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趨勢快訊
運用人工智慧科技規劃地景生態拯救野生瀕危蜜蜂
2019/01/04
蜜蜂(bees, Apidae)為許多開花植物授粉,在農業應用上甚廣,例如花季時,果農多與蜂農合作,利用人為飼養的蜂群協助果樹授粉,蜂農可利用採收後的花蜜,發展特殊果香的蜂蜜商品。近年來由於農藥施用不當,加上氣候急遽變遷等因素,導致人工養殖與野生蜂群皆大量銳減,不但影響倚賴蜜蜂傳粉的作物,也使得許多野生蜜蜂物種面臨絕種的危機。有鑑於此,英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)的研究人員設法找出蜜蜂拜訪開花植物的關鍵因素,最終發現有計畫的植樹可能是其中有效的保育策略。   研究人員發現,由於大型喬木或灌木樹籬(hedgerow)相較於矮小的草本植物開花數量較高,因此可提供相較多的花蜜,蜂群可在小範圍、短時間內採集大量的花蜜,減少覓食找蜜的時間,並降低因覓食所耗損的能量;另外,高大的喬木可做為指引蜜蜂採蜜與指引回巢的導航標的物;更重要的是,喬木與灌木供蜜蜂築巢、度冬、躲避颳風、下雨等功能,可作為蜜蜂棲息與躲避天災的場所。由此可見,樹木對蜜蜂的存亡扮演關鍵性角色,突顯植樹的重要性,為因應樹木與灌木在英國的覆蓋率在500年間快速減少,研究人員建議將來可運用人工智慧與機器學習運算,結合地景生態學,運用網絡運算方法規劃蜜蜂最佳的訪蜜途徑,並在不影響人們生活的情況下,以經濟效益高且管理方便的地區為植樹主要地點,除提供蜜蜂棲息與覓食的景觀環境,同時也讓透過蜜蜂傳粉的植物成功授粉、繁衍後代。【延伸閱讀】世界上最古老的茶葉拍賣會走向數位化   該研究提供有效的保育策略,並建議透過人工智慧、機器學系找出蜜蜂可能拜訪的最佳路徑,協助人們景觀方面的規劃。相關研究成果已發表在<Agriculture, Ecosystems and Environment>。
新興基因編輯CRISPR/Cas9之最新應用
2019/01/03
新興基因編輯(gene editing)技術被譽為是現代生物科學上最大的突破。藉由基因編輯技術,科學家可精確地針對基因組上特定位置進行修改,將原本的遺傳訊息進行置換或剪切。該技術可應用在生物、醫學甚至是農業領域,幫助人們解決疾病、作物產量等問題。以CRISPR/Cas9發展的基因編輯技術最初源於細菌的免疫機制,科學家透過改造Cas9蛋白的功能,達到精準標定與編輯的目的。過去科學家利用改造後的單股RNA片段(稱作引導RNA (guide RNA, gRNA))與Cas9蛋白形成的複合體,對目標DNA序列進行定位,Cas9-gRNA複合體根據gRNA與目標DNA精確的結合,便可精準地作用在被定位的DNA位置。根據CRISPR/Cas9的定位機制,科學家可利用失去DNA內切酶功能的dCas9 (nuclease-null Cas9,或稱dead Cas9)與目標DNA交互作用的特性,透過抑制或促進目標基因上游轉錄因子,研究目標基因調控的詳細機轉過程。   德拉瓦大學(University of Delaware)的研究團隊在gRNA的基礎上進行改造,將原始gRNA中設計的目標片段辨識區(Spacer)變成髮夾構型(hairpin-like structure),只有在gRNA片段中的toehold區域與其他外來短片段結合的情況下,才能解除髮夾構型,這時gRNA的Spacer才能識別目標DNA序列,並與目標DNA結合,當gRNA成功與目標DNA結合,便可啟動dCas9的酵素功能,達到dCas9調控目標DNA序列的目的。【延伸閱讀】製作人羊嵌合體之突破   德拉瓦大學研究團隊所改造的gRNA稱作toehold-gated gRNA (thgRNA),其調控機制已在大腸桿菌的模式中受到證實。該項由美國國家科學基金會資助(National Science Foundation)的研究可望應用在未來基因表現調控上,使人們精準控制基因表現的強弱。相關研究已發表在<Nature Chemical Biology>。
【循環】椰棗廢棄纖維織再應用成為輕量化材料之首選
2018/12/28
若按農委會相關法規定義,傳統之農業廢棄物(或稱農業副產物)係指從事農作、森林、水產、畜牧等動植物產銷所產出之廢棄物。以臺灣為例,保守估計臺灣地區一年農業廢棄物總量約高達400多萬公噸,若全部做為廢棄物處置,將對環境造成巨大的衝擊,為此發展農業廢棄物的循環再利用技術,減輕對環境的衝擊,使之成為循環農業的一環,提高整體農業產值,將是未來的主流。   椰棗(date palm)原產於中東地區,由於其耐旱、耐熱的特性,因此特別適應中東地區特殊的沙漠乾燥氣候。在中東及北非地區做為人們主要的農糧作物之一,多食用椰棗的果實,其他部位較少被利用。一項由英國普茲茅斯大學(University of Portsmouth)領導的研究團隊,開發出以椰棗葉鞘纖維與聚己內酯(polycaprolactone, PCL)組成的生物複合材料。該生物複合材料不但具可生物分解,減低環境衝擊的特點外,其更具有高材料強度的特性。研究顯示,加混入椰棗纖維材料後,聚己內酯的材料極限抗拉強度(簡稱強度,tensile)皆有顯著提升,研究發現在複合材料中混入28%重的椰棗纖維,其強度將由原本的19百萬帕(MPa)提升至25百萬帕。由於「聚己內酯-椰棗纖維」組成的生物複合材料具有可生物分解、高強度及高經濟效益等特點,因此可用來取代難分解且高價的傳統玻璃纖維及碳纖維,成為船隻與汽機車輕量化的首選材料。【延伸閱讀】開發綠色廢棄物再利用成為生產人造土壤的永續原料   研究團隊在成功研製出混入椰棗纖維的生物複合材料後,可望在不久的將來取代傳統輕量化的碳纖維與玻璃纖維。以輕量化材料打造的車輛及船隻,由於重量大幅減輕,在減少燃油用量之餘,也減少二氧化碳的排放,有效降低對環境的衝擊,成為環保產業的推手。相關研究成果已發表在<Industrial Crops and Products>。
【減量】碳粉可吸收多餘二氧化碳減少溫室氣體排放
2018/12/27
經濟發展的背後有賴於能源穩定供應,包含火力等方式在內的電力生產方式成為發電選項之一,但以燃燒化石燃料為發電基礎的火力電廠,每年溫室氣體的排放量相當可觀。近日舉辦為期10多日的聯合國氣候大會,也針對全球氣候變遷議題進行討論,其中也重新討論巴黎協議中降低溫室氣體排放的目標。在當務之急,發展減少二氧化碳排放(簡稱減碳或減排)成為各國研究團隊首要解決的目標。   加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)的研究團隊,近期發明俗稱碳粉(Carbon powder),一種可用於吸附二氧化碳的碳奈米球(carbon nanospheres),可吸附大氣中的二氧化碳氣體分子,改善溫室效應帶來的衝擊。研究團隊透過熱處理萃取植物中的碳元素,經處理後使碳粒子形成富含多孔隙表面的奈米級碳粒(粒徑<0.7奈米),多孔隙表面就形成吸附二氧化碳的結構。   由於生產碳粉的材料多元,且原料與產物皆為環境友善的物質,因此研究團隊的產品若能以較符合經濟、環保效益的製造過程,將對現今各國所關注的減碳議題提供正面的幫助。【延伸閱讀】蔗渣回收變菇包 杏鮑菇產量增二、三成   研究團隊現階段已提出新穎且便於製作碳粉的生產方法,解決長期以來開發製造上的困境,該作法也能經客製化調整碳粉粒徑大小與碳粒純度後,應用於吸附二氧化碳以外的用途。例如可將客製化的碳粒應用在水質淨化與能源儲存方面的研究,這些都在未來具發展潛力。   滑鐵盧大學研究團隊的這項研究或許能應用在當前農業廢棄物處理的方法上,將臺灣農業廢棄物成為具有價值的農業資材。詳細研究成果已發表在<Carbon>。
【循環】以水熱液化技術將廢棄物變成生質柴油
2018/12/25
發動機燃油為原油精煉後的產物,也是現今大多數汽機車使用的燃料之一。原油屬於非再生能源,終將有開採完的一天,因此其他能源的開發或再生能源的研究是刻不容緩的議題。美國伊利諾大學(University of Illinois)與美國麻州大學(University of University of Massachusetts)的研發團隊將濕生物性廢棄物(wet biological waste)變成可添加在柴油中的再生性資源,使能源研究邁進一步。   部分生物性廢棄物來自食品加工處理及動物飼養生產過程,由於未經處理的生物性廢棄物含水量高,因此在脫水乾燥的過程中會耗費大量的能源,不符合經濟效益。研究團隊利用現有的水熱液化(hydrothermal liquefaction, HTL)技術,以生物性廢棄物中的水作為反應媒介,將非脂質生物廢棄物轉化為可用之生質原油。此外,研究人員在生質原油分餾的過程中加入酯化反應,將生質原油提煉,提煉後的生質燃料可以10-20%的比例混入柴油,作為燃油使用。【延伸閱讀】科學家找出微藻生合成生質燃料前驅物的關鍵蛋白   添加生質燃料的柴油,在能源使用效率與排放組成上均與純柴油的性質相仿,可望在不久的將來應用在消費市場上。生質柴油的開發將有助於解決如豬隻排泄物、等農業廢棄物,及處理食品製造過程中產生的廢棄物,並減少燃燒化石燃料造成的碳排問題。   該研究成果已發表在<Nature Sustainability>。
氣候智慧型農業將有助於農民對抗全球氣候變遷之衝擊
2018/12/24
在全球氣候變遷下,各地出現長時間乾旱及強降雨等極端氣候的頻率增加,嚴重衝擊農糧及經濟作物的產量。除了透過研究抗逆境的物種外,因應氣候變遷而發展新的作物經營管理方法,將是對抗氣候變遷衝擊、維持農糧生產的方法之一。國際熱帶農業研究中心(International Center for Tropical Agriculture,簡稱CIAT)與西澳大學(University of Western Australia)共同研究發現,現階段以氣候智慧型農業(climate-smart agriculture,簡稱CSA)方式經營下的農業生產,將具提升農業產值的潛力。   氣候智慧型農業乃為解決氣候變遷造成農業生產方面之衝擊,而在農業經營管理上做出之調整與建議,氣候智慧型農業法主要包含三項目標:     (1)永續提升糧食生產力穩定糧食安全;     (2)提升農糧體系對氣候變遷之調適力及回復力;     (3)降低溫室氣體在農糧生產過程中之排放。   國際熱帶農業研究中心研究非洲、亞洲及拉丁美洲等地推行氣候智慧型農業法之成果,這些農業生產都位於熱帶地區且受到氣候變遷的衝擊。該研究以成本效益分析(cost-benefit analysis,簡稱CBA)發現,若遵守氣候智慧型農業原則,發展適地適種的方法,將可視種植作物種類與適當的栽培管理方式,在短時間便可獲得較佳的收入,然而大部分的調查卻呈現相反的結果。研究顯示,雖然氣候智慧型農業具有解決工業化農業所衍伸的問題,例如:減少大量化學肥料施用改以其他有機肥施用以改善土壤肥力問題,間接減少農業資材的投入與碳排等,但在大部分的案例中,許多地區仍未採用氣候智慧型農業的作業方法,這可能與當地農民不熟悉新型態的農作法、農民勞力限制及無足夠資金投入等原因,因而造成氣候智慧型農業法並未被農民採納。研究發現,除亞洲越南地區外,中美洲尼加拉瓜與非洲烏干達地區所推行之氣候智慧型農業法尚未有明顯的效益,這顯示氣候智慧型農業的推廣仍有成長的空間。氣候智慧型農業的推廣若能結合傳統農業生產、生活及生態三大功能,將能有效調適與減緩全球氣候變遷帶來的衝擊,融入在地農業生活,減緩地球暖化,最終必能達到預期之社會經濟效益。【延伸閱讀】人工智慧秒測豬隻重量技術   氣候智慧型農業作為國際農業研究諮商組織(Consultative Group on International Agricultural Research,簡稱CGIAR)與國際熱帶農業研究中心共同推廣與研究的目標,其研究成果可做為各國政府擬定相關農業政策與推動時重要的參考依據。該研究由國際農業研究諮商組織、國際農業發展基金(International Fund for Agricultural Development,簡稱IFAD)提供研究經費上的協助,相關研究成果已發表在<PLOS ONE>。
二氧化鈦之研發成果可望運用在肥料生產方面
2018/12/21
肥料含有植物生長所需之營養元素,普遍施用於作物生產,肥料的成分組成比例乃參考各別作物之生長特性及農地原始肥力,將氮、磷、鉀三種元素進行比例上的調配,其中氮元素是植物生長所需之巨量營養素。在自然界中,除豆科植物可利用與其共生的根瘤菌將氮氣固氮吸收外,多數植物無法直接利用氮氣作為氮源,而是透過吸收溶於水中的硝酸態與銨態2種含氮化合物獲得氮源。1900年代初期,德國化學家哈伯發明以三價鐵做催化劑,在高溫、高壓下,成功將氮氣製備成氨,並進行工業化製氨生產,這是首次大規模人工固氮法的應用。隨著人工固氮的發明、各式肥料產品的研發與工業化應用下,農糧生產從此有了重大突破。雖然哈伯法製氨已應用百餘年,但由於氨的製備過程屬高耗能,純化上過程中產生的硫化物,容易對周邊環境造成污染,為此人們設法開發環保且低成本的製氨法。   美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)、范德堡大學(Vanderbilt University)及勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的聯合研究團隊發現,以摻有些許碳雜質的二氧化鈦(titania, titanium dioxide)作為光觸媒,可催化固氮反應之進行,研究中也討論碳在其中的重要性。生活上,二氧化鈦作為光觸媒(光催化劑),在淨化空氣的反應中扮演催化劑的角色;而在固氮的研究方面,雖然早在75年前就有印度學者觀察到二氧化鈦的固氮現象,從這時候開始科學家們便提出催化的各種假設與可能,並進行許多實驗驗證,然而一直無法找出二氧化鈦光催化固氮反應的關鍵機制。研究團隊以近室壓X光光電子能譜(ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, AP-XPS)觀測在固氮作用進行時,二氧化鈦表面組成變化時發現,在光催化初期,二氧化鈦的表面無其他雜質,這時並未如期發生固氮的現象,然而隨著時間進行,研究團隊觀察到二氧化鈦表面開始出現碳污染,也在此刻觀察到固氮作用的發生。研究團隊推測二氧化鈦表面可能受環境中碳氫化合物的污染,表面因此形成帶有碳雜質的二氧化鈦,在光照下發生固氮作用。【延伸閱讀】以透地雷達透視地表下的秘密   研究團隊的這項發現,解開這75年來的疑惑,並希望能在後續研究中深入了解碳在催化過程中所扮演的機制,盼將來有機會改良固碳效率,並可望在不久的將來把固氮技術推廣到農家。相較於傳統工業製氨法,以二氧化鈦作為光觸媒製氨是較乾淨、省能源的作法,二氧化鈦表面材料化學的發現,可望為將來的肥料生產帶來新的突破。   該研究之重大發現已於今年10月底發表在<Journal of American Chemical Society>。
以植物病毒系統開發多功能抗真菌劑
2018/12/20
真菌是自然界中常見的微生物,人們若誤食受真菌感染的農畜產品,輕者將引發腸胃道不適,重者則引發急性中毒反應,黃麴黴菌所產生的毒素就是其中一例,該黴菌常見於採收後受潮的花生堆中,黃麴黴菌產生的黃麴毒素具肝毒性,一旦不慎攝入過量的黃麴毒素恐導致肝臟衰竭喪命。由於真菌是主要引發農糧食品採收後的致病因子之一,倘若保存條件與採收後處理稍有問題,真菌一旦伺機性感染,恐引發大規模糧食安全問題,對於農產品安全而言乃一大隱憂。為有效抑制真菌繁殖,除透過改善儲藏環境與食物滅菌消毒外,開發抗真菌劑(antifungal agents)亦是解決手段之一。由於現存既有的抗真菌劑無法抑制已產生抗性的真菌、對部分施用者有不良反應及詳細生物機轉未知等因素,導致抗真菌劑產品無法上市或上市後面臨乏人問津的窘境,因此開發新型態的抗真菌劑是當前刻不容緩的重點研發項目。   一項由西班牙農業基因體研究中心(Centre for Research in Agricultural Genomics, Spain)、分子生物與細胞植物學研究院(Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas, Spain)及農業化學與食品科技研究院(Instituto de Agroquímica y Tecnología de alimentos, Spain)在先前的研究發現,某些絲狀真菌能生產抗真菌蛋白(antifungal proteins,簡稱AFPs)用以抑制其他真菌生長。研究團隊因此共同開發以菸草鑲嵌病毒做為表現載體,將基因轉殖到菸草鑲嵌病毒的表現系統。研究團隊接著讓轉殖後的煙草鑲嵌病毒感染菸草,再將表現的蛋白質純化後獲得抗真菌蛋白。經實驗證實,該表現系統生產的蛋白質產物能成功抑制番茄灰黴病。【延伸閱讀】微生物組的研究是提高番薯產量重要的第一步   西班牙研究團隊的研究顯示,以菸草鑲嵌病毒作為載體的表現系統能提供穩定且具抗真菌效果的蛋白質製劑,目前研究團隊仍試著將研究規模擴大,待有朝一日能以商業化規模生產,將抗真菌劑應用在農產品病蟲害防治與農產品防腐保鮮方面。   該研究由西班牙科學部(Ministry of Science, Innovation and Universities)提供研究經費,相關研究成果已發表在<Plant Biotechnology Journal>。
以植物修復機制淨化含農藥殘留之水質
2018/12/19
稻米(Oryza sativa, rice)養活全球20%的人口,是世界上主要的糧食作物,除此之外,最新的研究發現稻米可做為淨化農業廢水的重要物種。美國農業部農業研究局國家沉降實驗室(USDA–ARS National Sedimentation Lab)的研究團隊發現,稻米除了作為糧食外,還具有淨化水源及清除水中農藥殘留的能力。   研究人員以田間試驗的方式,將試驗地淹水後分成種稻處理與不種稻處理兩區,再額外分別加入3種類型的農藥,在一定時間後測量水中剩餘的農藥殘留量。研究經兩年的觀察發現,在種稻處理區的3種農藥殘留皆大幅下降,減少的幅度視農藥種類而異,約減少85%-97%不等。研究團隊推論,這是由於稻米具有強大的植物修復(phytoremediation)能力,能利用自體代謝的方式修復受污染的土壤或水源,透過植物修復的過程,稻米能在農業廢水排放到附近河川或渠道前,先吸收水中剩餘的農藥殘留,再將淨化後的水源排放,避免周邊環境受污染。   未來研究團隊仍需釐清吸收農藥殘留的稻米,是否因生物蓄積(bioaccumulation)效應,將毒物累積在稻穀中,若經檢測發現作為植物修復之用的稻米並未將毒素累積在稻穀中,將說明毒素無法以食物鏈的方式危害到食用稻穀的生物,也證實食用上無安全疑慮。由種稻帶來淨化水質與生產糧食的作法,可謂一舉兩得。【延伸閱讀】新型催化劑將有毒的硝酸鹽污染轉化為空氣和水   美國農業部耗費兩年,利用稻米淨化水質的研究,為農業廢水處理帶來新的應用,相關研究成果已發表在<Journal of Environmental Quality>。
改進預測模型將有助於市場及決策者對抗農糧損失之衝擊
2018/12/17
乾旱與缺水,將嚴重衝擊主要糧食作物生產,面臨氣候異常之際,除了糧食收穫量隨之變化外,對市場價格也產生不小的波動,嚴重危害農民生計。各國政府一旦面臨區域性或全球性糧食危機,將直接或間接導致糧食安全問題,為此勢必將面臨農業政策方面的調整。在擬定農業政策時,各國政府多半參考歷年各個農業區糧食生產情況,將歷年收穫數據、農民實際收穫經驗搭配市場機制,制定一套符合現況的農業政策。除此之外,運用模式模擬(model simulation)的方法,預測特定農作物於將來短期內或長期間的產量變化,並提供必要之災害預防建議,亦是各個政策擬定者決策參考的依據及手段。然而既有的模式模擬結果並無法解釋許多農業地區在年間產量的變化。一旦無法準確的預測年度間產量變化,勢必將影響市場糧食價格,農糧政策決策者對於糧食進出口的態度也會有所保留。美國芝加哥大學計算機科學系(Department of Computer Science, University of Chicago)與德國波茨坦氣候衝擊研究所(Potsdam Institute for Climate. Impact Research)的研究團隊藉由改良現有的模式模擬方法,使模擬的結果更貼近實際觀測值,反映出全球氣候變遷下,農作物產量的變化。   有別於以往純粹以各地氣候數據預估當地農產量的方法,研究團隊試著額外考量作物在不同地區的收穫次數、農民種植與收穫季節,尤其考量作物品種、生長季節等資訊進行校正。研究團隊發現,模型經校正後具有較好的解釋力(explanatory power),研究也同時發現,降雨量及灌溉設施是決定糧食是否盛產的關鍵。改良後的模型已證實能用於預測大部分國家的糧食生產,但仍有少數國家的實際產量無法經預測結果解釋,顯示氣候可能僅是影響糧食產量的關鍵因素之一,其他因素包含田間管理模式、施肥管理、輪作模式、國家社經條件等,皆為影響農糧產量多寡的可能原因。研究藉由改良模擬參數,使模型預測更接近實際收穫量,這使模擬預估結果更可信。未來研究仍需得到更多作物區的收穫資訊,以改進模型。【延伸閱讀】探討輪作如何幫助防治作物病蟲害的模型   該研究由萊布尼茲學會競爭型計畫(framework of the Leibniz Competition)及美國國家科學基金會健全氣候暨能源政策決策計畫(Robust Decision-making on Climate and Energy Policy)經費資助,相關科研成果已於今年11月發表在<Science Advances>。
將寶特瓶轉換成多孔性氣凝膠材料
2018/12/14
塑膠廢棄物具有毒性且無法以一般生物進行降解,這些廢棄物往往最終進入海洋和垃圾掩埋場,進而影響海洋生物健康並導致地下水汙染及可用地匱乏等衍生問題。時至今日,全球每年消耗寶特瓶的比例仍持續攀升,預期將在2021年達到超過5億噸/年的數量。   來自新加坡國立大學(National University of Singapore, NUS)的Duong Hai Minh副教授與其研究團隊,以減緩環境損害為目的,開發出將塑膠廢棄物轉換為多孔性氣凝膠(aerogel)材質之關鍵技術,相關研究成果已於Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects期刊中發表。   寶特瓶通常是以聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate, PET)為原料製成;而氣凝膠則是一種密度極低、表面積極高的多孔固體性材料,常進行隔熱、絕緣、防火等應用。研究人員以廢棄保特瓶與四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane, TEOS)成功開發出PET氣凝膠片(Recycled polyethylene tetraphalate silica aerogels)。研究產物的水接觸角平均為149.9°,質地輕巧、柔軟、耐用,具有良好彈性、隔熱性與吸收能力。一個寶特瓶可回收再生產A4尺寸的PET氣凝膠片,其製造技術也容易擴展至大規模生產。   研究人員也找到獨特方法為PET氣凝膠添加額外功能。例如,加入各種甲基官能基修飾,能快速吸收大量油脂,比現有商業吸附劑高出7倍效能;若塗上抗燃化學物質,新型輕質PET氣凝膠能承受高達620℃高溫,儘管重量僅比傳統抗燃材質輕約10%左右,其相對於傳統消防外套內襯材質確有高出7倍的阻隔能力;另外,藉由添加胺基於PET氣凝膠中,就具備快速從環境吸收二氧化碳的能力,效果與防毒面罩材質相當。為了闡明這項應用,研究團隊將PET氣凝膠嵌入商業用精密面罩,製作出能有效吸收灰塵顆粒與二氧化碳的口罩原型。【延伸閱讀】由海藻製成之可食用新式包裝材料   新加坡國立大學Duong Hai Minh研究團隊,所研發的PET凝膠應用廣泛,能將其表面修飾並呈現不同用處,此項成果能為環境減少傷害同時又可將塑料廢物再利用,達到保護環境與友善的目標。
遠端遙控酵素可望成為未來新興生物複合材料
2018/12/12
酵素(或稱酶)是由蛋白質構成的生物催化劑,只要在不使酵素失活的環境條件下,酵素不論在生物體內或外,皆能將特定受質催化成產物,完成化學反應。酵素依不同的特性,在不同領域上各有其應用,農業上根據不同酵素的特性,開發許多生物性資材,例如市售農用酵素多作為非化學性生物資材,將其稀釋並噴灑在農田中,促進土壤中大分子有機物變成小分子有機物,便於作物吸收土壤中的有機質養分;在水產養殖業方面,許多業者利用酵素催化功能,將水中有機物分解成小分子,達到淨化水質的功能。由於酵素在反應系統中受溫度、酸鹼度等因素影響,因此若能控制反應條件,將有助於加速或減緩酵素反應速率。俄羅斯聖彼得堡國立資訊科技機械與光學大學(ITMO University)的研發團隊已研發出遠端遙控酵素催化反應技術,透過遠端控制無線射頻(又稱無線電頻率、高周波,radiofrequency, RF),便能遙控酵素的反應。   溫度是影響酵素催化反應的重要因素之一,在一定溫度範圍溫度內,酵素能保有其最佳活性,除了直接控制反應環境的溫度影響酵素活性外,研究團隊希望能藉遠端遙控改變局部溫度的方式,在改變酵素活性之餘不影響整個反應系統的環境。研發團隊首先合成出多孔磁性奈米粒子材料,再將材料吸附在酵素表面,形成奈米粒子與酵素結合的生物複合材料。由於多孔磁性奈米粒子會吸收特定頻率的射頻能量,磁性奈米粒子會因此提高溫度,使被包覆酵素的溫度提升,間接提高酵素催化速率。研發團隊最後以小牛碳酸酐酶(bovine carbonic anhydrase, CAB)進行酵素表面處理,並比較處理前、後的差異發現,處理後的酵素較處理前高出約460%的催化速率。值得一提的是,由於研究使用特定波段僅會被多孔磁性奈米粒子吸收,因此僅影響酵素鄰近局部環境的溫度變化,在不影響整個系統環境的情況下,顯示這項科技可望於未來應用在活體生物體內。【延伸閱讀】一種充分利用軟木樹皮的新工藝   俄羅斯研發團隊的這項發明顛覆傳統酵素的用途及功能,可望在生物科技、藥學及生物化學領域加以應用,在農業方面的應用想必也是指日可待。該研發成果已於今(2018)年10月底發表在期刊<ACS Biomaterials Science & Engineering>。
資通訊科技於澳洲農業應用之現況
2018/12/11
新興資通訊科技(Information and communication technology, ICT)已在各行業中普遍運用,也有越來越多農民透過資通訊技術,輔佐糧食及作物生產,提生農產量與產值。有鑑於此,各國政府也逐步推廣將資通訊技術導入農業生產,評估其成效。澳洲農業與資源經濟暨科學局(Australian Bureau of Agricultural and Resource Economics, ABARE)於2016至2017年間,訪問含括穀物種植業、牛羊養殖業、乳製品行業及種植蔬果業在內,共2,200多位農夫,希望瞭解資通訊技術於農業方面應用在澳洲普及的程度,並藉以調查資通訊在推行過程中遇到的障礙。【延伸閱讀】Capacitivo智慧桌巾變身生活好幫手   澳洲農業與資源經濟暨科學局的研究歸納7項重大發現: 高達96%的澳洲農民擁有並使用資通訊設備;數據顯示約95%的農民會上網。 農民因從事生產活動、從事網路商業行為、獲取新知及居家用途等因素,使用資通訊科技。 大型農戶較同行中的小農更願意投資及使用資通訊設備。 對大多數的農民而言,資通訊相關設備占整體資本財的比例相對較小,然而其卻是推動生產及有效撐起整個產業的重要推手。 資通訊技術的應用種類,在不同行業之間有不同的應用類型,例如從事穀物種植及蔬果生產方面多使用全球定位系統輔助,而乳製品行業則多以個體識別系統及畜群管理系統應用為主。 目前資通訊科技推廣上的障礙包括產品使用技巧、網路順暢度、設備花費及新科技導入情況。這些限制因素最主要的原因與農戶大小及產業規模有關,舉例來說,產業規模較小的畜牧業者最常發生使用資通訊產品技巧不純熟的情況。 網路可獲得度及連線品質將對農民能否順利使用資通訊設備產生重大的影響,一旦農民處於網路死角的偏遠地區,將導致資通訊設備無法順利操作、整體產業無法營運的窘境。   這份由澳洲農業與資源經濟暨科學局發表的報告,展示新興資通訊技術在農業方面的應用,以及揭示其推廣障礙。臺灣這些年來持續推動包含資通訊技術在內的智慧農業計畫,目的是為了應用尖端科學技術,達到農產業升級,產值提升的目標。雖然臺灣農業與澳洲農業環境相比,人力結構或產業規模型態皆有所不同,但澳洲農業科技化的腳步與高達96%的普及程度,將是台灣農業智慧化參考的亮點之一。   詳細報告請參考網站連結。
電子商務拓展農園藝產業之銷路
2018/12/07
近年來虛擬購物市場逐漸成為消費者採購的管道,藉由網際網路及電子商務(e-commerce)服務技術的普及,消費者在彈指間便可購得商品,各個產業皆無法忽視這塊消費市場,其中也包含農業相關產業。雖然網路力量無遠弗屆、現代物流快速便利,然而某些特殊商品仍需強化其在網路市場的曝光度,園藝產業的活體作物便是其中一個例子。   有鑑於網路拍賣與電子商務在農產品消費市場的重要性,美國堪薩斯州立大學通訊與農業教育學系(Department of Communications and Agricultural Education, Kansas State University)的研究團隊選定活體園藝作物的網路消費模式做為主題進行研究,研究團隊選定美國亞馬遜(Amazon)、eBay等著名電子商務公司進行探討。研究發現園藝產品在網路市場的接受度並非如一般商品一樣好,為此研究團隊將消費模式分成買方、賣方及販售平台等幾個主要層面進行探討。研究發現,對賣方而言,園藝從業者對於電子商務與販售平台的使用及熟稔度將是關鍵,研究認為解決這問題的方法是透過不斷的教育,教導從業人員如何使用網路拓展自身的商業通路。從消費者購物的觀點,消費者選購商品會考量包含退貨條件、消費評價、性價比、貨到時間、販售形式、實物照片及運費等因素,因此若能符合消費者的期待,必能吸引其目光。   最後研究以亞馬遜公司的網路線上零售商及自行架設的購物平台作為研究對象進行調查,研究共抽樣園藝相關產業包含種苗商、花匠、室內設計師等行業在內,調查共498家業者,探討業者在網路販售農園藝商品的情況。研究發現僅4家業者在全美最大的網購平台亞馬遜販售活體園藝植物,44家業者則透過自行架設的網路平台進行銷售,然而大部分的業者並未透過網路平台販賣活體園藝植物,這顯示透過網路管道販售活體園藝作物的產業尚未普及,該產業仍有成長的空間。研究也發現由於亞馬遜的平台諸多的限制,使得活體園藝作物的販售有其窒礙難行之處,也因此業績成長僅侷限在都會地區。研究認為活體園藝作物在網路平台的販售仍屬起步階段,建議未來仍需加強輔導業者,並積極推展電子商務,找出使其獲利的策略。【延伸閱讀】減少乳牛抗生素使用的新工具   農業電商發展在臺灣依舊是相對新穎的行業,電子商務在臺灣現有的農產品市場中仍有其侷限,本篇研究可望為臺灣現有的農業電商市場,提供新的一盞明燈。相關研究成果刊登在<HortTechnology>。
新型技術以3D虛擬模型建構禾本科花朵結構
2018/12/06
花卉與其他植物結構擁有豐富且複雜的訊息,也能用於回應分類學、演化學及生態學上的多種問題。隨著資訊科學在生物學研究上逐漸扮演重要角色,將這些生物資訊轉化為易處理的數據資料並進行分析,具有絕佳的應用潛力。植物外觀的三維(3D, three‐dimensional)模型創建是作為研究中廣泛應用的工具,通常需要擷取所需結構的二維圖像,再於電腦中重建需擬3D模型。而高解析度X光電腦斷層掃描(High Resolution X-ray Computed Tomography)現已被用於建構植物結構的虛擬3D模型,甚至是化石植物。   禾本科植物因多以風力授粉,花朵結構較小且為複合花序,通常不易直接辨認,也難以外觀差別區別分類學上的多樣性;然而這些難以捉摸的花朵結構具有極大的經濟意義,成功授粉後會產生如稻米、小麥及玉米等穀物,有效了解種子結構與受精條件對於農業發展價值極高。   由美國愛荷華州立大學Phillip Klahs與團隊於<Applications in Plant Sciences>期刊上發表新技術研究,利用高品質3D數位化模型描繪植物構造,建置3種禾本科 (Poaceae)的花卉模組。此項技術包含光學顯微鏡拍攝植物薄層切片及利用電腦輔助設計(computer-assisted design, CAD)軟體,將2D影像轉換置3D模型重現並可在3D模組動畫中觀看;除了更加符合成本效益,同時能產生可用於精密顯微鏡技術之常規解剖切片。此外,以連續影像片段搭配標準光學顯微鏡能更精確地創建植物內部虛擬結構。【延伸閱讀】利用智慧型手機管控生產成本   最近幾十年來,生物資訊革命已橫掃植物學門領域,也顯示數位化方式帶來的成本效益與精準化。此項技術不僅促進植物生態學走進數位時代,也為世界科學與教育人員提供便宜又方便的方法。
植物激素於太空農業的未來應用
2018/12/04
由於世界人口增加、耕地面積減少、氣候變遷加劇與自然資源有限等原因,向外太空發展農業似乎是一種可行的想法;然而,植物已在地球上經過長期演化,早已適應地球的特殊環境。太空中的重力特性和土壤營養皆與地球上有所不同,欲發展農業則需透過科技技術尋求解決之道。   菌根是一種真菌與植物互利共生的構造,真菌的菌絲比植物的根更細,可幫助植物吸收水分與礦物質,而植物則可供給真菌所需的醣類和脂質,在營養缺乏的環境中,這樣的構造更能幫助植株生長與促進健康。獨腳金內酯(strigolactone, SL)是一種常見的植物激素,在調節植物根與芽之萌發與刺激菌根中菌絲生長具有重要角色。瑞士蘇黎世大學(Universität Zürich)則利用此一特性,測試真菌Rhizophagus irregularis在模擬微重力環境下,於茄科模式植物—矮牽牛(Petunia hybrid)產生的菌根化現象。   由於真菌體內具有重力感受器,因此微重力條件對菌絲發育具有負面影響。而SL生合成和運輸會受到營養缺乏的條件誘導,而植物中的PDR1基因能夠改變的SL運輸效率。透過模擬得知,在微重力環境下,PDR1基因過度表現的矮牽牛仍然可生成較多的菌根。顯示藉由調控基因表現而誘導植物激素產生,並進一步引導菌根生成,或許有利於茄科植物在太空站或其他星球上生長;未來進行植物太空研究時,或可選擇生成較多SL的植物培養與耕作。【延伸閱讀】農桿菌之應用協助人們了解植物繁衍背後之遺傳機制    相關研究發表於< Nature Microgravity >
回收廢棄燈管可望成為商機
2018/12/03
行政院環境保護署將廢照明光源公告為回收項目,廢照明光源因含資源物質(玻璃、塑膠及金屬)以及微量的汞,家庭用量大,宜統一回收再利用處理。其中資源物質中含有稀土元素,如釔、銪、鑭等作為燈管中的螢光劑。由於稀土元素因市場供需問題,加上主要產區來自政治敏感區,如何供應穩定的稀土原物料及平穩市場價格成為主要關鍵,若能有效回收廢棄燈管內的稀土元素,延長元素使用週期並減少開採原物料造成的污染,將能達到減廢及資源再利用的目的,而這方面的關鍵技術是將是人們發展的目標之一。雖然現今已存在回收廢照明光源內稀土元素的技術,但處理過程使用大量的酸性萃取物,產生大量的污染,且處理價格所費不貲,因此距離商業應用仍有不小的差距   有鑒於此,日本金澤大學團隊致力研發較為乾淨的處理方法,為廢棄螢光燈管處理及稀土元素的回收增添新的里程碑。有別於傳統單純使用酸性溶液萃取物溶出廢燈管中的稀土元素,金澤大學團隊在處理過程中加入先前就曾被用在處理毒性固型廢棄物方面的螯合劑,使得回收廢棄螢光燈管的過程中不需耗費大量高污染的酸性溶液,即可以少量的酸性溶液螯合出稀土元素。研究也發現在增加反應溫度的同時,回收率也能有顯著的提升。此外研究團隊更嘗試在反應介質中加入球狀研磨物質(Planetary ball-milling),透過球狀研磨物質與反應物介面的物理交互作用,增加反應介面的表面積、提升反應速率,藉此在短時間內提升回收率。透過新的回收方法,研究團隊已能將稀土元素的回收率由傳統53%提高至84%,並減少傳統回收法造成的大量污染。【延伸閱讀】促進永續性之纖維素奈米纖維製造方法   雖然已有較乾淨的廢棄物處理方法,但研究團隊仍試圖找出最佳的反應溫度、酸鹼值、研磨速度、球狀研磨物質大小等可能的重要反應參數,繼續朝向零污染、永續科技發展的方向前進。該研究已於今年刊登在<Waste management>中。
評估植物外來種是否成為入侵種之新興工具
2018/11/29
全球約有13,000多種外來植物在非原生棲地生長,某些外來種(alien species)能適應當地原生環境成為歸化種(naturalized species),與原棲地生存的原生種(或稱本地種,native species)共享同一棲地,然而某些外來種則對當地原生種造成威脅,成為入侵種(invasive species),可能使原生種滅絕。以生物防治的角度,若了解外來種要進一步成為入侵種所需具備的形態特徵,將有助於有關單位監控入侵生物,確保當地生物多樣性,這對林業經營管理及農業生產安全具有一定程度的貢獻。   捷克馬薩里克大學(Masaryk University)及美國佛蒙特大學(University of Vermont)跨國研究團隊研究中歐6類不同棲地,每類型的棲地分別採集原生及非原生植物物種,將這些物種分為原生種、歸化種(naturalized species)及入侵種,共計採集1855個物種,最後量測個體的形態特徵,記錄植物葉表面積、株高及種子重共3種性狀,並分析三種類型的植物在不同棲地間是否具類似的特徵。研究結果發現,入侵種的株高特徵在6類棲地環境皆呈現顯著差異,外來種的株高在6類不同棲地中皆高於原生種及歸化種,這顯示植物生長高度可能是決定外來種能否成為入侵種的主要特徵之一,研究團隊推測這樣的現象可能是因高植株性狀令外來種有機會獲得更充裕的光線,從而競爭過當地的原生種。研究認為外來種與原生種皆具備適應棲地所需的特殊性狀,然而一旦外來種較原生種額外具備某些具優勢的性狀,將能利用優勢性狀競爭過原生種,進而藉機成為當地的入侵種甚至優勢種。【延伸閱讀】翻轉邊際農地用途再造人與生態共生共榮   馬薩里克大學及佛蒙特大學在入侵生物學的研究發現,為森林生態植物多樣性及農業生物防治提供重要的資訊。該研究已於今年11月發表至<Nature Communications>。

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