甲蟲獨特腸胃結構與消化系統,將助木材生質能一臂之力

發佈日期: 2019 年 03 月 15 日 15:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

甲蟲除了是自然界食腐木的益蟲、家中另類的寵物夥伴,最近美國能源部伯克利實驗室更指出,透過研究甲蟲特殊的腸胃系統與腸內微生物消化方式,木材生質能發展速度將大幅提高。

為了找出生物將木材轉換成能量的秘訣,科學家已不是第一次將研究目標瞄準蛀木生物,像是先前報導的蛀木水蝨(Gribble)與白蟻就是一例。這是因為木材中的生物質、木質素等含氮量低且難以分解,科學家得耗費大量能量與成本才能轉換成燃料,若能知道蛀木生物消化木材的方法,說不定就可以提高生質能轉換效率。

而此次伯克利實驗室研究的是美國東部常見的甲蟲黑艷蟲 Odontotaenius disjunctus,該團隊研究發現,這種黑艷蟲的排泄物含氮量比原有木材或是木屑還要多 3 倍,這代表黑艷蟲的腸胃(或是其中的微生物)會在消化過程中產生氮氣;且還發現該甲蟲會將木質素和纖維素轉換成富含醋酸的元素,以及氫、乙醇和甲烷等生物燃料。

圖片來源:Katja Schulz via Flickr CC BY 2.0)

若成功破解該甲蟲的消化謎團,對生質能將大有裨益,對此,伯克利實驗室團隊已運用分子生物學工具、光譜儀和微型感測器加以深入研究,發現該甲蟲的腸道由不同的腔室(compartment)組成,每個腔室都有不同的微生物進駐,就像是工廠不同的生產部門一樣。

顯然該甲蟲可運用特殊的生物化學系統將木材轉換成食物與燃料,伯克利實驗室氣候與生態科學部副主任 Eoin Brodie 表示,一般來說分解木質素的過程需要氧氣,然而像是提供生物養分的發酵過程則需要在無氧環境中,那麼這些甲蟲是如何解決這一大問題的呢?

神奇的腸道結構與消化機制

伯克利實驗室科學家兼論文第一作者 Javier Ceja-Navarro 指出,隨著演化,甲蟲的腸壁長度與厚度等結構已相當適合微生物生存,這讓不同腔室會存有不同的代謝過程。

研究指出,甲蟲的中腸(淺藍色)會分解木質素與纖維素等植物聚合物,並在前腸部位(咖啡色)發酵,其中前腸含有固定氮(fixed nitrogen)氣體,且代謝過程會生成甲烷跟氫氣,至於後腸(膚色)也是負責分解聚合物的地點,最終再排放出富含醋酸鹽、乙醇和苯甲酸鹽的排泄物。

雖然乍看之下結構與運作很簡單,但這也是經過長期的演化而來,研究指出在甲蟲的腸道中,好氧反應與微生物所在的厭氧區域是被隔離開來的,且該團隊也表示,甲蟲的腸道結構還可以防止氫氣飄散,進而產生醋酸鹽養分。

Ceja-Navarro 表示,未來團隊將能模擬甲蟲腸道以及微生物的消化方式,研發人工「消化系統」以加速木材生質能進展。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Christopher Kray via Flickr CC BY 2.0)

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