種植物也可以發電？植物微生物燃料電池黑科技
氣候變遷是這個世紀人類面臨最大的挑戰之一，為了節省栽培作物所消耗的能源，植物微生物燃料電池（PMFCs, plant microbial fuel cells）技術應運而生。PMFC 可以利用水田中的微生物與植物根際沉積物產生電子，經由外加的電極，將生質能轉換為電能，是具有潛力的下一代新興能源。
撰文｜何郁庭
氣候變遷是當前人類面臨最大的挑戰之一，極端的氣候事件，不只對人類的經濟活動造成嚴重的影響，甚至連基本的溫飽都可能出現問題。大量使用化石燃料會排放溫室氣體，是氣候變遷的重要原因之一，然而，種植糧食作物的行為，本身就需要消耗大量的水與能源，而能源多數仰賴石油產品。
為了盡可能節省栽培作物所消耗的能源，科學家發明一個可以同時種作物與發電的奇蹟技術——植物微生物燃料電池（PMFCs, plant microbial fuel cells）。這是個利用植物、微生物，與電極和線路將生質能轉換為電能的系統。除了發電之外，植物微生物燃料電池甚至可以用來吸收土壤中的重金屬，還有處理污水與廢污泥等問題，著實是個擁有巨大潛力的綠色技術，值得好好關注它未來的發展。
PMFC的原理
PMFC 系統的原理很像電解電池，不同的是，這個系統中有植物與微生物參與。微生物利用植物根部沉積物（root exudates）的有機物質產生電子，電子經由陽極傳輸到陰極，產生電位差並形成電流，使生質能轉化為電力，供人們利用。而陰極接收電子後，會進行還原反應，將氧氣與氫離子還原成水。
因微生物需要在缺氧的環境下進行，所以常見的 PMFC 會利用水稻、香蒲等水生植物物種，PMFC 的實際安裝示意圖如圖一，陽極會埋在土中，微生物在根系區域（rhizosphere）活動；陰極則漂浮於水中與陽極以線路相連，並連接電壓記錄器，測量電壓的強弱與變化。
PMFC 的挑戰
乍聽之下，PMFC 聽起來好處多多，使用門檻也不高，那麼，為什麼這個技術尚未被全世界廣泛使用呢？雖然這個技術相當環保，但目前技術面依然處於起步階段，儘管已經有很多研究者投入相關研發工作，仍有許多挑戰有待破解，最大的痛點在於 PMFC 的輸出功率不足，還有發電能力不夠穩定。
不同的材料與配置方式的 PMFC，輸出功率有很大的差異，舉凡植物種類跟生長階段，土壤中微生物的數量，電極的材料，都會導致發電效率不同。再加上環境中光線的強度、二氧化碳濃度，還有溫度、濕度、酸鹼值等因素，都會影響電池的發電量與穩定性。由於發電的效能未能標準化，使投資成本與能量回收的投資回收時間（PBT, payback time）難以計算，所以，進展到商業使用並以此營利的公司並不多。
目前最有名的應用，是一間荷蘭的生物科技公司「Plant-e」（文獻 4），該公司原先只是瓦赫寧恩大學的一項附屬產品，不過從 2013 年起，成為一間正式的公司，利用 PMFC 的技術，開發照明設備產品與教育相關的服務。
除此之外，也有許多研究者前仆後繼地投入 PMFC 的研究，有些研究看準其復育污染田地的潛力，致力使用此技術去除土壤中的重金屬（文獻 5）。也有些團隊試圖改良 PMFC 的配置，使其可以在盆栽與植物工廠中使用（文獻 6）。由此可見，尚未克服的技術難題並不減損人們對 PMFC 的興趣。
利用 PMFC 產生更強、更穩定的功率輸出，且更快回收裝置的成本，是這個技術未來發展的重要方向，而是否願意關注與使用這樣的能源，則是民眾的選擇。在氣候變遷的世代，無論在社會上扮演什麼角色，小小的動作都可以為永續的環境盡一份心力。
參考文獻：
- Inohana, Y., Matsumoto, A., Nagoya, M., Hirose, A., Kouzuma, A., Watanabe, K. (2020). Rice Paddy-Field Microbial Fuel Cells: Fundamental and Recent Progress. In: Kumar, P., Kuppam, C. (eds) Bioelectrochemical Systems. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-6868-8_13
- Felix Tetteh Kabutey, Qingliang Zhao, Liangliang Wei, Jing Ding, Philip Antwi, Frank Koblah Quashie, Weiye Wang (2019) An overview of plant microbial fuel cells (PMFCs): Configurations and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 110:402-414. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.05.016.
- Shrirang Maddalwar, Kush Kumar Nayak, Manish Kumar, Lal Singh (2021) Plant microbial fuel cell: Opportunities, challenges, and prospects. Bioresource Technology. 341:125772. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125772
- Plant-e | Spark of Nature (Website) https://www.plant-e.com/en/
- 官崇煜（2019）植物微生物燃料電池進行環境綠化、復育與資源化之研究。國立臺灣大學環境工程研究所博士論文。doi: 10.6342/NTU201901104
- 【研究成果】懸掛浸水式植物栽種系統：拓展植物微生物燃料電池應用潛力。自然科學及永續研究推展中心報導，2022-11-17。https://spec.ntu.edu.tw/20221117-research-earth/