老葉的植物王國

  圖片來源： 維基百科 菥蓂屬（ Thlaspi ）植物原產於歐洲中部與南部、亞洲西南部，為十字花科以下的一個屬。過去的研究發現，它們會在體內累積大量的鋅與鎘，所以可用作所謂的「生物修復」（phytoremediation）：藉由種植它們，將土壤中過量的金屬離子移除。 最近的研究發現，它們不但可以用來移除土壤中的重金屬離子，還可以用來生產生質能源（biofuel）。這一屬的植物需要的肥料與農藥比其他用來生產生質能源的植物少，也不大需要大量的耕耘。而且，它們可用來生產噴射機的燃料。 與化石燃料比較，目前生質燃料在價格上的競爭力還不夠。所以，找尋生產成本能更降低的原料，是很重要的事。 參考文獻： Seyed Hashem Mousavi-Avval, Ajay Shah. Life cycle energy and environmental impacts of hydroprocessed renewable jet fuel production from pennycress. Applied Energy, 2021; 297: 117098 DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117098

藍色龍舌蘭。圖片來源： 維基百科 雪梨大學的研究發現，在缺水地區想要生產生質能源，可以種植藍色龍舌蘭（ Agave tequilana ）。 過去常用來生產生質酒精的植物原料，包括了玉米與甘蔗。但這兩種作物都不能在缺水的地區生長。事實上，缺水的地區想要種植任何農作物本來就很困難。 但用來生產龍舌蘭酒（Tequila）的藍色龍舌蘭原本就是乾旱地區的植物，所以在缺水地區生長一點問題也沒有，也不需要灌溉。 除了可以生產生質能源，藍色龍舌蘭所生產的酒精當然也可以用來消毒。這對最近新冠肺炎的疫情來說也是很好的。 參考文獻： Xiaoyu Yan, Kendall R. Corbin, Rachel A. Burton, Daniel K.Y. Tan. Agave: A promising feedstock for biofuels in the water-energy-food-environment (WEFE) nexus. Journal of Cleaner Production, 2020; 261: 121283 DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121283

由於石油越來越少，最近這些年來，生質燃料（biofuel）成為非常熱門的一項研究。但是利用澱粉或蔗糖進行發酵產生酒精，會有「與人爭食」的爭議；因此以落葉、廢木、廢紙的纖維素（cellulose）分解發酵後所產生的「纖維酒精」，也成為一個熱門的研究領域了。 但是植物的落葉、殘枝、斷木中所含的不只有單純的纖維素，還有木質素（lignin）。微生物無法分解木質素，因此我們必需先將木質素與纖維素分開。目前最常用的是使用高壓蒸汽進行汽爆（steam explosion）來將木質素與纖維素分開、或是加鹼分解。由於汽爆需要使用大量的能源產生蒸汽，而加鹼處理後需要調整酸鹼度與鹽份濃度，使得纖維酒精的成本居高不下。 用細菌或真菌似乎挺麻煩的。如果單純使用酵素，是否會讓反應更快更方便些呢？雖然過去的研究已經知道，許多真菌與細菌都具有可以分解纖維素的酵素；但是這些酵素在實驗室裡面進行反應的速度似乎都不夠快。有沒有什麼方法可以加快它們的反應速度呢？另外，是否可以找到更節省能源的方法來分解纖維素？ 來自丹麥與瑞典的研究團隊，將他們的眼光轉到其中一群酵素：裂解多糖單氧酶（LPMO，lytic polysaccharide monooxygenase）。LPMO存在於許多細菌、真菌中，其中屬於AA9一族的LPMO，進行反應時需要氧氣與電子。 有意思的部分是，過去的實驗發現，AA9族的LPMO需要的電子，可以來自於維生素C（ascrobic acid）、木質素、或是纖維二糖脫氫酶（CDH，cellobiose dehydrogenase）。這些物質都可以幫助它進行反應。事實上，到目前為止，因為這一族的LPMO對於電子捐贈者是如此的不挑剔，科學家們還沒有找到它真正在細胞裡的合作對象。 因此，研究團隊決定試試看用類囊體膜（thylakoid membrane）來做為電子的來源。 類囊體膜是植物進行光反應（light reaction）的位置。只要有光，類囊體膜上的光系統就可以經由光所提供的能量產生電子。因此，它可以說是相當便宜的電子來源（當然純化類囊體膜還是要成本的）。 一開始研究團隊用藍綠藻（ Synechococcus sp. PCC7002）的類囊體膜。結果發現，使用類囊體膜做為電子的來源，分解的速度變快了至少20倍！在三小時內，加入類囊體膜的組別，有10%的纖維素已...

最近這些年，生質燃料（biofuel）是個熱門的話題；但是用什麼當原料，對於世界會有不同的影響。 怎麼說呢？最容易的，是使用甘蔗的蔗糖或玉米澱粉來發酵產生酒精，但是這類的燃料卻不免有「與人爭食」的疑慮。發生在2008年的全球糧食危機，就跟美國把一部份的玉米投入生質燃料的製作有關。 其次是使用動物或植物油脂（亞麻油、大豆油、椰子油等）製作的生質柴油。同樣的，這也有「與人爭食」的疑慮。 不論是使用澱粉/蔗糖為原料的酒精，或是使用動植物油脂的生質柴油，除了與人爭食的問題之外，另外一個問題是：若不要與人爭食，便需為了種植這些作物將更多的森林/草原改為農田；如此一來地球生態又會被改變，而大量開墾往往涉及燒荒，也會產生大量的二氧化碳與霧霾等等... 最環保的原料可能就是利用落葉、廢木、舊衣、廢紙等的纖維素，經過分解、發酵產生酒精了。由於這些原料原本就是廢棄物，也不需要為了取得他們而開墾森林與草原，當然也不會有燒荒的行為發生。 可是，說來簡單，做來卻不容易。怎麼說呢？原來，植物的細胞壁主要由三種成分組成：纖維素（cellulose），它是由β-葡萄糖所組成的長鏈；半纖維素（hemicellulose），它由木糖（xylose）、甘露糖（mannose）、葡萄糖以及半乳糖（galactose）所組成的分支狀結構；以及木質素（lignin）。其中的纖維素與半纖維素分解後都可以發酵為酒精，但是木質素不但無法發酵成為酒精，它也會成為纖維素與半纖維素分解時的重大障礙。 半纖維素。圖片來源： wiki 那麼，是否可以讓植物不要合成木質素呢？答案是：很難。木質素在植物次生細胞壁（secondary cell wall）時一起形成，主要的功能是幫助植物細胞壁的強度增加；同樣的，植物的導管（xylem）也需要木質素來提升強度，以免在輸送水分時導管因水快速流動所產生的負壓而崩塌。 木質素是一群奇妙的分子。它主要由三個單體（monomer）構成： 木質素的三個單體。1：paracoumaryl alcohol， 2： coniferyl alcohol， 3：sinapyl alcohol。圖片來源： wiki 這三個單體，彼此之間形成複雜的交聯鍵（crosslink）。這些交聯鍵如此複雜，使得木質素沒有固定的構造。 雖然不可能有不含木質素的植物...