植物的光系統中含有多種光合色素(phytosynthetic pigment),包含葉綠素、葉黃素、類胡蘿蔔素等,當植物進行光合作用時,這些光系統會吸收與傳遞太陽光能,並經由後續反應將其轉化為化學能。目前大多數已知的藻類、藍綠菌(Cyanobacteria)及植物中的光系統中心多為葉綠素a,而葉綠素a較善於捕捉紅光(波長680至700 nm)的能量;此種情況代表,雖然太陽光所涵蓋之波長範圍廣泛,但只有來自紅光的能量才能用於光合作用。
然而,1996年時發現部分藍綠菌(如Acaryochloris屬)可另外於可見光不足或陰影環境下,使用葉綠素d吸收波長700-720 nm的近紅外光進行光合作用。除了葉綠素a與葉綠素d系統以外,研究人員現今還確認了第三種光合作用系統—葉綠素f。藍綠菌可在陰影環境下,藉由葉綠素f轉化近紅外光(約750 nm)以補充不足的能量。
此種新發現的光合作用形式可協助藍綠菌等自營物種於低光源環境中成功利用太陽能,未來或許可應用於火星或其他地區作為合成氧氣之來源,或是做為光合微生物燃料電池生產的先驅研究。【延伸閱讀】英國石油BP在美國投資生物燃料工廠降低航空公司燃料成本
此研究相關參與機構包含英國倫敦帝國學院(Imperial College London)、倫敦瑪麗王后大學(Queen Mary University of London)、法國巴黎第六大學(Université Pierre-et-Marie-Curie)、細胞綜合生物學研究所(Institut de Biologie Intégrative de la Cellule)、澳洲國立大學(Australian National University)與義大利國家研究委員會(Consiglio Nazionale delle Ricerche),結果發表於<Science>。
德國每年有近2億立方公尺的液態糞便從畜牧養殖場流向環境,這些來自於動物的排泄物含有大量植物所需之磷與氮等元素,可作為土壤中的養分,有助於植物生長;但過多的養分反而導致土壤中微生物大量將銨態氮轉化成硝酸鹽,順著土壤緩慢滲透與汙染地下水。善用養殖動物所產生之代謝副產物可幫助減少其對鄰近地區的汙染,然而養殖場所與一般農田所處的位置並不相近,如何適當處理動物所產生的代謝副產物並轉移至農田是目前所面臨的問題。
德國蘇伊士公司與斯圖加特大學(Universität Stuttgart)弗勞恩霍夫界面工程與生物技術研究所(Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB)合作,設計出BioEcoSIM液體糞肥處理工法,首先確認磷完全溶解於液體中,利用兩段式過濾進行固液分離,再使用封閉系統中的高熱蒸氣幫助固體糞脫水乾燥,這些乾燥後的有機質可在450℃的高溫下轉化為有機生物碳;而液體部分則包含可溶性的無機鹽份,藉由化學沉澱反應產生磷酸銨鎂、磷酸鎂或磷酸鈣,再過濾回收液體中的磷,剩餘液體的則依靠薄膜蒸餾(membrane distillation)技術形成硫酸銨,最後水中只剩下微量的磷、氮及豐富的鉀,可回歸田間做為灌溉之用。【延伸閱讀】檸檬綠色經濟學
此技術可以將原本的動物糞肥回收形成有機土壤改良劑、銨態氮肥和磷酸鹽肥料等產物,不但運送更加方便,也能精確計算肥料的回收率。目前已經獲得專利技術許可,未來逐步在全國設立大型回收工廠,完成規模化與商業化進程;現今Zorbau具有一個試驗處理廠,工廠可用10立方公尺的原料,每小時生產100公斤的磷肥、100公斤的氮肥和900公斤的有機物。另一方面,通過養分回收能降低國內對進口肥料的依賴性,提升人類農業行為的永續性。
BioEcoSIM計畫由2012年10月至2016年12月的第七屆歐盟研究框架計劃資助(the 7th EU Research Framework Program),相關資訊公布於2018年5月14日至18日於慕尼黑的IFAT2018展會。
根據新加坡國家環境局(National Environment Agency,NEA)的資料顯示,食物殘渣約佔新加坡廢棄物總量的10%,估計只有14%的食物殘渣有效被回收。為了有效利用這些食品廢棄物,新加坡國立大學(National University of Singapore,NUS)與上海交通大學合作,開發了一種厭氧發酵系統,能夠回收食物殘渣並將其轉化為肥料,發酵時所產生的沼氣也能用來發電與維持系統運作。
藉由微生物的幫助,一公噸的廢棄物約可產生兩百至四百瓩(kWh)的電,隨著廢棄物中所含的碳水化合物、蛋白質與脂質越高,所產生之沼氣與發電量也就越多。透過沼氣發電後部分能量可供應系統熱水與電腦、幫浦、換氣扇等需電裝置,以維持發酵時的最適溫度50℃,多餘的電力則可儲存於電池當中。此外,發酵系統中的每一個過程都能透過電腦進行控制,而各裝置上的感測器也能將排程開始、結束及異常訊號傳送至管理者手機中,以確保系統運作時的效率和安全性。【延伸閱讀】研究指出農電共生的經營模式可最大化太陽能光電轉換效率
此厭氧發酵系統裝設於可移動裝置上,每天可處理約200公斤的廢棄物,將80%廢棄物轉化成富含營養的肥料,加工後可供給於農藝或園藝所需。另外,此系統於發酵過程中能除去水份與硫化氫,因此可避免發出難聞氣味,適合用於人口密集的城市處理廚餘之用。現在研究人員正於校內持續測試,電池中儲存的電力則作為學生手機與平板充電站之用;而另一個更大的400公斤系統也正在開發中,希望未來能實際使用於當地居民生活當中。
退化性關節炎是老年人常見的骨科疾病之一,常造成患者日常生活中的行為障礙,置換人工關節可幫助患者提高生活品質,是近年來醫師逐漸採用的醫療方式之一。隨著全球老年人口數量逐漸上升,人工關節需求市場也日漸擴大,而相關材料也朝向合金、聚乙烯、陶瓷等多元化發展。考量生態與環境狀況,現今社會提倡使用可再生資源製成複合材料以提升材料永續性,而這波風潮也衍伸至生物醫學產業中。
在骨骼整合手術中使用金屬植入物可能引起人體輕重不一的過敏症狀,且置於人體後依其腐蝕與磨損程度不同,具有一定的使用年限。羅馬尼亞的布加勒斯特理工大學(Politehnica University of Bucharest)利用醋酸纖維素(cellulose acetate)製成人工合金骨骼的外膜,並將白藜蘆醇(resveratrol)固定於膜上,能有效減緩金屬受到遇酸腐蝕的情況,並減少金屬離子釋放對周圍細胞所造成之不良影響,且醋酸纖維素膜的多孔性有助於誘導骨細胞移入並連接植入物;經過約6至12個月之後醋酸纖維膜會於生物體內逐漸降解,只留下與骨骼連接良好的植入物。此外,團隊也於細胞實驗中證實,白藜蘆醇有助於幫助小鼠骨母前驅細胞(preosteoblast)MC3T3-E1移動與增殖,且增殖形狀趨近於天然骨骼的構造。【延伸閱讀】最新研究發現馬鈴薯與市售能量果膠均可供運動員發揮最佳效果
在此項研究中所使用的材料取自天然來源,不但自然界中含量豐富,回歸環境時也對環境無害,若能持續發展應用,有利於減少植入手術後患者的不適與手術失敗率。
相關研究發表於<Applied Surface Science>