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
