電力種田：革命性的eSoil技術如何提高作物產量

 

eSoil。圖片來源：PNAS

人口愈來愈多，需要的土地（耕地與建地）當然也愈來愈多。可是，地球就那麼大，總不能把所有的森林通通都砍掉來種農作物與蓋房子。如果真的那樣做，地球很快就會變得不適合人類居住了。

也就是因為這樣，所以有了「植物工廠」的發明。植物工廠是用水耕（hydroponics）來種植作物，並提供人工光照。

因為以下優點，目前水耕栽培在農業領域已經取得了顯著的進展和成功：

1. 水耕栽培能夠有效控制營養物質和水分，從而提高作物產量和質量。這種栽培方法尤其適用於葉菜類和某些蔬菜，如番茄、黃瓜和草莓。

2. 與傳統土壤栽培相比，水耕栽培能夠節約大量的水資源。由於水和養分直接輸送到植物根部，減少了水分的蒸發和流失。

3. 水耕栽培不依賴土壤，因此非常適合土地資源有限或土壤質量差的地區，如沙漠、岩石地區和城市環境。

4. 在控制環境中進行的水耕栽培可以實現全年生產，不受季節和天氣條件的限制。

5. 水耕栽培減少了對化學肥料和農藥的依賴，從而減少了環境污染。這種栽培方法與循環農業和可持續農業的理念相契合。

然而，水耕栽培也面臨一些挑戰，例如初始設置成本較高、需要穩定的電力供應以及對技術和管理的要求較高。此外，某些作物（例如大部分穀物）在水耕條件下可能不如在土壤中生長得好。

另外，目前的水耕栽培所使用的基質主要提供對根系的支撐，但尚未有能夠刺激植物生長的活性水培基質。

為了解決這些問題，產生了一個創新的發明「eSoil」。eSoil 的創新之處在於，它是一種低功率的生物電子生長支架，能夠向植物根系及其水耕環境提供電刺激。這種設計不僅可以加速種子的生長，還可能有助於減少化肥的使用，從而在可持續農業方面取得進展。

eSoil的成分包括奈米纖維化的纖維素（nanofibrillated cellulose，NFC）、PEDOT:PSS、GOPS和DMSO。

PEDOT:PSS-NFC-GOPS 支架是以特定比例混合PEDOT:PSS（PH1000 1.3 wt% PEDOT:PSS Heraeus Clevios）、NFC（1 wt% carboxymethylated nanofibrillated cellulose RISE Innventia）和GOPS（97 wt% Alfa Aesar）製成的。這些支架首先在140°C下處理30分鐘，使PEDOT:PSS-NFC與GOPS發生交聯。接著，這些支架會被置於含有少量DMSO的玻璃培養皿中，然後在60°C的熱板上處理24小時，以增強其電導率。這種處理會改變PEDOT中的傳輸機制，從跳躍機制轉變為溫度獨立的傳輸。

研究團隊進行了初步實驗，以確定電刺激的最佳參數。他們選擇了持續5天的+0.5伏特恒定電壓刺激。五天大的大麥植株在eSoil中生長並接受了5天的電刺激，之後再生長5天進行收穫。結果發現，刺激後植株的生長明顯優於對照組。

為了測試刺激是否特定於施加電壓的極性，他們進行了一個實驗，其中施加了-0.5伏特電壓5天。實驗結果顯示，兩種處理的生長沒有顯著差異。

為了了解電刺激對生長的影響何時發生，研究者在不同時間點收穫了植物：第5天（刺激前）、第10天（刺激結束後）、第15天（刺激結束後5天）。實驗結果發現，受到電流刺激的大麥幼苗的確長得好很多。

為了想瞭解到底為什麼在eSoil裡面的大麥幼苗長得更好，研究團隊以¹⁵N同位素標定的硝酸根「餵」給植物。在第15天收穫的根和莖被烘烤乾燥，磨成細粉，並使用元素分析器-同位素比值質譜儀（EA-IRMS）分析後發現，在eSoil與一般水耕的大麥幼苗並沒有什顯著的不同，或許電流刺激讓植物能更有效率的利用養分。

總而言之，eSoil透過物理刺激（如電場）增強植物生長，特別是在環境惡劣或土壤質量差的地區。作為一種低功耗裝置，eSoil具有提高作物產量的潛力，同時也可降低對環境的負擔。由於其結構主要由纖維素組成，這是一種豐富的生物聚合物，有助於實現永續農業。

參考文獻：

Oikonomou VK, Huerta M, Sandéhn A, Dreier T, Daguerre Y, Lim H, Berggren M, Pavlopoulou E, Näsholm T, Bech M, Stavrinidou E. eSoil: A low-power bioelectronic growth scaffold that enhances crop seedling growth. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Jan 9;121(2):e2304135120. doi: 10.1073/pnas.2304135120. Epub 2023 Dec 26. PMID: 38147542.