用過程必須 嚴格防火。生質乙醇的種類生質乙醇的種類1.糖質酒精糖質酒精：由含雙醣的雙醣的甘蔗甘蔗榨汁榨汁或其他單醣其他單醣 為原料直接發酵製成。2.澱粉質酒精澱粉質酒精：以玉米、甘藷、木薯玉米、甘藷、木薯的澱粉為 原料，先將澱粉分解為單醣先將澱粉分解為單醣 ，再進行酒精發酵。3.纖維質酒精纖維質酒精：以芒草、稻稈、玉米稈、蔗渣芒草、稻稈、玉米稈、蔗渣 為原料，先將纖維質分解為可分解為可 發酵的單醣發酵的單醣，再進行酒精
18、發酵發展發展 生質乙醇生質乙醇 所面臨的問題所面臨的問題1.理論上生質乙醇的碳排放為零 ，但甘蔗、玉米的生長和酒精 製造過程也要消耗相當的能源製造過程也要消耗相當的能源2.利用玉米或甘蔗等作物提煉 生質乙醇，會影響糧食和飼料 的供應和價格。3.若開墾森林來種植這些能源 作物，引起的問題更嚴重。生質乙醇的未來走向生質乙醇的未來走向1.糖質酒精糖質酒精和澱粉酒精澱粉酒精：優點：技術成熟。缺點：a.製作耗能、與人爭糧、與糧爭地。b.既不經濟，也不環保的替代能源。2.纖維質酒精纖維質酒精：未來的主要選擇 台灣以農業廢棄稻稈為主要原料農業廢棄稻稈為主要原料，生產纖維 質酒精。定於2011年全國全面供應含
19、3生 質乙醇的酒精汽油。纖維質酒精的優、缺點纖維質酒精的優、缺點1.優點：(1)纖維質是世界上含量最多的生物物質纖維質是世界上含量最多的生物物質。(2)不影響食物供應：主要原料為農業廢棄 物或能源作物，較符合經濟效益和環保2.缺點：(1)纖維質的成分複雜。(2)分解的效率太低。(3)木質素無法利用。生質柴油生質柴油1.來源：用植物油、動物油脂或廚餘油脂油脂等 ，與醇類醇類（最常用甲醇）反應而成的酯類酯類2.其燃燒特性與石化柴油相近，因此可與石 化柴油混合使用。生質柴油的原料來源生質柴油的原料來源 生質柴油的未來發展方向生質柴油的未來發展方向1.提高化學轉換的效率，增加普及普及使用的方 便性，發
20、展家庭生質柴油製造機家庭生質柴油製造機。2.提高油源的穩定供應，建立有效率的廢食廢食 用油回收用油回收系統。3.嘗試尋找非食用油脂尋找非食用油脂，並兼具生長快速生長快速及 產量高產量高的能源作物，如：能產生高油脂的能產生高油脂的 微藻微藻、痲瘋樹痲瘋樹等。4.利用基因工程，提高能源作物的產油量。1.痲瘋樹痲瘋樹被稱為 長在樹上的柴油長在樹上的柴油，聯合國曾明列痲瘋樹 油可做為柴油替代品2.微藻微藻是指大小在數微米 到數百微米之間的單細單細 胞藻類胞藻類。有些微藻具有 油脂含量高油脂含量高、生育期短生育期短的優勢，所以單位面積的 產油量比一般油料作物（如大豆）高出2050倍。痲瘋樹痲瘋樹 與與
21、微藻微藻痲瘋樹的果實痲瘋樹的果實發展生質能源的影響發展生質能源的影響在馬來西亞，村民砍伐整片的熱帶雨林熱帶雨林，準備栽種高經濟效益的油棕櫚油棕櫚，其果實富含油脂。油棕櫚產油率相當高，且可轉化為生質柴油生質柴油要增加棕櫚油的產量，要增加種植面積，就要使用農地或開發熱帶雨林使用農地或開發熱帶雨林會 影響糧食產量和物種多樣性影響糧食產量和物種多樣性我國生質能源的展望我國生質能源的展望1.台灣的能源進口依賴度高達台灣的能源進口依賴度高達99 有研究替代能源的急迫性。2.台灣的土地面積狹小台灣的土地面積狹小 各種能源的發展都有規模限制，需要多 元發展，搭配使用，才能形成穩定穩定、永永 續續、清潔清潔和零
22、碳排放零碳排放的能源供應系統。3.生質能源的發展應該多樣化生質能源的發展應該多樣化 (1)建立有效率的廢棄物回收系統廢棄物回收系統。(2)穩定的纖維作物或藻類原料纖維作物或藻類原料供應。我國生質能源的展望我國生質能源的展望(續續)1.能源作物每英畝的生質燃料產值藻類的潛力很大藻類的潛力很大2.臺灣發展藻類產業藻類產業的優勢優勢 (1)地處亞熱帶氣候區。(2)有綿延的海岸線。作物作物油棕甘蔗玉米黃豆藻類藻類（微藻）（微藻）產值（加侖）650450250502000微藻與生質能源的未來發展微藻與生質能源的未來發展1.微藻有超高的油脂含量超高的油脂含量和整體含碳量超過含碳量超過50 。後者表示培育時
23、需要大量的二氧化碳，能解能解 決部分溫室氣體排放問題決部分溫室氣體排放問題。2.選種是微藻產油最重要的一步選種是微藻產油最重要的一步，選擇含油量高含油量高 、易於養殖與採收易於養殖與採收、製程成本低的藻種製程成本低的藻種，對於 生產成本有決定性的影響。3.透過基因工程技術基因工程技術，可提高微藻的環境耐受度 與脂肪合成量等。例如：美國 艾克森美孚公司 即以基因工程技術使微藻將油脂分泌至細胞外使微藻將油脂分泌至細胞外 ，免除了打破細胞壁的製程，免除了打破細胞壁的製程，可大幅提升生產 效率並降低成本。生質能源歷經四代的演變生質能源歷經四代的演變第一代：以糧食作物生產酒精、生質柴油，雖 然技術純熟技術純熟，但有糧食衝突等問題有糧食衝突等問題。第二代：用非糧食作物製造生質柴油，或以纖 維素分離技術製造酒精，有栽植面積栽植面積 與纖維素前處理成本過高等問題與纖維素前處理成本過高等問題。第三代：以微藻微藻為主，透過微藻可以產出生質 柴油、酒精、甲烷、氫氣、合成氣等 ，是目前廣受世界矚目的研究方向目前廣受世界矚目的研究方向。第四代：以基因重組的細菌捕捉空氣中的二氧以基因重組的細菌捕捉空氣中的二氧 化碳進而轉換成燃料化碳進而轉換成燃料，仍屬研究階段 ，尚無實際產品。
