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趨勢快訊
藉由分析穩定碳同位素找出水分利用效率高之玉米品系
2018/11/23
全美國地區的農業用水占全國水資源利用的80%,其中大多用於灌溉作物方面。近年來由於極端氣候發生次數頻繁,各地不定時發生短時間強降雨與長時間乾旱的情況,農業灌溉恐面臨缺水危機。除改善儲水設施、發展以大數據為主的極端氣候預警系統、開發特殊自動化灌溉設施外,透過育種技術,以傳統雜交或分子選育,改良作物性狀、培育耐極端氣候的品系(種),皆為研究的方向。許多研究顯示,植物水分利用效率(water-use efficiency, WUE)的高低,是決定該物種是否耐旱的指標之一,該指標可反映植物進行光合作用時,固碳效率及反應期間水分消耗多寡的關係,效率高意味著植物僅需消耗少量水分,便可固定大量光合作用產物;一般而言,生長在乾旱地區的作物與降雨充沛地區的作物相比,擁有較高的水分利用效率,而C4植物則較C3植物高。藉由分析不同品系間水分利用效率的高低,將有助於人們在未來培育新品種。   美國現今約有9,000萬畝的農地,以粗放經營的方式大面積種植經濟作物玉米(Zea mays),整體用水量相當可觀。玉米是原產於美洲的C4植物,擁有長期人為馴化史,美國有多種品系,不同品系間的水分利用效率皆有差異,若能先建立各品系的水利用效率特徵,將有助於後續找出對應之遺傳性狀,做為未來育種之用。   傳統分析水分利用效率的方式係透過儀器量測葉片上水分及二氧化碳進出氣孔的多寡得知,但由於該方法須長期監控,且推廣至大規模應用不符經濟效益,因此美國伊利諾大學作物科學系(Department of Crop Sciences, University of Illinois)的研究團隊以測量穩定碳同位素(stable carbon isotope),分析葉片中穩定碳同位素的含量,藉以推論不同品系間的水分利用效率。碳元素在自然界中具有不同中子數的型態,多數以較輕的碳-12形式存在,而少數以較重的碳-13形式存在。當植物吸收自然界中不同碳元素組成的二氧化碳進行光合作用時,便將各個同位素形式的碳固定在植物體內。研究藉由植物體內碳-12與碳-13的比例,便可推估各個物種或品系的水分利用效率。【延伸閱讀】以近紅外光譜儀即時監測牧草之營養狀態   研究團隊將玉米的36種自交系(inbred line)分別以不同生長季、多處溫室及田野等條件中進行試驗,最後測量其穩定碳同位素比例。研究發現穩定碳同位素的性狀是可遺傳,在不同試驗環境下,其特徵趨勢相似。研究成果初步證實,玉米的水分利用效率特徵是可遺傳的,這項發現提供育種者新的選育方向。研究團隊預計在未來找出與水分利用效率相關的基因,盼為玉米品種改良做出貢獻。   該研究由美國農業部國家農業及食物研究院(National Institute of Food and Agriculture, USDA)資助,相關研究成果已於今年10月發表在<The plant journal>。
翻轉邊際農地用途再造人與生態共生共榮
2018/11/22
邊際農地(marginal farmland)係指農地周圍不適栽種作物的土地,這些土地可能因地勢較低不利排水,或因土壤特性不同,使得肥料或水分易流失等,使得肥力較差不適作為栽植之用。我國農業委員會農地資源劃分則將邊際農地定義為:「自然及人文條件不適合做生產使用的農地,包括地層下陷地區、海岸地區及坡地地區,但這些地區可能具有較佳的其他功能條件。」不論如何界定,邊際農地因土質、肥力及經濟等多方因素,不適合發展農用,但邊際土地在適當開發下仍可作為其他土地利用。   美國能源部阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)自2011年起,研究具經濟效益的生質作物(biofuel crop),其中灌木柳(shrub willow, Salix miyabeana)及柳枝稷(switchgrass),是提煉生質燃料的重要研究物種。研究初步發現灌木柳及柳枝能適應砂質土環境、減緩土壤受侵蝕,並吸收鄰近農業施用過剩的肥料,在穩定水土保持之餘也能防止過多的肥料流溢到鄰近地區的土地及河川中。若過量的肥料流到周邊的水域甚至排放到下游海域,將因水域優養化造成大規模的藻華現象,藻華將使鄰近海域溶氧量下降並產生大量的毒素,對區域環境造成重大危害。為此,阿岡國家實驗室團隊在2013年起,選定6.5公頃的玉米田或大豆田進行田間試驗,以地理資訊系統及土壤肥力分析比對後,選出農地中生產力相對較低的區域,並在這些區域種植灌木柳,並觀察灌木柳是否能有效解決農地肥料隨地下水流到河川等問題。【延伸閱讀】計算歐洲致命橄欖樹病原體對經濟的影響   在長期監測土質、地下水及觀測地面植被的結果發現,因灌木柳的根系深達地下水層,透過較深的根系能有效地攔截及吸收肥料流溢至地下水中過多的氮肥。除此之外,研究同時也觀察到農地周圍的生物多樣性提高及溫室氣體排放量下降等趨勢,顯示種植灌木柳除提供能源效益外,在環境友善及環境保護方面有定的效益。阿岡國家實驗室的研究成果顯示,若能於邊際農地推廣種植深根系的灌木柳,將有助於發展成為生產、生活及生態平衡的三生共榮,利於在地永續發展。該研究成果已於2018年美國地質學會大會發表。   除國外推廣種植生質作物的方法外,我有關政府部門近期也在逐步規劃邊際農地做為推廣太陽綠能種電之用,顯示邊際農地目前在國內外皆由早期無人開墾的荒蕪地轉變為生生不息的自然寶地。
可確保茶供應鏈透明度的新技術
2018/11/20
Teapasar是新加坡的是一個初創的線上茶葉市集,於2018年9月推出,其中運用創新思維模式的兩種服務工具-ProfilePrint和TasteMap,可透過科學方式敘述茶葉特性及客戶偏好,並提供最接近客戶需求的茶葉品項。   ProfilePrint利用氣體色譜法與質譜儀(Gas chromatography–mass spectrometry, GC/MS)創造了茶的代謝物指紋圖譜,可針對茶樣本的來源、風土、栽培品種、收穫日期和其他標識進行了分類,透過質譜儀與多變量統計分析方法,能在沒有標籤的情況下也能查出茶葉樣本的來源及合法性。目前也有利用以擴增片段長度多型性(Amplified Fragment Length Polymorphism, AFLP)或檢測p -coumaroysolglucosol-rhamnosylgalactoside以分析茶葉樣本的方法,但ProfilePrint可提供生物標記和基因譜分析以外,更加便宜的分析方式,簡化的氣相色譜儀售價僅為兩千美元。   TasteMap則通過線上用戶選取的八種口味偏好類別以區別消費者,包括甜味、豐富度和澀味等,再依喜好推估茶品項和顧客之間的最佳配對,並以人工智慧與機器學習技術,通過反複試驗改進預測性能。由於TasteMap仰賴於大量數據量培訓,因此茶認證的實驗室利用超過一百萬個數據訓練樣本,以增進模型的預測能力。目前Teapasar已開始使用來自350種茶樣品的400個數據進行模型測試,隨著供應商和客戶的數量逐漸增加,機器學習的效果會更加優異。【延伸閱讀】草本茶正在全球流行中   Teapasar的創建提供了一個可擴展的業務平台,其建立基礎為新加坡國立大學(National University of Singapore, NUS)所提供的化學代謝物圖譜指紋辨識方面的專業知識,與新加坡科技研究局(Agency for Science, Technology and Research, A*STAR) 提供的機器學習算法和數據培訓,雖然目前規模較小,但代表著茶葉科學、生物技術、供應鏈整合和透明度等跨域技術的結合,可能性無限。
利用感測器測量土壤裡的硝酸鹽含量
2018/11/19
荷蘭應用科學研究組織中心(The Netherlands Organization For Applied Scientific Research, TNO),開發能偵測土壤硝酸鹽含量並應用於監測氮礦化作用的感測器。氮對於植物生長發育與其體內蛋白質生產具有重要意義,ㄧ旦知道需要供給多少氮肥給土壤,農民就可以計算出最適合植物生長所需的肥料添加量。   目前TNO與瓦賀寧恩大學(Wageningen Universiteit)正執行ㄧ項名為DISAC(Data Intensive Smart Agrifood Chains)的計畫,此計畫與開發土壤硝酸鹽感測器相關,並與當地農業公司、科技公司及研究中心共同合作致力為精準農業研發新技術。   TNO所開發的感測器能頻繁偵測土壤中的硝酸鹽含量,提供最即時的數據。為了節省能源與數據儲存容量,研究人員每日進行量測並提供相關平均數值,藉由ㄧ系列的數據收集,能持續觀察土壤中氮礦化(nitrogen mineralization)的過程。迄今為止,所有結果皆為現場測試,未來將可於不同地點進行測量,並透過應用程式檢查數據結果。【延伸閱讀】英國土壤濕度感測器突破性進展,為智慧型灌溉鋪路   由於植物只能吸收銨態氮或硝酸態氮,因此植物生長與氮礦化程度具有相關性,藉由智慧化偵測系統提供土壤中氮含量指標,除了可協助農民了解土壤中的氮含量是否滿足植株所需,也可幫助觀察施肥後植物的利用狀況。   目前研究正於荷蘭的測試農場Dairy Campus- Vredepeel en KTC Zegveld進行測試。感測器安裝於距基座約15公分內的植株根系附近,而太陽能電源供應及相關設備則是安放於地面上。目標是利用模型與遠端偵測技術,了解預測和實際產量的差異性,以研究植物產量與其蛋白質含量,以及感測器如何實際應用於場域的方法。雖然目前仍尚未確定如何藉由此感測器優化現有的施肥機制,但這項研究有助於更瞭解植物的生長環境與氮礦化關係。
以透地雷達透視地表下的秘密
2018/11/14
透地雷達(ground penetrating radar)在土壤科學的應用很廣,由於使用容易且量測快速,因此過去常運用在測量土壤含水量。雷達是無線電偵測和定距(Radio Detection and Ranging, RADAR)的縮寫及音譯,將特定能量之電磁波發射至空間中,藉由空間物體所反射的電磁波,可計算出物體的形態及距離等參數。透地雷達則是運用相同的原理,以向地面發出與接收電磁波的方式,偵測地表的狀況並呈像,由於電磁波在通過不同介質時有不同的傳播速率,因此透過計算反射的速率,便可推知地底下的土壤組成。在戰爭上,透地雷達可用來偵測地底下是否埋設不明爆裂物,而在農業方面,土壤含水量是作物生長及灌溉的關鍵,而透地雷達可在某種程度上扮演重要的角色。   透地雷達可用來測量包含土壤含水量在內的土壤組成,含水量多寡可用來推估全球氣候變遷的趨勢外,也是農業灌溉管理的重要參數之一。雖目前已有許多方法及數學模型推估雷達波與土壤含水量之間的關聯性,但找出最精確且最快速的量測方式,仍是現在科學家努力的目標。美國羅格斯大學(Rutgers University)的研究生Jonathan Algeo及其研究團隊透過接收雷達回波的早期訊號(early time signal, ETS),藉由量測訊號中振幅強度,運用特定的方程式轉換後,即可藉此換算為土壤中的含水量。早期訊號是由土壤表層反射的波段,特點是最快反射及易受土壤含水量特性的影響,十分適合用在快速且大面積檢測土壤的含水量,甚至可用來分析土壤顆粒密度高,不被雷達偵測的黏土(clay)。【延伸閱讀】透過生物技術改良來抑制高隧道栽培設施內的土壤病原體與害蟲   該研究已發表在<Vadose Zone Journal>中,相關研究可為滴灌農業提供快速測量土壤水含量的新技術。
椰子油衍生物驅蟲效果比「敵避」更好
2018/11/13
動物受到吸血昆蟲叮咬後容易引發局部或全身的過敏與發炎反應,使用驅蟲劑可預防蚊蟲叮咬引發的不適感與疾病傳播。自1944年開發以來,敵避(diethyltoluamide, DEET)就被認為是在商業上最持久且有效的驅蟲劑,受到人們廣泛使用。然而,考量到此類人工合成藥劑可能威脅孕婦和嬰兒健康,故各界極力開發以天然植物來源為主的驅蟲劑,例如香茅、薰衣草、貓薄荷等,部分天然精油的驅蟲效果雖然良好,卻有持久性不佳之問題,若可找出天然、有效且持久的驅蟲劑,則更能減少衍生的健康風險。   椰子油是一種從成熟椰子中搾取的食用油,屬於富含飽和脂肪酸的天然植物性油脂,以豐富的月桂酸(lauric acid)和肉荳蔻酸(myristic acid)含量而聞名。美國農業部農業研究局(Agricultural Research Service, ARS)近期發表研究於Scientific Reports,證實特殊的椰子油的中鏈脂肪酸,對於多種昆蟲,例如蚊子、蜱蟲、虻和臭蟲等具有良好的驅蟲活性。在實驗室的生物測定中發現,這些脂肪酸能有效抵擋虻和臭蟲兩週,抵擋蜱蟲一週,與DEET相比之下效果更好。【延伸閱讀】椰子油可提升過氧化小體異常之果蠅壽命   作者Zhu提及,椰子油本身並非驅蟲劑,但衍生的油離脂肪酸混和物—月桂酸、癸酸(capric acid)及辛酸(caprylic acid)與其相應的甲基酯(methyl esters)對於吸血蚊蟲具有強烈的驅除性。將脂肪酸添加在含有澱粉的配方當中,能保護牛隻長達4天。除此之外還能驅除傳播茲卡病毒的埃及斑蚊,且效果比起其他的天然精油成效更佳,這些結果顯示,椰子油脂肪酸在防範蚊蟲叮咬人或動物的潛在應用性,未來或許畜牧業可利用此特性製作成低成本配方保護動物,作為人工合成藥劑的替代品。
餵食菌絲體萃取物可減少蜜蜂體內的病毒量
2018/11/09
蜜蜂是大自然中植物繁衍最主要的授粉媒介,人類有三分之一的食物直接或間接的來自於需要蜜蜂授粉的作物,因此蜂群健康與人類的糧食安全緊緊相依。自2000年後開始,各地科學家發現除了藥劑影響,蜜蜂病毒的大量感染也會造成蜂群數量急遽下降。   瓦蟎(Varroa destructor)是一種原本寄生在東方蜜蜂身上的寄生蟲,除了干擾蜜蜂成長,也會傳播病毒與病菌,影響蜂群壽命;經過長時間的演化,東方蜜蜂已發展出對付瓦蟎的方法。然而,瓦蟎經由人類的商業行為傳播到了西方蜜蜂(Apis mellifera)身上,使得大量西方蜜蜂喪命,需要盡快找出防治方式或促進蜂群健康,才能維繫糧食安全。   目前已知真菌可產生具有抗細菌、病毒或真菌活性的多種化學物質,且科學家已經觀察到野外的蜜蜂會在菇類上覓食,說明牠們可能從真菌中獲得所需的藥用或營養價值。為此,華盛頓州立大學(Washington State University)與Fungi Perfecti公司合作,嘗試使用多孔菌中的Fomes fomentarius和Ganoderma applanatum菌絲體進行萃取,並測試以萃取物餵食蜜蜂後的效果。   經過實驗證實,餵食G. applanatum萃取物的處理組與對照組相比,蜜蜂體內的蜜蜂畸翅病毒(deformed wing virus, DWV)減少了79倍,而西奈湖病毒(Lake Sinai virus, LSV)減少了45,000倍,顯示真菌於此方面的應用具有巨大潛力。【延伸閱讀】桑樹施用殺菌劑可能減少蠶絲生產   目前菌絲體萃取物的產量還不足以提供養蜂人購買的規模,未來將會持續研究蜂群的最佳使用量,以提供業者管理時的參考依據,並促進Fungi Perfecti提高產量。   此項目的部分由USDA-NIFA項目WNP00604資助,相關研究發表於<Scientific Reports>。
印度理工學院利用蘆薈去除水中油分
2018/11/08
蘆薈黏液(Aloe vera mucilage, AVM)本身具有優異的疏油特性,能分離油脂和水,研究人員首次利用天然存在的蘆薈凝膠開發相關研究。過往大部分研究多以模仿自然界的生物結構(例如魚鱗)探討疏油性材料,但比起材質的優化,使用修飾後的蘆薈凝膠能更有效地使基材表面達到阻隔油脂的效果。   現在,印度理工學院化學系則利用蘆薈葉中含有的濃稠凝膠,透過麥可加成(Micheal addition reaction)轉化成疏油材料;表面塗有凝膠的相關基材與油脂接觸後,接觸角(contact angle) 大約為150度,近似於蓮葉的疏水原理。研究人員也發現,此材料暴露於沸水(100℃)60分鐘、液態氮(-196℃) 24小時、強酸(pH1)與強鹼(pH12)環境、人造海水和河水30天後,仍保有完整的疏油特性。此外,若將凝膠塗抹在市售多孔性親油材質上,可將該材質變得極度疏油性,油脂接觸角達到151度。但若材料經過彎曲或扭曲,接觸角會減少至146度,而遭受如砂紙磨損,刮刀試驗等嚴重的物理磨損也會造成接觸角度降至100度以下。   為維持蘆薈凝膠於生活中的使用度,該團隊利用聚二季戊四醇五丙烯酸酯(dipentaerythritol pentaacrylate或5Acl)與凝膠塗層結合,再透過增加親水性胺基葡萄糖(glucamine),可讓整體疏油性提高至155度,其材質拉伸約150%並彎曲至少1,000次以上,仍可保有完整的疏油特性。【延伸閱讀】以木頭製作的海綿可幫助水面上的油汙回收   Manna博士表示:「研究人員能夠利用此材料將輕 (媒油)與重油從水中分離,並且重覆使用至少25次後其分離效率仍高於97%。」即使在極端pH值、高鹽度、低溫和高溫等惡劣條件下,仍保持油水分離的效率。   相關研究發表於<Journal of Material Chemistry A>
用菠蘿蜜籽粉製成的卡布奇諾咖啡具有巧克力香氣
2018/11/06
目前國際上的可可生產量並無明顯增加,但需求卻仍不斷增長,故相關食品行業正在努力尋找用於可可產品的新型替代品。而市面上一般販售的即溶卡布奇諾通常含有咖啡、牛奶與巧克力粉末,其中巧克力的質和量根據製造商而有所不同,高檔產品採用可可粉,但低端產品大多使用人工香料。   菠蘿蜜(Artocarpus heterophyllus Lam.)是一種原產於印度的熱帶水果,在3000多年前就被馴化,是東南亞飲食中重要的食材。種子佔果實重量的18-25%,果實可生吃或加工,種子可經過烘培或炒過後食用。作者Fernanda Papa Spada在一次開發水果副產物加工試驗中,偶然發現學生利用烤菠蘿蜜種子製成的麵包具有濃烈的巧克力味。經過研究後,發現菠蘿蜜種子本身並不會發出可可的氣味,但經過發酵與烘焙後就可產生可可香氣,或許可取代即溶卡布其諾咖啡包中的巧克力成分。【延伸閱讀】在食品中添加綠茶萃取物作為可食用塗層能降低感染諾羅病毒風險   由於可可的特殊香氣是來自於發酵及焙炒過程中產生的揮發性化合物,故須確定焙炒和發酵菠蘿蜜種子的理想條件才可以獲得與可可相似的味道。為測試最佳的加工方式,團隊分析了經過33種不同程度烘焙的種子,可替代50%至75%的可可製成卡布奇諾而無損其風味或香氣。經過這樣方式,可開拓菠蘿蜜或其他植物種子的加工利用管道,相關研究發表於<Plos One>。
智慧隨機模型可預測氣候變化下的土壤水分
2018/11/01
植物可通過土壤中的養分和水分維持生命,故預測土壤中水分動態變化對農業或水資源管理具有重要意義。然而,利用電腦模型預測土壤濕度是一項具有挑戰性的任務,需要考量土壤質地、植被、氣候(包含日照、風、溫度、降水等)、地形等資訊,且模型開發、應用和分析方法也至關重要。大多數常見的水文模型都是根據回溯性資料(retrospective dataset)進行校正,且不考量氣候變化,進而假設降雨與徑流的固定關係;這樣的模型應用時會加深估計土壤濕度變化的不確定性,並產生較大的誤差。   美國國家航空暨太空總署於數前年發射GPM(Global Precipitation Measurement)和SMAP(Soil Moisture Active Passive, SMAP)衛星,可幫助進行全球性的降水觀察,通過良好的模型預測,能夠幫助增進農業效率。而韓國慶北大學(Kyungpook National University)與美國德克薩斯州A&M大學(Texas A&M University)合作,通過結合隨機隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)與遺傳演算法(genetic algorithm, GA),提出了一種新型演算法,可幫助校正不同時空下的衛星數據與驗證其他水文科學研究。【延伸閱讀】農業先進大國荷蘭將邁向新的挑戰—應用宇宙衛星預測作物生產   GA屬於一種進化演算法,而HMM則幫助調整模型所需的輸入參數,使預測結果更加符合實際情形。此演算法在美國愛荷華州和伊利諾州進行測試,與過去文獻提出的SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)-GA方法相比,更提高預測的準確性。   此研究為隨機模型的首次應用,並開拓了使用衛星數據預測土壤水分動態變化的方法。雖在預測每日水分變化仍具有技術上的侷限性,但可進行較大空間與時間尺度的土壤溼度預測,並根據氣候變化進行調整,且只需使用現有氣象站的降水數據;不但簡化了參數輸入與模型結構,更縮小了預測的錯誤性。可協助氣候變遷影響下,未來的農業及水資源管理效率提升。
第一組薰衣草基因組定序發表
2018/10/30
薰衣草(Lavenders,為Lavandula屬,Lamiaceae科)為高經濟價值園藝植物,也是長期以來被廣泛運用的藥草,具有放鬆心情與輔助睡眠的效果,而精油(essential oils, EOs)也廣泛用於美妝、醫藥等產業。   為了更加了解植物精油的產生機制,加拿大的布洛克大學(Brock University)和英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)的研究學者對薰衣草進行基因組定序,並採用de novo draft genome assembly技術進行序列組裝,建立出第一個較為完整的薰衣草基因組草圖(draft genome),並找出精油產生的相關代謝途徑,藉由了解並控制這些基因表達的調控因子,就能生產人類所需成分的精油。   這些資訊可以幫助之後的人員開發各薰衣草品種的鑑定基因標記,或是研究如何利用基因和生物技術協助育種改良,減少薰衣草中的樟腦或提高芳樟醇及乙酸芳樟酯等成分,有利於提升薰衣草精油的市場價值。【延伸閱讀】藉由基因標記與分子育種技術,可加速耐鹽釀酒葡萄品系之開發時程   相關研究得到加拿大自然科學和工程研究委員會(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada)、加拿大研究主席計劃(Canada Research Chair Program)和卑詩省農業基金會(Investment Agriculture Foundation of B.C.)的資助,結果發表於<Planta>。
利用光生物反應器處理廢水可降低抗藥性於環境中傳播的風險
2018/10/26
抗生素在人類與動物醫療中使用廣泛,經排出體外後便進入環境當中;目前全球城市廢水中含有許多種殘餘抗生素,可能導致環境中微生物產生抗生素耐藥性,增加未來面對各式病原的風險。   使用細菌或藻類等微生物處理廢水,是一種透過「生物處理法」淨化水質的方式,依照不同微生物特性,能有效轉化並減少廢水中的重金屬或有害化學物質,並生產人類所需之副產物,具有經濟上的可行性。傳統上使用活性污泥法,藉由污泥中豐富的微生物清除廢水中的有害物質,但也容易變成抗藥性基因傳播和轉移的溫床,且官方並無規範抗生素耐受性的決定因子濃度,因此這種方式所處理過的水體可能仍具有健康上的疑慮。【延伸閱讀】利用微生物製成的燃料電池清理養豬廢水   愛沙尼亞塔爾圖大學(University of Tartu)則比較了利用光生物反應器(photobioreactor)與活性污泥法處理廢水時的差異,利用電阻率偵測與qPCR (Quantitative Polymerase chain reaction)進行定量分析,發現光生物反應器的抗生素抗藥性基因體(Antibiotic resistome)減少的機制不同。傳統的廢水處理系統中,抗藥性基因的減少與處理期間細菌族群豐度相關;而在光生物反應器中,抗藥性基因則和處理過程中微生物族群組成的變化有關。   光生物反應器中的廢水淨化效率取決於微生物生存條件,由於廢水當中具有高濃度營養,需要經過稀釋才能進入光生物反應器,確保處理系統可正常作業,一般常用天然水體進行稀釋。該團隊還評估了來自天然水體的自來水和當地湖水作為稀釋劑的效果,其中湖水中的抗藥性基因豐度遠遠超過自來水中的含量,顯示湖水已受到人類活動的嚴重影響,利用湖水作為稀釋劑更具有發展潛力。   先前許多研究已使用藻類和光反應器處理廢水以減少水中有毒物質,此研究更展現了此種方法對減少環境中抗藥性威脅的優勢,詳情發表於<Water Research>。
生物營養強化技術使小麥更健康
2018/10/24
穀類富含大量的碳水化合物,自古便做為人們的主食,雖可供溫飽,但人體仍需額外攝取其他維生素或礦物質等元素,如:鐵、鈣、維生素A及B群等,才能進行正常生理代謝。美國農業部農業研究局(USDA Agricultural Research Service)的研究人員Robert Graybosch博士表示:食物中營養素不足或內部所含反營養物質(antinutrients)會干擾人們對營養素的攝取,根據統計,全球約60%的人並未攝取足夠的鐵質。   透過額外添加維生素或礦物質於食物中提升營養價值的手段,稱作食品營養強化(fortification),可幫助補充人體所需養分。傳統的食品營養強化方式為食品添加劑,例如食鹽中適當添加碘可防止甲狀腺腫大。隨著生物技術不斷進步,若能在作物生長的過程中,利用遺傳育種或基因工程等方式,使植物自行生合成特定維生素或礦物質,強化食品本身營養素的方式,則稱作生物營養強化(biofortification)。   以稻米為例,稻米在部分貧困地區是窮人賴以維生的主食,但其中維生素A含量少,貧民在長期只食用稻米的情況下容易缺乏維生素A,使得免疫力下降與疾病產生。經基因工程技術,科學家成功培育富含維生素A的黃金米,提供更有效攝取維生素A的途徑,此為透過基因改良方式達到生物營養強化的案例之一。   Robert Graybosch及其研究團隊以小麥(Triticum aestivum, common wheat)作為研究材料,希望在不減少產量的前提下,探討影響穀物蛋白含量(grain protein content)的Gpc-B1基因與低榖植酸(low grain phytate)的 lpa1-1基因在小麥田間試驗中如何調控產物中的微量元素含量。結果表明,結合此兩種特性可以增加了人類從中獲得的鋅、鈣和錳等元素。【延伸閱讀】植物科學發現可能有助於治療過敏和免疫缺陷   雖然此研究結果有助於培養高蛋白含量、低穀植酸且單位面積產量不變的小麥品系,但植物基因表現容易受環境因素影響,因此在其他地區可依照這些研究結果調整小麥品系的育種背景方向,例如未來可改良北美大平原(Great Plains)的小麥,利用基因漸滲(introgression)的方式獲得生物營養強化的優良性狀,並在北美草原大量推廣種植。
加州大學發明便於預測及防範藻華之可攜裝置
2018/10/18
藻華(algal bloom)係指水體中藻類、細菌或浮游生物,在短時間內過度繁殖的現象。藻華產生的主要原因可能是緣自全球氣候變遷或農業所施用的化學肥料(含有大量磷、氮、碳)流入水域中所致,使得藻類與浮游生物在短時間內快速大量繁殖,導致水中氧氣被大量藻類快速消耗殆盡;不但造成水下光合作用受阻,缺氧死亡的藻類與浮游生物也會在死亡後釋出生物毒素(biotoxins),影響大範圍水域,使鄰近生態系受到影響。   過去十年間,美國沿岸及淡水流域均發生藻華現象,釋出的生物毒素嚴重衝擊河口沿岸及淡水河域的食物鏈及生態系。據美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)指出,全球近年發生藻華的次數較先前頻繁,若能即時提供藻華發生地點、影響規模及嚴重程度等預測資訊,將有助於進行預防處理。   美國加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles) Aydogan Ozcan教授及其同事研發輕巧便於攜帶的裝置,可用以即時分析特定水域樣本,提供監測人員獲得更快的資訊,避免災害損失擴大。該裝置是整合全像投影 (holography)及人工智慧(artificial intelligence)技術的新款流式細胞儀(flow cytometer),利用紅色、綠色和藍色發光二極體(Light-emitting diode,LED)進行短時間曝光,以便獲得較清晰的成像並避免動態模糊(motion blur),進而測量樣本中浮游生物的理化特徵;也可藉改變流通量(throughput)多寡,測量較大或較小的目標生物。運用上述科技,能較現行標準測量方法在更短時間內準確分析浮游生物的物種組成。【延伸閱讀】日本靜岡沼津市成立AI與光學測量之農業創新技術研究中心   傳統的分析方法是藉由人工採樣,透過光學顯微鏡判斷水中浮游生物的種類及數目,由於分析的時間較長,原水體常於分析的過程中發生變化,而利用流式細胞儀則可即時提供結果。一般流式細胞儀成本界於40,000-100,000美元,此裝置可將成本降低至2,500美元。團隊檢測洛杉磯沿岸浮游生物的組成,同時以有毒藻類Pseudo-nitzschia屬為檢測指標,於六處洛杉磯海灘進行檢測。該研究成果為加州公共衛生局(California Department of Public Health)所採納。   該研發計畫由加州大學洛杉磯分校Aydogan Ozcan教授主持,成果發表於<Light: Science & Applications>期刊。
利用LED照射殺死哈密瓜表皮細菌的新技術
2018/10/17
哈密瓜具有粗糙的網紋外皮,部分細菌容易潛藏在表皮當中,傳統的洗滌和抗菌處理並無法確保表皮的乾淨程度,若表皮清洗不夠乾淨,這些細菌可能在刀具切開表皮時連帶汙染果肉,食用後就可能引起食物中毒。其中李斯特菌(Listeria monocytogenes)可在冷藏環境下存活,其潛伏期持續長達70天,感染後可能造成患者發燒、肌肉痛或其他腸胃道問題;而沙門氏菌(Salmonella spp.)的潛伏期從幾小時到兩天不等,感染症狀包括噁心、嘔吐、腹部痙攣和發燒,可持續長達七天之久。   為了讓哈密瓜儲存和運輸過程中受到良好地保存,新加坡國立大學(National University of Singapore,NUS)和韓國國立交通大學(Korea National University of Transportation)採用低成本、高壽命的發光二極體(light emitting diodes,LEDs)進行研究,發現使用波長為405和460 nm的藍光照射新鮮水果,具有一定的抗李斯特菌與沙門氏菌效果。其原理是來自於光動力學去活作用(photodynamic inactivation,PDI),當細菌體內的感光物質受到特定波長的光激發之後,就能產生活性氧類物質(Reactive oxygen species,ROS),干擾細菌正常生理作用,最終導致其死亡。【延伸閱讀】以生物固氮減少對氮肥的依賴   不同細菌可能因其體內的感光物質含量差異而使得照射效果不一,需要進行實驗驗證與模擬才能找出最合適的照射時間。此技術或許可提供一個有效的抗菌處理方式,降低經過攝食而感染沙門氏菌和李斯特菌的風險。
植物生長促進細菌能增加植株耐鹽性
2018/10/12
土壤鹽分是影響全球農業生產力的非生物性因子之一,每天有近2,000公頃肥沃的農田由於鹽分過高而退化。由於稻米與小麥等主要糧食作物對鹽分較為敏感,土壤中的高鹽分會使得植物體內的滲透壓提高,降低光合作用效率,進而影響產量。   許多地區的作物產量因土壤中的高鹽度而受到抑制,而植物生長促進細菌(plant growth-promoting bacteria,PGPB)在高鹽度環境具有提升植物生產力的潛力,但由於缺乏非侵入性的植物測試方法,因此PGPB的應用進展緩慢。   由於鹽分逆境與光合作用效率和植物揮發性有機化合物(volatile organic compounds,VOCs)排放具有密切關係,因此韓國忠北大學(Chungbuk National University) 與愛沙尼亞生命科學大學(Estonian University of Life Sciences)進行合作,透過檢測水稻的VOC排放,觀察水稻於不同濃度的鹽分逆境下與處理過細菌Brevibacterium linens RS16的差異。【延伸閱讀】透過模仿藍綠藻,有望提高糧食作物產量   此研究中,研究人員使用水稻(Oryza sativa L.)品種IR29(對鹽度敏感)和FL478(中度耐鹽)來評估在不同鹽度環境中葉片中ACC oxidase活性、碳同化(carbon assimilation,又稱碳固定carbon fixation)和VOC排放結果。發現使用B. linens RS16接種水稻可減緩鹽分逆境對植物的影響,提升葉片光合作用效率和減少的VOC排放;顯示微生物與植物間的交互作用可能影響植物體內的生理代謝途徑,進而增加植物對逆境的耐受性。
政策制定者無法承擔忽視土壤永續利用之後果
2018/10/09
歐洲科學院諮詢委員會(European Academies' Science Advisory Council, EASAC)近日提出一份關於土壤永續利用的建議報告,供歐盟及其會員國政策制定者參考,報告內提及歐洲地區土壤永續利用面臨到的問題、現況及如何制定相對應之政策。   土壤永續利用是歐盟長期關注的議題之一,雖然歐盟試圖於2014年提案訂立土壤指令(Soils Directive),但因成員國支持度不足,該指令最終遭撤回,至此歐盟仍缺乏土壤永續利用的相關準則及規範,各國間丈量及監測土壤環境的方式也未見統一的標準。歐洲議會在上個月討論如何透過土壤保護與土壤永續利用改善糧食安全問題,顯示土壤永續經營管理將是近期歐盟各國未來政策制定的方向之一。【延伸閱讀】歐盟2020年後的CAP目標說明   歐洲科學院諮詢委員會為土壤永續經營管理提出下列議題: 議題一:氣候變遷   歐洲科學院諮詢委員會在報告中指出,土壤碳含量是大氣的2-3倍。委員會建議透過實踐千分之四倡議(4 per mille initiative)每年增加土壤中0.4%的碳含量,改善土壤肥力及結構。改善農地土壤肥力及結構的措施將有助於健全糧食安全體系,並減緩氣候變遷造成的影響。委員會亦建議應針對不同地區的農民採取因地制宜的土壤管理方式。   委員會另外提到:在設法增加土壤碳含量的同時,泥炭地(peatland)因燃煤需求而開發,將對土壤保護造成極大的衝擊。為此,如何在開發及復育間取得平衡,將是歐盟重要的課題。 議題二:森林砍伐及土壤永久喪失   歐洲科學院諮詢委員會擔心瀝青封路或建造地上建物等土壤密封(soil sealing)的舉動將使土壤永久無法再使用。若土壤密封的速度日漸增加,而歐盟對農作物的需求量不減的情況下,將需要歐盟以外的地區生產農產品,其他地區為滿足歐盟地區的農產品需求,將開墾林地作為農地,形成惡性循環。   若日後有建造業或礦業等活動,應在不影響土壤潛在生態系服務(ecosystem)的條件下,降低土壤環境面臨的衝擊。 議題三:生物多樣性   歐洲科學院諮詢委員會指出,地表生物多樣性與地下土壤的生物多樣性息息相關。有鑑於地表生物多樣性有相對應的保育法規加以規範,土壤內的生物多樣性也應比照立法規範之。 議題四:生質能源   生質能源的發展會對土壤造成衝擊。若種植抗土壤侵蝕(soil erosion)能力較低的生質作物(例如:玉米),將無法在土壤風蝕的過程中保護地表土壤,造成土壤劣化。若能在能源政策擬定過程中考量這個環節,將有助於將影響降至最低。 議題五:人類健康   人們隨意丟棄的PPCPs (藥物和個人保健用品,pharmaceuticals and personal care products)與動物用藥已對土壤等環境造成衝擊,藥物內的抗生素可能降低土壤微生物多樣性及產生具抗藥性的微生物。另外,若土壤內缺乏營養物質,將導致作物缺乏微量元素等養分,不利於人類健康。 議題六:共同農業政策(common agriculture policy, CAP)   歐洲科學院諮詢委員會建議應在下次CAP中提出關於土壤永續經營管理的政策討論,並且建議廣邀各界專家參與討論及參與政策制定。目標使農民以永續利用的方式活用耕地及造福社會大眾。
利用青芒果皮解決油污泥問題
2018/10/08
油污泥(oil sludge)是原油煉製過程中產生的廢棄物,由於回收率低,易對環境造成污染,因此開發花費低廉且有效的處理方法成為油污處理的主要課題。先前發表的研究證實,由Biruck Desalegn博士及其團隊發明的新型態奈米微粒,可有效解決廢油污泥造成的污染。   南澳大學(University of South Australia) Biruck Desalegn博士表示:去年平均每日全球石油產量突破9,260萬桶,創歷史新高。雖然污染控制的技術已逐漸進步,但精煉的過程中仍無可避免地產生大量的油污泥,這些污泥具細胞毒素,可能導致細胞誘變及致癌性,具有潛在的環境及生物風險。此外,油污泥中的毒化物的物理性質與毒性會隨時間改變,暴露於環境經過風化,恐怕將產生新型態的毒化物。   新型態的零價鐵奈米微粒是由青芒果表皮萃取物與氯化鐵(iron chloride)製造而成,利用氧化還原反應的過程分解土壤中的污染物。經過21天的土壤實驗發現,青芒果零價鐵奈米微粒具有良好的清除效果,能去除土壤中高達90%的TPH (total petroleum hydrocarbon,總石油碳氫化合物)。這類利用植物產生的新型態奈米微粒,提供一個更加經濟、永續及環境友善的油污處理方式。【延伸閱讀】啤酒酵母細胞壁化身生物循環肥料進行葡萄栽培   該研究由澳洲政府資助的合作研究中心計畫(Cooperative Research Centres Programme, CRC Programme)提供研究經費,相關文獻已於8月發表至<Environmental Technology & Innovation>。

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