【研究成果】懸掛浸水式植物栽種系統:拓展植物微生物燃料電池應用潛力

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  何郁庭 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 未來科技館展覽,HSPP現場展示。(圖片來源:東海大學電微生物學實驗室)

2022年,東海大學環境科學與工程學系助理教授李學霖,憑藉「懸掛浸水式植物栽種系統」獲得未來科技獎,該裝置以創新的植物微生物燃料電池配置方式,突破過往植物微生物燃料電池需安裝在水田中,配合作物收成時間拆除的限制。此系統目前正在進行專利申覆中,未來可望在栽培生長期更短、經濟價值更高的作物上使用。

乾淨、可再生的能源,是人類下一代經濟發展的重要挑戰。對於農業經濟活動,栽種作物除土地與水資源需求外,還需消耗大量能源,而能源多數仰賴石油產品。如何在降低能源消耗的前提下,追求高產量與高品質的作物,便成為農業科技發展努力的目標。

植物微生物燃料電池(PMFCs, plant microbial fuel cells)是其中一個備受矚目的技術。該技術分別在挺水作物的下層土壤和上方水層安置電極,土壤中的微生物,利用植物根系的有機沉積物行生物反應產生電子,經由土壤的電極(陽極)傳導到水中的電極(陰極),產生電位差,將生質能轉換為電力並加以回收(圖2),達到節省能源的目的。

圖2. 傳統植物微生物燃料電池(PMFC)配置圖。圖片修改自Inohana et al. (2020)

由於此電化學反應的陽極需要在厭氧的環境下進行,過去大多在水稻田中使用。因為植物生理特性的因素,PMFC的功率輸出會在水稻早熟期達到高峰,結穗期時作物根際分泌物的產生量減少,功率亦隨之下降。然裝置須配合作物收成時間拆除,顯現了PMFC普遍不足的操作便利性,以及作物種類的限制。

為此,李教授更改整個PMFC的配置,開發了一種新型設計——懸掛浸水式植物栽種系統(HSPP, hanging submerged plant pot)。HSPP由一個具有陰極的水槽,與埋有陽極的土壤罐組成,土壤罐下方鑽洞後,放置於盛水的水槽中,使其部分浸沒於水中,並在上方栽培蔬菜(圖3),根據團隊研究,現在HSPP系統最大功率輸出約為每一棵作物114μW。此系統使PMFC可栽培的作物擴及經濟價值更高的蔬菜,且對於培養生長期較短的作物,也有相當的優勢。

圖3. 懸掛浸水式植物栽種系統(HSPP)配置圖。(a) 單個盆栽的第一款HSPP設計;(b) 多個盆栽的第二款HSPP設計。(圖片來源:東海大學電微生物學實驗室)

目前,HSPP系統在2022年以「懸掛浸水式植物栽培發電系統」技術參加未來科技獎並獲獎。於2022年未來科技館展覽中,李教授更現場展示了栽種菠菜的HSPP系統(圖1、圖4)。

未來,此技術可望為集約農業領域,如植物工廠等,帶來相當大的貢獻。同時,也能促進生物技術產業、蔬菜種植系統設備製造商,以及其他相關領域,下個世代的農業技術革新。

圖4. 未來科技館展覽,HSPP現場展示與說明。(圖片來源:東海大學電微生物學實驗室)


參考文獻

[1] 2022未來科技館官方網站。https://www.futuretech.org.tw/futuretech/index.php

[2] Inohana, Y., Matsumoto, A., Nagoya, M., Hirose, A., Kouzuma, A., Watanabe, K. (2020). Rice Paddy-Field Microbial Fuel Cells: Fundamental and Recent Progress. In: Kumar, P., Kuppam, C. (eds) Bioelectrochemical Systems. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-6868-8_13

[3] 利用懸掛浸水式植物栽種系統種植空心菜開發蔬菜微生物燃料電池

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